Теломеры и болезни, ими обусловленные

Элизабет Блэкбёрн (Elizabeth Blackburn), Джек Шостак (Jack Szostak) и Кэрол Грейдер (Carol Greider) в прошедшем году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за объяснение и характеристику теломер (концевых участков хромосом). Этими исследователями было установлено, что теломеры представляют собой последовательности ДНК со структурой, которая защищает хромосомы от эрозии, и что специфический энзим - теломераза - защищает их после митоза. В статье Родриго Каладо (Rodrigo Calado) и Нила Янга (Neal Young) в New England Journal of Medicine обсуждаются медицинские аспекты этого открытия.

Теломеры стали связывать с болезнями человека, когда мутации в гене DKC1 были определены при редкой наследственной форме болезни - недостаточности костного мозга. Было выявлено, что короткие теломеры отмечаются у многих больных с наследственной или приобретенной апластической анемией. Мутации пораженной теломеразы также идентифицированы в названных формах апластической анемии и были ассоциированы с фиброзом легких и печени. Более того, ген теломеразы представляет собой чувствительный локус для рака, а короткие теломеры могут быть фактором риска для кардиоваскулярных болезней. Таким образом, обычный молекулярный механизм, по всей вероятности, лежит в основе целого ряда клинических состояний. Понимание роли теломер в развитии болезней может оказаться важным для диагноза, генетического консультирования и лечения.

Теломеры и теломераза обеспечивают защиту от угрозы геному, которая возникает при асимметричной репликации ДНК. Без теломер генетический материал будет теряться каждый раз при делении клеток. При диссоциации ДНК теряет концевые участки хромосом. Вследствие этого новые синтезированные ДНК становятся короче оригинальной молекулы. Теломеры и теломераза решают эту проблему, производя энзиматическую «починку» кончиков хромосом, помогая, таким образом, избежать потери генетически закодированной информации в течение митоза.

Недостаточность костного мозга. Гемопоэтическая дисфункция, вызываемая дефектной структурой теломер и дефектом «починки» хромосом, имеет обширный клинический спектр. Манифестация может быть как при рождении, так и в пожилом возрасте и колебаться по тяжести от аномалий или легких гематологических нарушений до крайне тяжелой панцитопении и, кроме того, вызывать врожденный дискератоз (dyskeratosis congenita). Мутации теломер наследуются, но пенетрантность колеблется в широких пределах даже внутри одной родословной.

Врожденный  дискератоз.

Эта форма эктодермальной дисплазии характеризуется триадой признаков: дистрофия ногтей, пятнистая гиперпигментация кожи и лейкоплакия слизистой оболочки полости рта. Изменения слизистой и кожи обнаруживаются уже в младенческом возрасте, недостаточность костного мозга - в первую или вторую декаду жизни. Апластическая анемия обычно является фатальной. Имеет место вариабельность в клинических проявлениях, могут поражаться другие органы и системы, поражение легких может приводить к летальному исходу. Особенно тяжелым вариантом врожденного дискератоза является прогрессирующая панцитопения, микроцефалия с неврологическими отклонениями, атаксией и задержкой роста у детей раннего возраста. Врожденный дискератоз может быть впервые диагностирован и в среднем возрасте с небольшими изменениями только в анализах крови.

Исследование семей с этой болезнью выявило мутации в теломере. В большинстве случаев кератозом болеют мальчики. Генетический анализ родословных обнаруживает связь фенотипа с Xq28 регионом, и этот ген был назван DKC1. Кодирующий белок, дискерин (dyskerin) представляет собой ядерный белок, который связан с РНК и поражает многие клеточные функции.

Исследования

Лечение врожденного дискератоза еще не проводилось достаточно систематически. Андроге-ны улучшают показатели анализов крови примерно у 60% больных. Опыт с пересадкой костного мозга у этих больных пока ограниченный, наблюдается очень много осложнений после операции. Независимо от тяжести проявлений недостаточности костного мозга или терапии показан пожизненный онкологический мониторинг.

Приобретенная апластическая анемия. Измерение длины теломер в гемопоэтических клетках предшествовало открытию мутаций при дискератозе. Изучение клинических примеров стимулировалось потенциальной ролью теломер как «часов митоза», или суррогатов хронологии пролиферации клеток. Например, теломеры лейкоцитов короче у реципиентов трансплантата, чем у их доноров, по крайней мере временно. Было показано, что длина теломеры была меньше у некоторых больных с приобретенной апластической анемией. Высказано мнение, что это вызвано пролиферативным стрессом у ограниченного числа гемопоэтических стволовых клеток. После выяснения причин врожденного дискератоза это объяснение было подвергнуто сомнению.

Системный скрининг больных с доказанной приобретенной недостаточностью костного мозга выявил небольшое число больных с мутациями гена TERC. Это были взрослые пациенты с диагнозом приобретенной болезни и без физикальных признаков врожденного дискератоза. Гематологические отклонения у других членов семьи с мутациями гена TERC часто были легкими и не прогрессировали, но костный мозг был очень гипоцеллюлярным, количество гемопоэтических клеток-предшественников было снижено, а уровень циркулирующих гемопоэтических факторов роста повышен. Пересадка костного мозга от гистосовместимого сибса с нераспознанной мутацией гена TERC вызвала раннюю смерть от отторжения трансплантата у одного больного. Это привело к необходимости выбора неродственного донора.

Мутации в гене TERТ были впервые открыты у больных с апластической анемией. Так же как и обладатели гена TERC, большинство больных были взрослые с недавно развившейся недостаточностью костного мозга. У некоторых больных было отмечено прогрессирование болезни от панцитопении средней тяжести до тяжелой, у других анализы крови оставались стабильными. В семейном анамнезе не было очевидных данных за болезни крови, но фенотипирование родословной показало колебания в анализах крови у носителей мутаций гена TERT.

Так или иначе мутации в генах теломераз (за исключением гена DKC1) объясняют наличие коротких теломер, выявленных у 10% больных апластической анемией. Мутации ассоциированы с короткими теломерами лейкоцитов.

Энзиматическая активность мутантных теломераз снижена. Как и при врожденном дискератозе, гетерозиготность вызывает болезнь посредством доминантного механизма гаплонедостаточности (haploinsufficiency).

Легочный фиброз. Для идио-патического фиброза легких характерны кашель, диспноэ, нарушение газообмена и уменьшение объема легких. Морфологически болезнь характеризуется рассеянным фиброзом легких, интерстициальным воспалением и депозитами коллагена. У 20% больных врожденным дискератозом диагностируется такое осложнение со стороны легких, как фиброз. Очень часто в семейном анамнезе есть указания на интерстициальную пневмонию. Респираторная недостаточность - также частое фатальное осложнение после трансплантации гемопоэтических стволовых клеток у больных дискератозом. Эти ассоциации привели к открытию мутаций теломераз примерно у 15% больных с семейным идиопатическим легочным фиброзом. У родственников также имели место недостаточность костного мозга или цирроз печени. Мутации теломераз иногда наблюдались у больных со спорадическим идиопатическим легочным фиброзом. Гораздо большее число больных имели короткие теломеры, чем идентифицированные мутации, что наводило на мысль о еще неидентифицированных генетических отклонениях у большой части больных.

Болезнь печени. У некоторых больных с врожденным дискератозом развиваются нарушения или смертельные осложнения со стороны печени после пересадки костного мозга. Больные с легочным фиброзом и короткими теломерами могут также иметь криптогенный цирроз печени. Авторы статьи наблюдали много родственников больных с апластической анемией и теломеразной мутацией и одновременным поражением печени. Болезни печени, ассоциированные с мутациями генов TERT и TERC, представляют собой главным образом фиброз с воспалением и нодулярную регенеративную гиперплазию, приводящую к нецирротической портальной гипертензии. Генетической основой семейной ассоциации поражения костного мозга, печени и легких является эрозия теломер и теломеразная мутация.

Истощение теломер и рак.

Хромосомная нестабильность была первоначально постулирована Boveri в 1914 г. как фундаментальное событие в происхождении опухолей. Этот вывод повлек за собой представление о многочисленных нарушениях в числе и структуре хромосом в большинстве раковых образований. Клеточные эксперименты и эксперименты на животных привели к предположению, что истощение теломер является механизмом для потери или прироста хромосом. Когда устойчивость теломер в плесени нарушается, небольшое число клеток, которые избежали старения, показали наличие хромосомных аномалий. В отсутствие теломеразы частота мутаций возрастает, приводя к потере терминальных хромосом и повторным циклам «сжигания мостов» восстановления.

Ускорение истощения теломер, воспаление и озлокачествление. У людей исследования часто ограничены необходимостью измерять теломеры в лейкоцитах, неопределенностью значения длины теломер в опухолевых клетках. Тем не менее длина теломер связана с некоторыми типами опухолей. Обнаружение коротких теломер при колоректальном раке навело на мысль, что потеря теломер вносит свой вклад в канцерогенез и генетическую нестабильность злокачественных клеток. Теломеразная недостаточность была выявлена в гистологически нормальной слизистой больных с воспалительными заболеваниями кишок (клетки рака экспрессируют высокую теломеразную активность). Потери хромосом в недиспластической ткани у больных с язвенным колитом были ассоциированы с укорочением теломераз и признаками анафазы мостиков, особенно у больных, заболевших раком.

Серьезным фактором риска рака пищевода является воспаление при пищеводе Барретта. В одном из исследований было показано, что длина теломер в лейкоцитах при первой презентации была обратно пропорциональна риску в последующем рака пищевода. Возможное объяснение заключается в предрасположенности к дефектной починке ДНК в слизистой оболочке или долговременной экспозиции оксидативного стресса, который провоцирует клеточную пролиферацию. Короткие теломеры, визуализированные посредством флюоресцентной окраски биоптата пищевода Барретта, и хромосомная нестабильность, ассоциированная с диспластическими изменениями, позволяют предполагать, что оба эти фактора являются толчком к развитию рака пищевода. Теломеры лейкоцитов, короткие в соответствии с возрастом больных, рассматриваются как фактор риска или биомаркер многих солидных раков. Но не всех. Исключением является рак молочной железы.

У больных с костномозговой недостаточностью часто наблюдаются онкогематологические и онкологические заболевания других органов. В серии наблюдений 50 больных с классическим врожденным дискератозом Национального института рака (США) исследователи нашли 11-кратное повышение риска опухолей по сравнению с общей популяцией. Чаще всего это были чешуйчато-клеточные карциномы головы и шеи, кожи, аноректальный рак и острый миелоидный лейкоз. Авторы цитируемой статьи нашли, что у больных апластической анемией теломеры лейкоцитов были главным предиктором клональной эволюции: почти все больные, у которых развился миелодиспластический синдром моносомии по 7-й хромосоме и острый миелоидный лейкоз, находились в наиболее низкой квартили (quartile) длины теломер, когда у них впервые была установлена недостаточность костного мозга. Поскольку лейкоз связан с мутациями генов TERT и TERC в некоторых родословных, авторы произвели скрининг большой когорты больных с острым миелоид-ным лейкозом. Системные мутации гена TERT были выявлены почти у 9% этих больных и была отмечена сильная ассоциация с риском цитогенетических аномалий. В небольшой серии наблюдений длина теломер находилась в ассоциации с риском трансформации миелодисплазии в лейкоз после химиотерапии и аутологической трансплантации гемопоэтических клеток, и наличие коротких теломер бластных клеток коррелировало с хромосомными нарушениями.

Таким образом, считают авторы, укорочение теломер может быть связано с риском заболевания раком - от высокой частоты специфических онкологических заболеваний при врожденном дискератозе до умеренного канцерогенеза в общей популяции. При некоторых специфических воспалительных и иммунных заболеваниях истощение теломер может быть реальным фактором в развитии рака.

Теломеры и болезни сердца.

Длина теломер связана с кардиоваскулярными осложнениями, но значения этой связи варьируют в разных исследованиях. В одном из исследований теломеры эндотелиальных клеток-предшественников были короче у больных с коронарной болезнью сердца, чем у здоровых лиц, и интенсивная липидснижающая терапия уменьшила оксидативное повреждение ДНК и предотвратила дальнейшее истощение теломер. В эпидемиологических исследованиях лица с укороченными теломерами лейкоцитов входили в группу риска по коронарной болезни сердца. Снизить риск развития болезни удалось применением статинов. Отмечена также связь риска инфаркта миокарда с укороченными теломерами у молодых больных, который оказался в 3 раза выше, чем в старшем возрасте. Укороченные теломеры оказались биомаркерами риска смерти больных со стабильной коронарной болезнью сердца.

Рудольф АРТАМОНОВ.