Предел Хейфлика: определение, описание и эксперименты
Человечество издавна мечтает о бессмертии. Но есть ли предел продолжительности жизни на клеточном уровне? Удивительное открытие Леонарда Хейфлика в 1961 году доказало существование такого предела. Давайте разберемся, что же такое загадочный предел Хейфлика.
История открытия предела Хейфлика
Леонард Хейфлик родился в 1915 году в США. Он является автором революционного эксперимента 1961 года по выращиванию клеток человека в условиях культуры. Суть предела хейфлика экспериментов заключалось в следующем:
- Были взяты клетки от мужчины в возрасте 40 лет, совершившие 40 делений.
- Были взяты клетки от женщины в возрасте 10 лет, совершившие 10 делений.
- Эти клетки смешали в равных пропорциях.
- Контрольная группа - только 40-дневные мужские клетки.
Когда контрольные клетки перестали делиться, в опытной группе остались только 10-дневные женские клетки. Мужские клетки погибли после 50 делений. Это доказало существование предела количества делений для соматических клеток человека.
Определение предела Хейфлика
Предел Хейфлика - это максимально возможное количество делений, после которого нормальная клетка человека или другого многоклеточного организма перестает делиться и погибает. Этот предел касается соматических клеток, то есть всех кроме половых и стволовых. Для большинства человеческих клеток лимит составляет 52 деления. У мышиных клеток этот предел гораздо больше - порядка 50 тысяч делений из-за более длинных теломер.
Предел или лимит Хейфлика — граница количества делений соматических клеток, названа в честь ее открывателя Леонарда Хейфлика.
Роль теломер в установлении предела
Почему же существует предел Хейфлика и что его определяет? Основная причина кроется в таких структурах как теломеры - участки ДНК на концах хромосом, не несущие информации о белках. Их основная задача - защищать от повреждений при делениях. Но их длина не бесконечна, и вот что происходит:
- При каждом делении теломеры чуть-чуть укорачиваются.
- Когда теломеры почти кончаются, дальнейшее деление клетки невозможно.
- Наступает предел Хейфлика, и клетка погибает.
Яркий тому пример - клонированная овца Долли со взрослыми укороченными теломерами. Ей был заранее "задан" меньший предел Хейфлика по сравнению с обычными овцами.
Клетки, для которых нет предела Хейфлика
Хотя предел Хейфлика есть для большинства клеток, существуют исключения:
- Половые клетки
- Раковые клетки
- Некоторые стволовые клетки
В чем их особенность? Все эти клетки содержат фермент теломеразу. Она восстанавливает длину теломер после каждого деления, тем самым делая клетку "бессмертной". Вот почему, в отличие от нормальных тканей, опухоли способны к неограниченному росту.
Теории старения, связанные с пределом Хейфлика
Существует несколько теорий, объясняющих механизм действия предела Хейфлика и его роль в процессах старения организма.
Первая теория говорит о накоплении случайных повреждений ДНК при многократных клеточных делениях. Из-за неблагоприятных факторов окружающей среды происходят ошибки при копировании ДНК, и со временем это приводит к нарушениям в работе клетки.
Вторая теория напрямую связывает предел Хейфлика со старением организма. Старые клетки с исчерпанным лимитом делений перестают корректно выполнять свои функции, что запускает возрастные заболевания вроде атеросклероза и рака.
Возможности преодоления предела Хейфлика
Можно ли как-то обойти или хотя бы отодвинуть этот зловещий лимит? Да, существуют различные подходы.
Во-первых, это клонирование предел хейфлика. К примеру, можно брать для клонирования не взрослые, а эмбриональные стволовые клетки с длинными теломерами.
Во-вторых, активация фермента теломеразы. Это позволит восстанавливать длину теломер в обычных клетках, тем самым отодвигая предел Хейфлика.
Также полезно принимать такие вещества, как карнозин. Он замедляет укорочение теломер даже без активации теломеразы.
Современные исследования предела Хейфлика
На данный момент ученые активно изучают природу и механизмы действия предела Хейфлика. В частности, ведутся работы по расшифровке структуры человеческой теломеразы с помощью методов криоэлектронной микроскопии.
Также перспективным направлением является моделирование пространственной структуры белков на основе их аминокислотной последовательности. Это позволит глубже понять механизмы фолдинга белков, лежащие в основе предела Хейфлика.
Этические вопросы в связи с пределом Хейфлика
Возможность преодоления предела Хейфлика открывает много этических вопросов. Главный из них - стоит ли человечеству в принципе стремиться к радикальному увеличению продолжительности жизни?
С одной стороны, это позволит людям больше узнать и успеть за жизнь. Но с другой стороны, перенаселение планеты может достичь критического уровня. К тому же не все захотят жить вечно по личным соображениям.
Реакция общества на открытие предела Хейфлика
После публикации результатов Леонардом Хейфликом в 1961 году в научном сообществе начались оживленные дебаты. Многие ученые поначалу отнеслись скептически и не верили в существование предела для клеточных делений.
Однако со временем эксперимент Хейфлика был воспроизведен в других лабораториях. Также накапливались косвенные доказательства в пользу его гипотезы. В итоге предел Хейфлика получил всеобщее признание под названием hayflick limit.
Практическое применение знаний о пределе
Понимание механизмов действия предела Хейфлика открывает путь для продления жизни человека. Но эти знания могут применяться и в других областях:
- Разработка методов борьбы с раковыми заболеваниями
- Выведение более продуктивных сельскохозяйственных животных
- Создание банков стволовых клеток человека
По мере прогресса науки список будет только расширяться. Главное - использовать эти знания разумно и во благо.
Клеточное старение и возрастные заболевания
Как уже упоминалось ранее, предел Хейфлика тесно связан с процессами старения на клеточном уровне. По мере приближения к лимиту количества делений происходят необратимые изменения в клетках.
В частности, нарушается внутриклеточный транспорт веществ, ухудшается ответ на гормональные стимулы, повышается уровень повреждений ДНК. Все это в конечном итоге приводит к гибели клетки по достижении предела Хейфлика.
Хорошо заметные возрастные изменения происходят в коже. Это связано с тем, что клетки кожи активно делятся в течение всей жизни, постепенно исчерпывая свой предел.
Потеря сосудами эластичности также отчасти вызвана старением и отмиранием клеток сосудистой стенки, достигших лимита Хейфлика. Это провоцирует развитие атеросклероза и инфарктов.
Опухолевые клетки, как известно, не имеют предела делений. Однако повышенная склонность тканей к злокачественной трансформации при старении также отчасти связана с накоплением повреждений ДНК в клетках, близких к исчерпанию лимита.