Теломеры. Теломеразная активность

Теломеры. Теломеразная активность

 

Подготовила: студентка 136 группы ОМ Амирхан А.

Проверила: Мироедова Э. П.

 Теломе́ры (от др.-греч. τέλος — конец и μέρος — часть) — концевые участки хромосом. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами, и построены из дезоксирибонуклеопротеидов, т.е. комплексов ДНК с белками.

 

 

Существование специальных  структур на концах хромосом было постулировано  в 1938 году лауреатами Нобелевской премии Барбарой Мак-Клинток и Германом Мёллером. Независимо друг от друга они обнаружили, что фрагментация хромосом под действием рентгеновского облучения и появление у них дополнительных концов ведут к хромосомным перестройкам и деградации хромосом. В сохранности оставались лишь области хромосом, прилегающие к их ествественным концам. Лишенные концевых теломер, хромосомы начинают сливаться с большей частотой, что ведет к тяжелым генетическим аномалиям. Следовательно, заключили они, естественные концы линейных хромосом защищены специальными структурами. Г. Мёллер предложил называть их теломерами ( от греч. «телос»- конец, «мерос»- часть).

В последующие год выяснилось, что теломеры не только предотвращают деградацию и слияние хромосом, поддерживая целостность генома хозяйской клетки, но и, по-видимому, отвечают за прикрепление хромосом к специальной внутриядерной структуре, называемой ядерным матриксом. Т.о., теломеры играют важную роль в создании специфической архитектуры и внутренней упорядоченности клеточного ядра.

У большинства эукариот теломеры состоят из специализированной линейной хромосомной ДНК, состоящей из коротких тандемных повторов. В теломерных участках хромосом ДНК вместе со специфически связывающимися с теломерными ДНК-повторами белками образует нуклеопротеидный комплекс — конститутивный (структурный) теломерный гетерохроматин. Теломерные повторы — весьма консервативные последовательности, например повторы всех позвоночных состоят из шести нуклеотидов TTAGGG, повторы всех насекомых — TTAGG, повторы большинства растений — TTTAGGG.

В каждом цикле деления теломеры клетки укорачиваются из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого конца. Она в состоянии лишь добавлять нуклеотиды к уже существующей 3’-гидроксильной группе. По этой причине ДНК-полимераза нуждается в праймере, к которому она могла бы добавить первый нуклеотид. Наличие на хвостах хромосом специальной теломерной ДНК позволяет решить проблему концевой недорепликации ДНК.

Многократно повторяющиеся  блоки в теломерной ДНК состоят из шести-восьми нуклеотидных остатков. При этом одна цепь ДНК сильно обогащена остатками гуаниловой кислоты, а комплементарная ей цепь соответственно обогащена остатками цитидиловой кислоты. Теломерный ДНК-повтор универсален для всех живых организмов, что неудивительно, ведь в теломерной ДНК не закодировано никаких белков. Важная характеристика теломерных ДНК – их длина. У человека она колеблется от 2 до 20 тыс. пар оснований. У многих видов теломерная ДНК содержит однотяжевой «хвост». Этот район представлен ее Г-богатой цепью и заканчивается свободной 3-гидроксильной группой. Установлено, что некоторые белки, ассоциированные с двуспиральной теломерной ДНК, регулируют активность определенных генов, и даже участвуют в активации и репрессии транскрипции. Это означает, что изменения или нарушения в структуре теломер могут затрагивать не т олько их собственные функции, но и экспрессию жизненно важных генов, находящихся в других районах хромосом.

Первым на проблему концевой недорепликации ДНК обратил внимание А. М. Оловников в 1971 году. Он высказал гипотезу о том, что потеря концевых последовательностей ДНК вследствие их недорепликации ведет к старению клетки. Предполагалось, что процесс укорочения теломер и есть тот часовой механизм, который определяет репликативный потенциал клетки, и когда длина теломер становится угрожающе короткой, механизм предотвращает дальнейшее деление клетки. А. М. Оловников предположил, что в нестареющих клетках (раковых, зародышевых, стволовых и других генеративных клетках) должна существовать специальная ферментативная система, которая контролирует и поддерживает длину теломерной ДНК.

Гипотеза А. М. Оловникова нашла подтверждение в последующие  годы. Во-первых, было установлено, что  теломеры нормальных клеток укорачиваются на 50-60 нуклеотидных звеньев при каждом клеточном делении. Во-вторых, в 1984 году Э. Блэкбери и Э. Грайдер выделили фермент, который с помощью механизма, отличного от механизма реакций, лежащих в основе репликации ДНК, синтезирует теломерную ДНК. Этот фермент был назван теломеразой. 

 Теломераза — фермент, добавляющий особые повторяющиеся последовательности ДНК к 3'-концу цепи ДНК на участках теломер.

 

Основное назначение теломеразы- синтез тандемно повторяющихся сегментов ДНК, из которых состоит Г-цепь теломерной ДНК. Т.О., теломераза относится к классу ДНК-полимераз, являясь РНК-зависимой ДНК-полимеразой, или обратной транскриптазой. РНК, используемая теломеразой для синтеза теломерной ДНК в качестве матрицы, входит в состав самого фермента. На сегодня это единственная известная РНК-содержащая обратная транскриптаза.

Механизм синтеза  теломерных повторов, катализируемого теломеразой

 

На первой стадии теломера находит 3’-конец теломерной ДНК, с которым часть матричного участка теломеразной РНК образует комплементарный комплекс. При этом теломераза использует 3-конец хромосомной ДНК в качестве праймера. Наступает очередь РНК-зависимой ДНК-полимеразной активности теломеразы. Она обеспечивается специальной субъединицей теломеразы. Когда синтез ДНК-повтора заканчивается, происходит транслокация, то есть перемещение матрицы и белковых субъединиц фермента на заново синтезированный конец теломерной ДНК и весь цикл повторяется.

Гипотетическая  структура теломеразы

 В результате деятельности теломеразы длина теломерных участков хромосом клетки увеличивается или сохраняется на постоянном уровне, компенсируя таким образом концевую недорепликацию и позволяя клетке делиться неограниченно долго. В ходе исследования этого фермента  выяснилось, что РНК-компонент экспрессируется на постоянном уровне практически во всех клетках, и для индуцирования теломеразной активности необходима экспрессия белкового компонента, названного поэтому каталитическим компонентом теломеразы. Искусственно индуцированная экспрессия гена каталитического компонента теломеразы (путем введения гена при помощи методов генной инженерии) делает клеточную культуру иммортальной, то есть способной делиться неограниченно долго, отменяя тем самым для культуры предел Хейфлика. Теломераза экспрессируется в стволовых, половых и некоторых других типах клеток организма, которым необходимо постоянно делиться для функционирования определённых тканей (например, клетки эпителия кишечника). Обычные соматические клетки организма лишены теломеразной активности. Клетки 85 % раковых опухолей обладают теломеразной активностью, поэтому считается, что активация теломеразы является одним из событий на пути клетки к злокачественному перерождению.

Сейчас ведется разработка методов избирательного подавления теломеразной активности в раковых опухолях. Пока большинство работ связано с испытанием ингибиторов обратных транскриптаз. Но каталитическая субъединица теломеразы – одна из ДНК-полимераз и искомый ингибитор должен быть направлен именно на теломеразную ДНК-синтезирующую активность, иначе он будет токсичен для нормальных клеток.

 Изучение структуры теломер и механизма действия теломераз находится в начальной стадии. Однако они представляют огромный интерес для исследователей и, возможно, являются ключом к победе над раком и даже бессмертию.