Карагандинский государственный
медицинский университет
Кафедра:
молекулярной биологии
и генетики
СРС
на тему:
«Теломеры.Теломеразная активность»
Выполнил:
Проверил:
Караганда 2011г.
- Существование специальных структур на концах хромосом было постулировано в 1938 году классиками генетики, 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 естественным концам. Лишенные концевых теломер, хромосомы начинают сливаться с большой частотой, что ведет к тяжелым генетическим аномалиям. Следовательно, заключили они, естественные концы линейных хромосом защищены специальными структурами.
- В 1932 Г. Мёллер предложил называть их теломерами (от греч. телос - конец и мерос - часть).
- Хромосома имееет две теломеры.
- У человека теломеры содержат единственный повтор GGGTTA.
теломеры
Строение теломер
- В клетках человека теломеры обычно представлены одноцепочечной ДНК и состоят из несколько тысяч повторяющихся единиц последовательности ТТАГГГ. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом, формируя очень необычные структуры, называемые
- G-квадруплексами и состоящие из четырёх, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуаниновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированием в центре неё иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом
Структура теломер. Зелёным
цветом показан ион металла, хелатированный
в центре структуры
- Основная функция этих участков — поддержание целостности концов хромосом;
- Теломера содержит специальные последовательности ДНК, обеспечивающие точную репликацию хромосом;
- Кроме своей роли в репликации и кэпировании хромосом теломеры, участвуют в мейотическом спаривании хромосомом, мейотической и митотической сегрегации хромосом и в организации ядра;
- Ответственны за прикрепление хромосом к ядерным матриксом;
- Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации.
Функции
"КОНЦЕВАЯ НЕДОРЕПЛИКАЦИЯ ДНК"
ДНК-полимеразы, синтезируя дочернюю цепь ДНК, прочитывают родительскую цепь в направлении от ее 3'-конца к 5'-концу. Соответственно дочерняя цепь синтезируется в направлении 5' 3'. В противоположном направлении синтез цепи ДНК фермент катализировать не может.
ДНК-полимераза начинает синтез только со специального РНК-праймера - короткой РНК-затравки, комплементарной ДНК.
После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры удаляются, а пропуски в одной из дочерних цепей ДНК заполняются ДНК-полимеразой. Однако на 3'-конце ДНК такой пропуск заполнен быть не может, и поэтому 3'-концевые участки ДНК остаются однотяжевыми, а их 5'-концевые участки - недореплицированными.
Отсюда ясно, что каждый раунд репликации хромосом будет приводить к их укорочению.
Понятно, что прежде всего должна сокращаться длина теломерной ДНК.
- 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.
- Иными словами, предполагалось, что процесс укорочения теломер и есть тот часовой механизм, который определяет репликативный потенциал "смертной" клетки, и когда длина теломер становится угрожающе короткой, этот механизм предотвращает дальнейшее деление клетки.
- А.М. Оловников предположил также, что в нестареющих клетках (а к ним кроме раковых относятся зародышевые, стволовые и другие генеративные клетки) должна существовать специализированная ферментативная система, которая контролирует и поддерживает длину теломерной ДНК.
Гипотеза А.М. Оловникова
Теломераза
Гипотеза А.М. Оловникова нашла
убедительное подтверждение в последующие
годы.
- Во-первых, было установлено, что теломеры нормальных (то есть обреченных на старение) клеток действительно укорачиваются на 50-60 нуклеотидных звеньев при каждом клеточном делении.
- Во-вторых, в 1984 году Э. Блэкберн 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
Теломеразы являются рибонуклеиновыми
ферментами. РНК-компонент теломераз содержит
короткий район (матрицу), комплементарный
одному повтору G-богатой цепи теломерной
ДНК.
Вторичная структура
РНК-компонента теломеразы инфузории Tetrahymena
termophila
Механизм действия теломераз
- Повторное копирование матрицы, включающее этап элонгации, когда дезоксирибонуклеотиды последовательно добавляются к 3'-концу G-богатой цепи теломеры,
- и этап транслокации фермента на конец новообразованной цепи.
- В результате действия теломеразы образуется достаточно длинный 3'-конец, по которому затем достраивается комплементарная цепь. В итоге теломера становится длиннее.
- (1) обратная транскриптаза;
- (2) теломеразная РНК;
- (3) нуклеаза, отщепляет от 3'-конца теломерной ДНК один за другим несколько нуклеотидов до тех пор, пока на этом конце не окажется последовательность, комплементарная нужному участку матричного сегмента теломеразной РНК;
- субъединица(4), отвечающая за поиск и связывание 3'-конца хромосомы (выполняющая якорную функцию);
- субъединицы(5), связывающие продукт реакции (однотяжевую ДНК);
- (6) комплементарный РНК-ДНК комплекс.
В механизм входят:
а-Нуклеазная субъединица (3) теломеразы
«объедает» 3'-конец ДНК, превращая его
в праймер для ДНК-полимеразной реакции; б- синтез
ДНК-повтора на РНК-матрице.
Необходимо отметить,
что теломераза синтезирует
лишь небольшой участок теломеры, утрачиваемый
вследствие концевой репликации.
Основная же часть теломерной
ДНК реплицируется путем обычного синтеза
ведущей и отстающей цепей с помощью ДНК-полимеразы.
Теломеразная активность
- Теломераза добавляет особые повторяющиеся последовательности ДНК к 3'-концу цепи ДНК на участках теломер.
- Длина теломерных участков хромосом увеличивается или сохраняется на постоянном уровне, компенсируя таким образом концевую недорепликацию и позволяя клетке делиться неограниченно долго.
- 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, делает клеточную культуру иммортальной (бессмертной), т.е. 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.
- Клетки 85 % раковых опухолей обладают теломеразной активностью.
Теломеразная активность соматических клеток
- В подавляющем большинстве соматических клеток человека на стадии раннего эмбриогенеза происходит выключение гена ее каталитической субъединицы (обратной транскриптазы),кодирующего теломеразу.
- Тем самым инициируется процесс прогрессивного укорочения теломер, или так называемого "репликативного" старения.
- Другие же составляющие теломеразы, включая теломеразную РНК, образуются в этих клетках, хотя и в меньших количествах, чем в их "бессмертных" прародителях, но постоянно (или, как говорят, конститутивно).
Теломеразная активность раковых клеток
- Клетки большинства раковых опухолей характеризуются достаточно высокой активностью теломеразы, которая поддерживает длину теломер на постоянном уровне.
- Этот уровень заметно ниже, чем, например, у эмбриональных клеток, но он достаточен, чтобы обеспечить безграничное деление раковых клеток в культуре.
- Сравнительно небольшая длина теломер у большинства раковых клеток наводит на мысль о том, что они происходят из нормальных клеток, достигших предкризисного состояния.
- Это состояние характеризуется нарушением регуляции многих биохимических реакций. В таких клетках происходят многочисленные хромосомные перестройки, которые в том числе ведут и к злокачественной трансформации.
- Большинство этих клеток погибают, но в части из них в результате случайных мутаций может активироваться постоянная экспрессия генов теломеразы, которая будет поддерживать длину теломер на уровне, необходимом и достаточном для их функционирования.
Механизм образования опухолевой клетки
Рак без теломераз?
- Некоторое время вызывал недоумение тот факт, что примерно пятая часть проанализированных раковых опухолей и клеток вообще не содержала активной теломеразы.
- Оказалось,что длина теломер в них поддерживается на должном уровне.
- Таким образом, в этих клетках действует другой, не теломеразный, а скорее рекомбинационный механизм образования теломерной ДНК
Рак кожи
Рак легких
Стволовые клетки
одна из которых останется стволовой ("бессмертной"),
а другая вступит в процесс
дифференцировки
У стволовой клетки
всегда есть возможность дать
две дочерние клетки,
Благодаря
этому