Теломеры — концевые участки хромосом. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию. Термин «теломера» предложил Г. Мёллер в 1932 г .
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. Данный феномен носит название концевой недорепликации и является одним из важнейших факторов биологического старения. Тем не менее, вследствие этого явления теломеры должны укорачиваться весьма медленно — по несколько (3–6) нуклеотидов за клеточный цикл, т.е. за количество делений, соответствующее пределу Хейфлика, они укоротятся всего на 150–300 нуклеотидов. В настоящее время предложена эпигенетическая теория старения, которая предполагает, что эрозия теломер ускоряется в десятки и сотни раз из-за рекомбинаций в их ДНК, вызванных функционированием клеточных систем репарации ДНК. Активность данных систем инициируется повреждением ДНК, обусловленным прежде всего дерепрессирующимися с возрастом мобильными элементами генома, что и предопределяет старение как биологический феномен.
- Строение и функции 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.
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 копировании хромосом теломеры, участвуют в мейотическом спаривании хромосомам, мейотической и митотической сегрегации хромосом и в организации ядра. И ответственны за прикрепление хромосом к ядерным матриксом. Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации.
- 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.
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. 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.
- Теломераза
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 .
Теломераза — фермент, добавляющий особые повторяющиеся последовательности ДНК (TTAGGG у позвоночных) к 3′-концу цепи ДНК на участках теломер, которые располагаются на концах хромосом в эукариотических клетках. Теломеры содержат уплотнённую ДНК и стабилизируют хромосомы. При каждом делении клетки теломерные участки укорачиваются.
Строение человеческой теломеразы было выяснено Скоттом Коэном и его исследовательской группой в австралийском Исследовательском институте детской медицины. Теломераза состоит из теломеразной обратной транскриптазы (TERT), теломеразной РНК (hTR или TERC), и дискерина (по две молекулы каждого из этих веществ). Две субъединицы фермента кодируются двумя различными генами.
- На первой стадии теломераза 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.
2. Далее наступает очередь РНК-зависимой ДНК-полимеразной активности теломеразы. Она обеспечивается специальной субъединицей теломеразы, которая по устройству своего каталитического центра во многом сходна с обратными транскриптазами ретровирусов и ретротранспозонов.
3. 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 вновь. - Теломеразная активность
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. 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. 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 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.
- 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.
Как только потомки половых или стволовых клеток начинают дифференцироваться, активность теломеразы падает и их теломеры начинают укорачиваться. В клетках, дифференцировка которых завершена, активность теломеразы падает до нуля, и, с каждым клеточным делением они с неизбежностью приближаются к состоянию сенесенса (перестают делиться). Вслед за этим наступает кризис, и большинство клеток погибают.
- Заключение
Процесс старения не только организма, но и клетки – это исключительно сложный комплекс изменений во множестве биохимических реакций, и его вряд ли можно повернуть вспять, воздействуя только на какую-то одну из них. В то же время существуют вполне реальные планы активировать теломеразу в клетках кожи, которую пересаживают пациентам с сильными ожогами, и тем самым активировать их рост. Что же касается разработки методов избирательного подавления теломеразной активности в раковых опухолях, то сейчас это важное направление в поиске новых средств борьбы со злокачественными заболеваниями. Пока большинство работ связано с испытанием ингибиторов обратных транскриптаз (каталитических субъединиц теломераз). Изучение тонкой структуры теломер и механизма действия теломераз находится еще только в начальной стадии.
- 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
