Реферат на тему:
Теломераза — фермент, добавляющий особые повторяющиеся последовательности ДНК (ТТАГГГ у позвоночных) к 3'-концу цепи ДНК на участках теломер, которые располагаются на концах хромосом в эукариотических клетках. Теломеры содержат уплотненную ДНК и стабилизируют хромосомы. При каждом делении клетки теломерные участки укорачиваются. Существование механизма, компенсирующего укорочение теломер (теломеразы), было предсказано в 1973 году А. М. Оловниковым[1].
Теломераза является обратной транскриптазой, причем с ней связана особая молекула РНК, которая используется в качестве матрицы для обратной транскрипции во время удлинения теломер.
Теломераза была обнаружена Кэрол Грейдер в 1984 году[2].
За открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы в 2009 году присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине австралийке, работающей в США, Элизабет Блэкбёрн, американке Кэрол Грейдер и её соотечественнику Джеку Шостаку.[3]
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 (состоящего, как описано ниже, из РНК-компонента и белкового компонента) 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 (бессмертной), 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.
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) [4]. Две субъединицы фермента кодируются двумя различными генами. Кодирующий регион для TERT имеет длину 3396 пар, TERT таким образом содержит 1131 аминокислоту. Этот белок сворачивается и захватывает TERC (имеющую длину 451 нуклеотид), которая не транслируется, оставаясь РНК. TERT имеет форму рукавицы, что позволяет ему закрепляться на хромосоме и добавлять в нее одноцепочечные теломерные участки.
TERT — это обратная транскриптаза, то есть фермент, создающий одноцепочечную ДНК на основе шаблонной одноцепочечной РНК. Такие ферменты (а именно — образцы, полученные из вирусов) используются исследователями в лабораторном процессе полимеразной цепной реакции обратной транскрипции (RT-PCR), при помощи которого создаются копии ДНК на основе заданного РНК-шаблона. TERT же удерживает свой собственный шаблон — TERC.
Профессор Скордалакес и его коллеги первыми выявили полный набор и структуру критически важных белков в молекуле теломеразы. [5]
Используя TERC, TERT добавляет повторяющуюся последовательность из шести нуклеотидов 5'-ТТАГГГ к 3'-нити хромосом. Указанная последовательность используется у позвоночных; у других классов организмов последовательности отличаются. Эти повторяющиеся последовательности ТТАГГГ вместе со своими парными белками, и называются теломерами.
Шаблонный участок TERC содержит последовательность 3'-ЦААУЦЦЦААУЦ-5'. Теломераза связывает первые несколько нуклеотидов шаблона с последней теломерной последовательностью на хромосоме, добавляет новый повторяющийся участок (5'-ГГТТАГ-3'), отделяется, связывает новый 3'-конец теломеры с шаблоном и повторяет весь процесс заново.
Вторичная структура РНК-компонента теломеразы инфузории Tetrahymena termophila
Объяснение необходимости удлинения теломер приведено в основной статье о теломерах.
Теломеразу считают ключом к клеточному бессмертию, «источником юности». Этот фермент позволяет клеткам быстро размножаться без старения. Стволовые клетки эмбрионов, например, экспрессируют теломеразу, которая позволяет им непрерывно делиться, формируя ткани и органы. У взрослых организмов теломераза экспрессируется в клетках, которые должны часто делиться, однако большинство соматических клеток ее не производят.
Один из наиболее очевидных признаков старости — сниженная активность клеток кожи. Предполагается, что лечение теломеразой сможет помочь избавиться по крайней мере от этих проблем.
Компании Revive Skincare и TaSciences.com выпускают косметические продукты на основе теломераз. По заявлениям Revive, производство одного грамма теломеразы обходится компании в 4 миллиона долларов США. Активной теломеразы в косметических препаратах нет и быть не может, поскольку содержащаяся в составе теломеразы РНК очень быстро разрезается рибонуклеазой А, которая очень распространена в природе. Кроме того и сам фермент не очень стабилен. Активную теломеразу в лабораториях выделяют в стерильных условиях и хранят в замороженном виде (желательно в низкотемпературном холодильнике).
Возникновение многих признаков раннего старения приписывают сокращению теломер[6]. Это, например, прогерия, Атаксия-телангиэктазия, синдром Блума, анемия Фанкони, синдром Наймегена и другие телангиэктазивные нарушения. Гены, мутация которых приводит к этим заболеваниям, задействованы в восстановлении ДНК. Их участие в управлении длиной теломер активно исследуется. Поскольку на настоящий момент неизвестно, насколько разрушение теломер влияет на процесс старения, основные исследования направлены на процессы сохранения целостности ДНК и в особенности ее теломерных участков. Майкл Фоссел в одном из интервью предположил, что лечение теломеразой может использоваться не только для борьбы с раком, но даже для борьбы со старением человеческого организма и таким образом для увеличения продолжительности жизни. Он считает, что уже в ближайшем десятилетии будут проведены первые испытания теломеразных методов увеличения продолжительности жизни человека. Это весьма обнадеживает, так как примерно в это же время произойдет массовый уход на пенсию людей поколения беби-бума в США и западной Европе.
Когда клетки в культуре приближаются к пределу Хейфлика, старение может быть замедлено деактивацией генов, которые кодируют белки, подавляющие образование опухолей. Это, в частности, белок, называемый p53, и белок ретинобластомы (pRb). Измененные таким образом клетки рано или поздно достигают состояния, называемого «кризисом», когда большая часть клеточной культуры умирает. Иногда, однако, клетка не перестает делиться при достижении кризиса. Обычно в это время теломеры полностью разрушены и состояние хромосомы ухудшается с каждым делением.
Оголенные концы хромосом распознаются как разрывы обеих цепей ДНК. Повреждения такого рода обычно устраняются путем соединения разорванных концов. Однако в данном случае соединенными могут оказываются концы разных хромосом, так как они более не защищены теломерами. Это временно позволяет решить проблему отсутствия теломер, однако во время анафазы клеточного деления сцепленные хромосомы разрываются на части случайным образом, что приводит к большому количеству мутаций и хромосомных аномалий.
По мере продолжения этого процесса геном клетки повреждается все больше. Наконец, наступает момент, когда либо объем поврежденного генетического материала становится достаточным для гибели клетки (путем запрограммированной клеточной смерти — апоптоза), либо происходит дополнительная мутация, активирующая теломеразу.
После активации теломеразы некоторые виды клеток становятся бессмертными: их хромосомы не становятся менее стабильными вне зависимости от числа клеточных делений, и процесс клеточной смерти не запускается. Многие раковые клетки считаются бессмертными, поскольку активность генов теломеразы в них позволяет им делиться практически бесконечно, что и является причиной образования опухолей.
Хороший пример бессмертия раковых клеток — это клетки HeLa, изначально полученные из опухоли шейки матки Генриетты Лекс (Henrietta Lacks, отсюда название культуры HeLa) в 1951 г. Эта культура по сей день используется в лабораторных исследованиях. Клетки Hela в самом деле бессмертны: по оценкам ежедневно производится несколько тонн этих клеток, причем все они являются потомками нескольких клеток, извлеченных из опухоли Г. Лекс.
Несмотря на то, что описанный метод моделирования рака в культуре клеток эффективен и используется уже много лет, он весьма неточен. Какое именно воздействие в рамках этого метода вызывает рождение клеток, образующих опухоли, изначально было неясно. Однако впоследствии удалось ответить на этот вопрос. В модельных клетках вызывались различные мутации, которые встречаются в разных видах человеческих раковых клеток. Это позволило выявить несколько сочетаний мутаций, которые являются достаточными для образования опухолевых клеток из различных их видов.
Собственно сочетания мутаций различается в зависимости от вида клеток. Однако большинство из них содержат следующие изменения:
Эти изменения приводят к отключению механизма гибели клетки в результате разрушения хромосом или апоптоза. Кроме того клетка начинает непрерывно делиться.
Эта модель рака, созданная в клеточной культуре, проливает свет на роль теломеразы в формирование опухолей у человека. Активация теломеразы наблюдается в 90 % всех опухолей. Это позволяет заключить, что предоставляемое ею бессмертие является ключевым фактором в развитии рака.
Опухоли, в клетках которых TERT не активировался, в основном использовали другой механизм сохранения теломер, называемый ALT (альтернативное удлинение теломер, alternative lengthening of telomeres). Детали этого механизма неизвестны.
Как показано в работе Элизабет Блекбёрн и др., теломераза также участвует в регуляции активности 70 генов, которые участвуют либо подозреваются в участии в образовании и развитии раковых опухолей. Кроме того, она активирует гликолиз, что позволяет раковым клеткам использовать сахара для поддержания заданной скорости роста и деления (эти скорости сравнимы со скоростями роста клеток в зародыше).
Э. Блэкбёрн и еще двое исследователей получили премию Ласкера в 2006 г. за открытие теломеразы и последующие ее исследования. За те же достижения Э. Блэкбёрн также получила премию Грубера по генетике в 2006 г.
Считается, что мутации белка TERT вызывают у пациентов предрасположенность к апластической анемии — нарушению кроветворения в костном мозге[7].
Синдром кошачьего крика (CdCS) — сложное расстройство, включающее в себя утрату дистальной части короткого конца пятой хромосомы. Ген белка TERT располагается в утраченном фрагменте. Предполагается, что потеря этой копии гена является если не причиной, то одним из условий возникновения этой болезни[8].
Врожденный дискератоз (ВД) — болезнь костного мозга, которая может быть вызвана мутацией в TERC-субъединице теломеразы. Эта мутация является причиной болезни лишь в 5 % случаев, однако в этих случаях болезнь наследуется как доминантное аутосомное расстройство. Мутации в гене дискерина (DKC1) обуславливают примерно 35 % всех случаев ВД; эти мутации — рецессивные Х-связанные.
Пациенты с ВД страдают от серьезного нарушения функционирования костного мозга, которое проявляется в аномальной пигментации кожи, лейкоплакии (белые бляшки на слизистой ротовой полости), дистрофии ногтей, а также другими симптомами. У носителей мутаций TERC или DKC1 также выявлены более короткие теломеры, а также некорректная активность теломеразы in vitro, по сравнению с особями того же возраста, свободными от мутаций.[9]
Обнаружена целая семья[10], у членов которой аутосомальный доминантный ВД проявился одновременно с гетерозиготной мутацией TERT. У этих людей скорость сокращения теломер была выше нормальной. Кроме того, фенотип ВД ухудшался с каждым поколением.
С раковыми опухолями очень тяжело бороться, так как иммунная система организма их не опознает как чужеродные. Кроме того, раковые клетки бессмертны и будут продолжать делиться при любых условиях. Поскольку в большинстве видов опухолей бессмертие клеток достигается за счет присутствия в них теломеразы, именно она могла бы быть целью для препаратов против рака. Если какой-либо препарат сможет отключить теломеразу в раковых клетках, процесс сокращения теломер возобновится, по мере деления клеток теломеры разрушатся, возникнут мутации и клетки погибнут.
Экспериментальные препараты, воздействующие на активную теломеразу, тестируются на мышах, и некоторые уже перешли к клиническим испытаниям. Geron Corporation в настоящее время испытывает на людях препараты, использующих ингибирование теломеразы двумя различными способами. Один — это вакцина (GRNVAC1), а другой — липидный препарат (GRN163L). В действительности во многих типах раковых клеток, выращенных в культуре, подавление теломеразы ведет к быстрой гибели популяции клеток. Между тем существуют определенные препятствия к развитию такого рода лекарств, например, существование альтернативного механизма удлинения теломер[11]. Есть свидетельства, что альтернативные методы поддержания длины теломер и хранения ДНК применены в стволовых раковых клетках. Geron Corp., однако, заявляет, что им удалось уничтожить и стволовые раковые клетки при помощи их ингибитора теломеразы GRN163L. Этот ингибитор присоединяется непосредственно к РНК-шаблону теломеразы. Даже единичная мутация шаблона могла бы полностью лишить теломеразу ее способности удлинять теломеры и таким образом лишить клетку возможности бесконечно делиться. В этом случае не может начаться гликолиз, а также не может начаться экспрессия 70 раковых генов Блэкбёрн (Blackburn et al).
Поскольку Блэкбёрн показала, что большинство негативных эффектов теломеразы исчезают при повреждении РНК-шаблона, этот шаблон является довольно эффективной мишенью. Однако если даже некоторые из раковых клеток используют альтернативный метод удлинения теломер, они не погибнут, если РНК-шаблон теломеразы будет заблокирован. По мнению Блэкбёрн, неправильно считать, что только теломераза отвечает за удлинение теломер. Предотвращение в раковых клетках гликолиза, а также предотвращение экспрессии 70 «плохих» генов, вероятно, может убить раковые клетки, не использующие теломеразу.
10. Guenther Witzany (2007). Telomeres in Evolution and Development from Biosemiotic Perspective. Nature Precedings: doi:10.1038/npre.2007.932.1
wreferat.baza-referat.ru
Теломеры.
Теломерами называют особые концевые районы линейной хромосомной ДНК,
состоящие из многократно повторяющихся коротких нуклеотидных
последовательностей. В состав теломер входят также многие белки, специфически
связывающиеся с теломерными ДНК-повторами. Таким образом, теломеры (так же,
как и все другие районы хромосомы эукариот) построены из
дезоксинуклеопротеидов, то есть комплексов ДНК с белками.
Существование специальных структур на концах хромосом было окончательно
доказано 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. Г. Мёллер предложил
называть их теломерами (от греч. телос — конец и мерос — часть).
В последующие годы выяснилось, что теломеры не только предотвращают
деградацию и слияние хромосом (и тем самым поддерживают целостность генома
хозяйской клетки), но и, по-видимому, ответственны за прикрепление хромосом к
специальной внутриядерной структуре (своеобразному скелету клеточного ядра),
называемой ядерным матриксом (рис. 1,2). Таким образом, теломеры играют
важную роль в создании специфической архитектуры и внутренней упорядоченности
клеточного ядра. Более того, наличие на концах хромосом специальной
теломерной ДНК позволяет решить так называемую проблему концевой
недорепликации ДНК.
Теломерная ДНК (рис. 3,4) попала в поле зрения молекулярных биологов
сравнительно недавно, когда были разработаны эффективные методы определения
последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Первыми объектами
исследования были одноклеточные простейшие (ресничная инфузория тетрахимена,
в частности), поскольку из-за особенностей строения ядерного и хромосомного
аппарата они содержат несколько десятков тысяч очень мелких хромосом и,
следовательно, множество теломер в одной клетке (для сравнения: у высших
эукариот на клетку приходится менее ста теломер).
Многократно повторяющиеся блоки в теломерной ДНК простейших состоят всего
лишь из шести—восьми нуклеотидных остатков. При этом одна цепь ДНК сильно
обогащена остатками гуаниловой кислоты (G-богатая цепь; у тетрахимены она
построена из блоков TTGGGG (2 тимин- 4 гуанин)), а комплементарная ей цепь
ДНК соответственно обогащена остатками цитидиловой кислоты (С-богатая цепь).
У дрожжей повторяющиеся блоки в теломерной ДНК заметно длиннее, чем у
простейших, и зачастую не столь регулярные. Каково же было удивление ученых,
когда оказалось, что теломерная ДНК человека построена из TTAGGG-блоков (2
тимин-аденин-3 гуанин), то есть отличается от простейших всего лишь одной
буквой в повторе. Более того, из TTAGGG-блоков построены теломерные ДНК
(вернее, их G-богатые цепи) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и
рыб. Столь же универсален теломерный ДНК-повтор у растений: не только у всех
наземных растений, но даже у их весьма отдаленных родственников —морских
водорослей он представлен последовательностью TTTAGGG (3 тимин-аденин-3
гуанин). Впрочем, удивляться здесь особенно нечему, так как в теломерной ДНК
не закодировано никаких белков (она не содержит генов), а у всех организмов
теломеры выполняют универсальные функции, речь о которых шла выше. Правда, из
этого общего правила есть редкие исключения. Наиболее известное из них —
теломерная ДНК плодовой мухи дрозофилы. Она представлена не короткими
повторами, а ретротранспозонами — подвижными генетическими элементами.
Очень важная характеристика теломерных ДНК — их длина. У человека она
колеблется от 2 до 20 тыс. пар оснований (т.п.о.), а у некоторых видов мышей
может достигать сотен т.п.о.
Известно, что около теломер есть специальные белки, обеспечивающие их работу
и участвующие в построении теломер. Доказано, что для нормального
функционирования каждая линейная ДНК должна иметь две теломеры: по одной
теломере на каждый конец.
Концевая недорепликация ДНК.
Известно, что 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 (рис. 5). Кроме
того, 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.
Этим-то и объясняется «лимит Хейфлика», так как после того, как длина теломерной
ДНК становится угрожающе низкой, наступает период кризиса — неспособности
клетки к дальнейшему делению, а затем и её смерть. Хотя в культурах клеток
in vitro клетки и погибают от укорочения теломер, но для клеток in vivo
нормального организма это практически невозможно. Так, согласно недавним
наблюдениям Озавы (см. Ozawa, T., Biosci. Rep. (1997) in press) 89%
митохондриальной ДНК в митохондриях сердца 97-летнего старика содержали
обширные делеции, критичные для репликации и транскрипции. Тем не менее, этот
человек умер не от сердечной недостаточности, а от рака желудка. Нетрудно
представить себе, что дальнейшее нарастание дисфункции митохондриальной ДНК всё
же привело бы старика в недалёком будущем к смерти и это вряд ли имело
отношение к укорочению ядерной 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.
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 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.
Как работает теломераза.
Итак, основное назначение теломеразы — синтезировать повторяющиеся сегменты
ДНК, из которых состоит G-цепь теломерной ДНК. Таким образом, она относится к
классу ДНК-полимераз, причем оказалось, что теломераза — это РНК-зависимая
ДНК-полимераза или обратная транскриптаза. Ферменты этого класса,
синтезирующие ДНК на РНК-матрицах, очень хорошо известны молекулярным
биологам. Они закодированы и содержатся в ретровирусах (например, в вирусе
иммунодефицита человека, вызывающем заболевание СПИДом) и служат для синтеза
ДНК-копий их геномов, который в ретровирусе представлен РНК. В клеточном
геноме обратные транскриптазы закодированы в ретротранспозонах.
РНК, используемая теломеразой для синтеза теломерной ДНК в качестве матрицы,
входит в состав этого фермента. В этом уникальность теломеразы: на сегодня
это единственная известная РНК-содержащая обратная транскриптаза.
Теломеразные РНК у разных организмов сильно различаются по длине и структуре.
Теломеразы простейших содержат РНК длиной в 150—200 нуклеотидных остатков
(н.о.), длина теломеразной РНК человека — 450 н.о., в то время как теломераза
дрожжей содержит аномально длинную РНК (около 1300 н. о.).
Матричный участок представлен в теломеразной РНК только один раз. Его длина не
превышает длину двух повторов в теломерной ДНК, которые он кодирует и
которым он комплементарен.
Так как теломераза синтезирует сегменты ДНК, повторяющиеся много раз,
используя только один сегмент своей РНК, она должна обладать способностью
периодически (после завершения синтеза каждого повтора) перемещать
(транслоцировать) матричный участок в район 3'-конца синтезируемой теломерной
ДНК. Источником энергии для такого перемещения, по-видимому, служит сама
реакция синтеза цепи теломерной ДНК, поскольку дезоксинуклеозидтрифосфаты —
субстраты этой реакции — высокоэнергетические вещества.
На рис. 6 изображена общепринятая схема механизма синтеза теломерных
повторов, катализируемого теломеразой. 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. 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. 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.
Это схематичное представление является весьма условным, так как для
построения теломер требуется еще много субъединиц, например, отвечающих за
нахождение 3’-конца ДНК, или субъединицы, отвечающие за транслокацию, и т.д.
yaneuch.ru
Карагандинский Государственный Медицинский Университет.
Кафедра: Молекулярной биологии
и Генетики
СРС
на тему: «Теломеры. Теломеразная активность.»
Подготовил: Баяшов Е.Н.
гр. 148 ОМФ.
Проверила:
Караганда 2011г.
Содержание
Введение
теломеры
Строение теломер
Структура теломер. Зелёным цветом показан ион металла, хелатированный в центре структуры
Функции
Гипотеза А.М. Оловникова
"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.
Теломераза
Гипотеза А.М. Оловникова нашла убедительное подтверждение в последующие годы.
Теломеразы являются рибонуклеиновыми ферментами. РНК-компонент теломераз содержит короткий район, комплементарный одному повтору G-богатой цепи теломерной ДНК.
Механизм действия теломеразы
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
Теломеразная активность соматических клеток
Теломеразная активность раковых клеток
Рак без теломераз?
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,
student.zoomru.ru
АО «МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АСТАНА»
Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики
Теломеры.
Теломеразная активность.
Выполнила: Нурлан Л. 135-ОМ
Проверила: Мироедова Э. П.
Астана 2015
План
Введение
Теломераза - рибонуклеопротеин, который удлиняет концы хромосом (теломеры), укорачивающиеся при репликации ДНК. Активность теломеразы рассматривается как потенциальный маркер физиологического резерва организма: длительность активного функционирования клетки, пролиферативного потенциала, а длину теломер – «клеточными часами», ограничивающими число возможных делений клетки. Физические нагрузки приводят к увеличению активности теломеразы и количества теломеразной обратной транскриптазы и белка TRF (Terminal Restriction Fragment) в миокарде, лейкоцитах и эндотелиальных клетках и к предотвращению укорочения теломер в них. При миопатическом синдроме у спортсменов, сопровождающимся усталостью, средняя длина теломер в мышцах спортсменов меньше, чем у здоровых спортсменов, при этом у некоторых индивидов наблюдались экстремально короткие теломеры, что может объясняться повышенной частотой регенерации мышц у интенсивно тренирующихся спортсменов. Было установлено, что физические нагрузки силового характера также приводят к незначительному укорочению теломер в скелетных мышцах индивидов. Одним из открытых вопросов на сегодня остается поиск биологических маркеров эффективности тренировок. Можно предположить, что изменения теломеразной активности как маркер пролиферативного потенциала может отражать эффективность тренировок. До настоящего времени проверялись, в основном, изменения теломеразной активности при долговременных тренировках. Другой очень важной проблемой является оценка предела, до которого можно увеличивать интенсивность нагрузок, в частности, чтобы не возникало синдрома перетренированности. С целью поиска таких показателей предлагается оценка средней длины теломер в скелетных мышцах, поскольку именно теломеры определяют резерв числа делений клеток. Таким образом, разработка методических рекомендаций по определению физиологического резерва спортсмена на основе изучения теломеразной активности и длины теломер клеток является актуальной проблемой спортивной медицины.
ТЕЛОМЕРЫ
Во многих современных учебниках теломерами называют специализованные концевые районы линейной хромосомной ДНК, состоящие из многократно повторяющихся коротких нуклеотидных последовательностей. Это определение неполное. В состав теломер входят также многие белки, специфически связывающиеся с теломерными ДНК-повторами. Таким образом, теломеры (так же, как и все другие районы хромосомы эукариот) построены из дезоксинуклеопротеидов (ДНП), то есть комплексов ДНК с белками.
Существование специальных структур на концах хромосом было постулировано в 1938 году классиками генетики, лауреатами Нобелевской премии Барбарой Мак-Клинток и Германом Мюллером. 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. Г. Мюллер предложил называть их теломерами (от греч. телос - конец и мерос - часть).
В последующие годы выяснилось, что теломеры не только предотвращают деградацию и слияние хромосом (и тем самым поддерживают целостность генома хозяйской клетки), но и, по-видимому, ответственны за прикрепление хромосом к специальной внутриядерной структуре (своеобразному скелету клеточного ядра), называемой ядерным матриксом. Таким образом, теломеры играют важную роль в создании специфической архитектуры и внутренней упорядоченности клеточного ядра. Более того, мы покажем, что наличие на концах хромосом специальной теломерной ДНК позволяет решить так называемую проблему концевой недорепликации ДНК.
Теломерная ДНК попала в поле зрения молекулярных биологов сравнительно недавно, когда были разработаны эффективные методы определения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Первыми объектами исследования были одноклеточные простейшие (ресничная инфузория тетрахимена, в частности), поскольку из-за особенностей строения ядерного и хромосомного аппарата они содержат несколько десятков тысяч очень мелких хромосом и, следовательно, множество теломер в одной клетке (для сравнения: у высших эукариот на клетку приходится менее ста теломер).
Многократно повторяющиеся блоки в теломерной ДНК простейших состоят всего лишь из шести-восьми нуклеотидных остатков. При этом одна цепь ДНК сильно обогащена остатками гуаниловой кислоты (G-богатая цепь; у тетрахимены она построена из блоков TTGGGG), а комплементарная ей цепь ДНК соответственно обогащена остатками цитидиловой кислоты (С-богатая цепь).
У дрожжей повторяющиеся блоки в теломерной ДНК заметно длиннее, чем у простейших, и зачастую не столь регулярные. Каково же было удивление ученых, когда оказалось, что теломерная ДНК человека построена из TTAGGG-блоков, то есть отличается от простейших всего лишь одной буквой в повторе. Более того, из TTAGGG-блоков построены теломерные ДНК (вернее, их G-богатые цепи) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб. Столь же универсален теломерный ДНК-повтор у растений: не только у всех наземных растений, но даже у их весьма отдаленных родственников - морских водорослей он представлен последовательностью TTTAGGG. Впрочем, удивляться здесь особенно нечему, так как в теломерной ДНК не закодировано никаких белков (она не содержит генов), а у всех организмов теломеры выполняют универсальные функции, речь о которых шла выше. Правда, как это часто бывает в живой природе, из этого общего правила есть редкие, но важные исключения. Наиболее известное из них - теломерная ДНК плодовой мухи дрозофилы. Она представлена не короткими повторами, а ретротранспозонами - подвижными генетическими элементами (подробнее о подвижных генетических элементах и роли ретротранспозонов в образовании теломер см. в статьях В.М. Глазера "Гомологичная генетическая рекомбинация" и "Генетическая рекомбинация без гомологии: процессы, ведущие к перестройкам в геноме" и В.А. Гвоздева "Подвижная ДНК эукариот. Ч. 1-2" в "Соросовском Образовательном Журнале" (1998. ╧ 7, 8).
Очень важная характеристика теломерных ДНК - их длина. У человека она колеблется от 2 до 20 тыс. пар оснований (т.п.о.), а у некоторых видов мышей может достигать сотен т.п.о.
Было замечено, что у многих видов двуспиральная теломерная ДНК на самом конце содержит однотяжевой "хвост". Этот однотяжевой район теломерной ДНК представлен ее G-богатой цепью и заканчивается свободной 3'-гидроксильной группой. Соответственно белки теломер принято подразделять на две группы: белки, которые связаны с однотяжевой теломерной ДНК, и белки, связанные с двутяжевой ДНК теломеры. Эти белки изучаются весьма интенсивно, но знаем мы о них еще мало. Нет сомнений в том, что теломерные белки участвуют во всех функциях теломер, поддерживая их структуру и регулируя длину теломерной ДНК (как мы увидим ниже, длина теломер - чрезвычайно важный параметр). Установлено, что некоторые из белков, ассоциированных с двуспиральной теломерной ДНК, регулируют активность определенных генов, повышая или подавляя их экспрессию. В качестве примера можно привести дрожжевой белок Rap1p. Этот ДНК-связывающий белок, несомненно, принимает участие в регуляции длины теломерной ДНК. В то же время, даже будучи в составе теломеры, он участвует в активации и репрессии транскрипции. Это означает, что изменения или нарушения в структуре теломер могут затрагивать не только их собственные функции, но и экспрессию жизненно важных генов, находящихся в других районах хромосом. Кроме того, важные для поддержания общей структуры хромосом белки располагаются на ДНК, непосредственно примыкающей к теломерной (иногда ее называют субтеломерной ДНК).
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 четырех, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуаниновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелотированием в центре нее иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом.
Одна из основных функций теломер - это защита генетической информации хромосом при делении клеток. Критически короткие теломеры неспособны защитить хромосомы от повреждения при митозе (деление клетки). Их появление является сигналом для выхода клеток из митотического цикла. Критическим укорочением теломеры считается величина 3000-5000 пар нуклеотидов или менее 2 кb. Если этой величины достигает хотя бы одна теломера, то в клетке происходит резкое изменение метаболизма, и в первую очередь нарушение репликации ДНК, которые запускают механизмы клеточного сенесенса (репликативное старение) и апоптоза (гибель, разрушение клетки). Исключением из этого правила являются так называемые «иммортальные» (бессмертные) клетки, к которым относятся половые клетки, стволовые тотипотентные (способные дифференцироваться в любые клетки организма) клетки, а также клетки злокачественных опухолей, способные делиться неограниченное число раз.
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 к ядерным за прикрепление хромосом матриксом. Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации. У большинства эукариот теломеры состоят из простых, коротких повторов, которые восстанавливаются ферментом теломеразой. Теломерные функции регулируются как механизмами на основе нуклеотидных последовательностей, так и эпигенетическими механизмами.
Гипотеза Оловникова А. М.
Оловников А. М. в 1971 году выдвинул гипотезу маргинотомии для объяснения феномена лимита Хейфлика. Согласно этой гипотезе лимит Хейфлика объясняется тем, что у эукариот при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки — теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться и со временем постепенно теряет жизнеспособность.
А. М. Оловников предполагал, что «нестарение» бактерий обусловлено кольцевой формой ДНК, а теломерные последовательности в стволовых и раковых клетках защищены благодаря постоянному их удлинению при каждом делении клетки ферментом теломеразой.
Значительная часть теоретических разработок А. М. Оловникова посвящены феноменам старения и онтогенеза. Он пытался объяснить в свете своей гипотезы феномены старения, канцерогенеза и иммунных реакций.
В 1998 году вывод о теломерном механизме ограничения числа делений клетки был экспериментально подтверждён. Лимит Хейфлика преодолён активацией теломеразы.
Стремительный прогресс познания в областях клеточной и молекулярной биологии опять, как будто расставил все точки над «i». В 90 годах ХХ века и первом десятилетии ХХI веков стало ясно, что организм любого вида Metazoa состоит из двух клеточных пулов: стволовых клеток, которые не имеют внутренней причины старения и остальных специализированных клеток сомы с ограниченным регенерационным потенциалом и подверженных клеточному старению как от действия теломерно-теломеразного механизма, так и от стохастических причин. Такие постаревшие и переставшие делиться клетки элиминируются из организма апоптозом. Пул стволовых клеток пополняется путем симметричного митоза стволовых клеток, а пул соматических клеток пополняется асимметричным митозом тех же стволовых клеток. Стало ясно и то, что многоклеточному организму необходимо избавляться от поврежденных клеток, способных в случае их выживания давать клон клеток с нарушенными свойствами и функциями, что может грозить непредсказуемыми последствиями (например, образованием злокачественной опухоли). Поэтому, уничтожение апоптозом клеток, достигших лимита Хейфлика только частный случай сохранения морфологического и функционального гомеостаза организма. Другими словами, генетический контроль продолжительности жизни клетки, основанный на контроле за числом её митозов — это только один из механизмов, позволяющих исключить из клеточной популяции долгоживущие клетки, которые за время своего существования (у человека — это многие десятилетия) возможно, сумели в результате суммации молекулярных и метаболических ошибок приобрести признаки вредные для существования организма.
В рассматриваемый период наука признала существование потенциально бессмертных и демонстрирующих пренебрежимое старение. То есть, старение — не обязательный атрибут существования многоклеточных организмов, ибо многие виды прекрасно обходятся без него. Общеизвестно, что стареющие и нестареющие формы имеют одни и те клеточные механизмы, в том числе теломерно-теломеразный механизм старения клеток и апоптоз. В данном случае уместна цитата из Л. Хейфлика: «…я не верю в то, что старение и смерть людей наступает вследствие прекращения деления их клеток».
referat911.ru
КГМУ
Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики
СРС по теме: Теломеры. Теломеразная активность
Выполнил: студент группы 1-005 специальность «Стоматология» Похилец Е. Г.
Проверила:
Караганда 2014
На концах линейных хромосом эукариот находятся специализированные ДНК-белковые структуры – теломеры. У большинства организмов теломерная ДНК представлена многочисленными короткими поворотами. Их синтез осуществляется необычным РНК – содержащим ферментом теломеразой. В реферате обсуждаются функции теломера, открытие и их исследование, связь длины теломерных районов хромосом и активности теломеразы с процессами старения и злокачественного роста и то как работает теломера.
Теломеры Теломеры- это район хромосомы, локализованный на ее конце. Хромосома имееет две теломеры. Теломера содержит специальные последовательности ДНК, обеспечивающие точную репликацию хромосом. Для теломерных участков хромосом характерна значительная гетерогенность в разных клетках и тканях даже одного организма. Еще более разительными оказываются межвидовые различия в размерах теломер - от примерно 50 п.о. в клетках жгутиковых до 50 т.п.о. у одного из видов мышей. У человека теломеры содержат единственный повтор GGGTTA. Длина ДНК в теломерах хромосом человека варьирует и в клетках зародышевой линии составляет 10-15 т.п.о, а в лейкоцитах периферической крови - 5-12 т.п.о. У дрожжей длина теломер приближается к 300 п.о., и они составлены неидентичными повторами C1-3A/TG1-3. Наличие у животных тканеспецифичности в распределении теломер по размерам, а также изменение размеров этих последовательностей в онтогенезе предполагают существование механизмов, регулирующих данный процесс. Для активной пролиферации клеток теломерные последовательности не должны становиться короче определенного порогового размера. Исследования обнаружили резкое повышение активности теломераз, характерное для опухолевых клеток, что служит физиологическим маркером их злокачественного перерождения. Поэтому в качестве одного из подходов к терапии опухолей рассматривают подавление активности теломераз, функционирование которых, как полагают, необходимо для иммортализации клеток и роста опухолей. Функции теломера 1. Некоторые функции можно условно обозначить как механические. а) Теломеры участвуют в фиксации хромосом к ядерному матриксу. Это важно для правильной ориентации хромосом в ядре, и данное обстоятельство особенно проявляется в мейозе. На зиготенной стадии профазы мейоза происходят направленные перемещения концов хромосом на поверхности ядерной мембраны — так, что концы гомологичных хромосом смыкаются и с них начинается спаривание (конъюгация) этих хромосом строго однородными участками. б) Кроме того, теломеры сцепляют друг с другом концы сестринских хроматид (образующихся в хромосоме после S-фазы). Возможно, это сцепление происходит за счет гибридизации теломер сестринских ДНК. В то же время структура теломер такова, что допускает расхождение хроматид в анафазе. Однако возможна мутация (на уровне гена теломеразной РНК; см ниже), которая меняет ну-клеотидную последовательность теломер; тогда расхождение хроматид блокируется. 2. Функции второй группы — стабилизационные. а) Важнейшая из них нам уже знакома: если в клетке нет теломеразы (или ALT), то наличие теломер предохраняет от недорепликации генетически значимые отделы ДНК. б) Если же в клетке есть теломеразная активность, то появляется еще одна возможность — стабилизация концов разорванных хромосом. Так, при случайном разрыве хромосомы образуются фрагменты, на одном или на обоих концах которых нет теломерных повторов. В отсутствие теломеразы эти фрагменты претерпевают слияния и деградацию, что блокирует клеточный цикл и ведет клетку к гибели. В присутствии же теломеразы к местам разрыва присоединяется теломерная ДНК. Это стабилизирует хромосомные фрагменты и позволяет им функционировать. В частности, данный феномен обнаружен у больных а-та-лассемией: в генах а-глобина происходят разрывы хромосомы 16q, и к поврежденному концу добавляются теломерные повторы. 3. Влияние на экспрессию генов. Еще одно интереснейшее свойство теломер обозначается как фф т положения: активность генов, расположенных рядом с теломерами, снижена (репрессирована). Такой эффект часто обозначается как транскрипционное молчание, или сайленсинг. При значительном же укорочении теломер эффект положения пропадает и прителомерные гены активируются. а) Сайленсинг может быть результатом действия белков (таких, как Rapl или TFR1), взаимодействующих с теломерами. Тем более, как уже отмечалось, эти белки снижают доступность теломерной ДНК для целого ряда ферментов. б) С другой стороны, эффект положения может быть обусловлен близостью к ядерной оболочке. Так, по гипотезе А. М. Оловникова, в этой оболочке могут располагаться Са2'-каналы, и поток ионов Са" влияет на взаимодействие белков с близлежащими генами. Эффект положения может коснуться и внутренних генов, если какой-нибудь из таких генов становится транспозоном (геном, способным к перемещению в другой участок ДНК) и встраивается в теломерную область. Или если происходит разрыв хромосомы и образование на концах разрыва теломерных повторов: с помощью последних становится, возможно, связывание теломерных белков и прикрепление к ядерной мембране. 4. «Счетная» функция. Наконец, теломерные отделы ДНК выступают в качестве часового устройства (т. н. репликометра), которое отсчитывает количество делений клетки после исчезновения теломеразной активности. Действительно, как уже отмечалось, каждое деление приводит к укорочению теломеры на 50-65 н. п. Причем гораздо важней для клетки не то, сколько делений уже прошло, а сколько еще осталось до критического укорочения теломеры. Поэтому можно сказать и так, что теломеры — устройство, определяющее количество делений, которые способна совершить нормальная клетка в отсутствие теломеразы. Достигая же критически короткой длины, теломеры теряют возможность выполнять все или многие из вышеперечисленных функций. Нарушается клеточный цикл, и в конечном счете клетка погибает. Теломераза Теломераза это фермент, добавляющий последовательности нуклеотидов к 3'-концу цепи ДНК на участках теломер, которые находятся на концах хромосом. Теломеры содержащие уплотненную ДНК стабилизируют хромосомы. При делении клетки теломерные участки укорачиваются. Существование теломеразы, было предсказано в 1972 году А.М. Оловниковым. Теломераза является обратной транскриптазой, с ней связана особая молекула РНК, использующаяся в качестве матрицы для обратной транскрипции в процессе удлинения теломер. Теломераза удлиняя теломерные участки компенсирует концевую недорепликацию позволяя клетке делиться неограниченное число раз. РНК входящая в состав теломеразы присутствует практически во всех клетках а для её активации необходим белковый компонент называемый каталическим компонентом теломеразы. Клетки обычных тканей лишены теломеразной активности, теломераза экспрессируется в половых, стволовых и некоторых других клетках которые должны постоянно делиться. Активация теломеразы в обычных тканях вызывает их перерождение в раковые клетки. Молекула теломеразы состоит из дискерина, теломеразной РНК, теломеразной обратной транскриптазы. Обратная транскриптаза добавляет последовательность из шести нуклеотидов 5'-ТТАГГГ к 3'-нити хромосом. Эти последовательности ТТАГГГ вместе со своими парными белками, и называются теломерами. Шаблонный участок теломеразной РНК содержит последовательность нуклеотидов 3'-ЦААУЦЦЦААУЦ-5'. Теломераза связывает первые нуклеотиды шаблона с последней теломерной последовательностью на хромосоме, и добавляет новый участок (5'-ГГТТАГ-3'), отделяется, связывает новый 3'-конец теломеры с шаблоном и повторяет весь процесс заново.
Теломеразная активность Теломеразная активность — активность теломеразы, фермента, который с помощью особого механизма синтезирует теломерную ДНК, и тем самым влияет на рост клеток. Высокая активность теломеразы свойственна половым и стволовым клеткам. Как только стволовые клетки начинают дифференцироваться, теломеразная активность падает, а их теломеры начинают укорачиваться. Теломеры (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 выполняют защитную функцию. Термин «теломера» предложил Г.Мёллер в 1932 г[1]. 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. Ученые из университета Кардиффа (Cardiff University) установили, что критическая длина человеческой теломеры, при которой хромосомы начинают соединяться друг с другом, составляет 12,8 теломерных повторов[2]. 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, обусловленном прежде всего дерепрессирующимися с возрастом мобильными элементами генома, что и предопределяет старение как биологический феномен[3]. Открытие и исследование теломер За открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы в 2009 году присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине австралийке, работающей в США, Элизабет Блекберн (Elizabeth Blackburn), американке Кэрол Грейдер (Carol Greider) и ее соотечественнику Джеку Шостак (Jack Szostack). Во многих современных учебниках теломерами называют специализованные концевые районы линейной хромосомной ДНК, состоящие из многократно повторяющихся коротких нуклеотидных последовательностей. Это определение неполное. В состав теломер входят также многие белки, специфически связывающиеся с теломерными ДНК-повторами. Таким образом, теломеры (так же, как и все другие районы хромосомы эукариот) построены из дезоксинуклеопротеидов (ДНП), то есть комплексов ДНК с белками. 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. Г. Мёллер предложил называть их теломерами (от греч. телос - конец и мерос - часть). В последующие годы выяснилось, что теломеры не только предотвращают деградацию и слияние хромосом (и тем самым поддерживают целостность генома хозяйской клетки), но и, по-видимому, ответственны за прикрепление хромосом к специальной внутриядерной структуре (своеобразному скелету клеточного ядра), называемой ядерным матриксом. Теломерная ДНК попала в поле зрения молекулярных биологов сравнительно недавно, когда были разработаны эффективные методы определения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Первыми объектами исследования были одноклеточные простейшие (ресничная инфузория тетрахимена, в частности), поскольку из-за особенностей строения ядерного и хромосомного аппарата они содержат несколько десятков тысяч очень мелких хромосом и, следовательно, множество теломер в одной клетке (для сравнения: у высших эукариот на клетку приходится менее ста теломер). Многократно повторяющиеся блоки в теломерной ДНК простейших состоят всего лишь из шести-восьми нуклеотидных остатков. При этом одна цепь ДНК сильно обогащена остатками гуаниловой кислоты (G-богатая цепь; у тетрахимены она построена из блоков TTGGGG), а комплементарная ей цепь ДНК соответственно обогащена остатками цитидиловой кислоты (С-богатая цепь). У дрожжей повторяющиеся блоки в теломерной ДНК заметно длиннее, чем у простейших, и зачастую не столь регулярные. Каково же было удивление ученых, когда оказалось, что теломерная ДНК человека построена из TTAGGG-блоков, то есть отличается от простейших всего лишь одной буквой в повторе. Более того, из TTAGGG-блоков построены теломерные ДНК (вернее, их G-богатые цепи) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб. Столь же универсален теломерный ДНК-повтор у растений: не только у всех наземных растений, но даже у их весьма отдаленных родственников - морских водорослей он представлен последовательностью TTTAGGG. Впрочем, удивляться здесь особенно нечему, так как в теломерной ДНК не закодировано никаких белков (она не содержит генов), а у всех организмов теломеры выполняют универсальные функции, речь о которых шла выше. Правда, как это часто бывает в живой природе, из этого общего правила есть редкие, но важные исключения. Наиболее известное из них - теломерная ДНК плодовой мухи дрозофилы. Она представлена не короткими повторами, а ретротранспозонами - подвижными генетическими элементами.
yaneuch.ru
