WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
TELOMERES ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗА AND TELOMERASE..

A. A. BOGDANOV ‚ „‰‡‚ ‚... ‚‡ Telomeres are DNA-protein structures that cap Читатели “Соросовского Образовательного Журthe end of eukaryotic нала”, конечно, согласятся с утверждением, что одchromosomes. Telomeric ним из важнейших достижений экспериментальной биологии нашего века стало создание методов кульDNA typically consists тивирования клеток животных и растений in vitro. С of numerous tandemly помощью этого метода клетки самых разнообразных repeated sequences which тканей человека можно выращивать на специально подобранных питательных средах, подобно бактериare synthesized by ям или другим одноклеточным организмам. Множеunusual RNA-contaning ство клеточных культур человека изначально полуenzyme, telomerase. The чено из клеток раковых опухолей. Эти клетки могут делиться в культуре неограниченное число раз (поconsequences of alterэтому их называют бессмертными, или имморталиations in the telomere зованными). Биологи долгое время пребывали в увеlength and the telomerase ренности, что в оптимальных условиях бесконечно долго могут делиться и нормальные клетки человека activity for cell aging and и животных (как в культуре, так и в организме).

tumour growth are disОднако в начале 1960-х годов Леонард Хейфлик cussed in this paper.

установил, что в клеточных культурах нормальные диплоидные (соматические) клетки человека способны делиться лишь ограниченное число раз. При ‡ ‡ этом предельное число делений (называемое также ‡ ‡‰fl“лимитом Хейфлика”) сильно зависит от возраста индивидуума, которому эти клетки изначально приfl ‡‚‡ надлежали. Так, клетки, которые брали у новорож-·‚ денных, делились в культуре 80–90 раз, а у 70-летне –. ·го человека – только 20–30 раз. Достигнув “лимита Хейфлика”, клетки переходят в состояние одряхл傇 „‡‚ ния (которое в англоязычной, а теперь зачастую и в ‡fl ‰‡‚русской литературе называется сенесенсом, senes‡ „ cence), которое характеризуется резким изменением метаболизма, и в первую очередь нарушением ‚‡.

репликации ДНК. Вслед за этим состоянием обыч ‚flно следует гибель клеток.

fl · -В январе 1998 года средства массовой информации во всем мире буквально взорвались сообщен艇 ями о том, что группе американских ученых удалось ‡. ‡ заставить нормальные клетки человека преодолеть ·‰‡fl ‚fl ‰“лимит Хейфлика” почти вдвое. Вместо того чтобы состариться и умереть, клетки продолжали делиться ‡‚ и выглядели юными. При этом превращения их в ‡‚ раковые клетки (то есть злокачественной трансфор‡ ‡мации) не происходило: по всем признакам клетки, потерявшие способность стариться, были нормаль ‡fl ‡ными. В газетах немедленно появились статьи с за‚„ ‡.

головками вроде “Генетики уткнулись в бессмертие”, “Лекарства от старения будут доступны, как аспирин”, “Таблетки от старости становятся реальностью” и т.п.

Что же произошло на самом деле Ученые из лабораторий Джерри Шейя, Вудринга Райта, работающие, ‹12, © „‰‡‚.., под патронажем фирмы “Джерон корпорейшн” а б (“Geron Corporation”), с помощью изящных генетических манипуляций заставили в нормальных клетках человека работать фермент теломеразу, активность которой до этого была нулевой. Теломераза участвует в образовании теломер-специальных структур, расположенных на концах линейных хромосом эукариот. Таким образом, обновление теломер и стало причиной спасения клеток от одряхления.

Мы еще вернемся к этой замечательной работе.

А вначале более подробно расскажем о том, что такое теломеры и теломераза.

3 мкм 5 мкм Во многих современных учебниках теломерами Рис. 1. Локализация теломер в клеточном ядре и называют специализованные концевые районы лина митотических хромосомах человека. Изобранейной хромосомной ДНК, состоящие из многожения получены с помощью флуоресцентной микроскопии. Флуоресцентную метку желто-зеленократно повторяющихся коротких нуклеотидных го цвета несут специфические белки теломер;

последовательностей. Это определение неполное. В ДНК в хромосомах окрашена в красный цвет: а – состав теломер входят также многие белки, специинтерфазное ядро, из которого обработкой нукфически связывающиеся с теломерными ДНК-полеазами удалена основная часть ДНК. Светящиевторами. Таким образом, теломеры (так же, как и ся точки теломерных белков расположены там, где находится ядерный матрикс; б – митотические все другие районы хромосомы эукариот) построены хромосомы. Хорошо видно расположение телоиз дезоксинуклеопротеидов (ДНП), то есть коммер на их концах плексов ДНК с белками.

Существование специальных структур на конпоследовательности нуклеотидов в нуклеиновых цах хромосом было постулировано в 1938 году класкислотах. Первыми объектами исследования были сиками генетики, лауреатами Нобелевской премии одноклеточные простейшие (ресничная инфузория Барбарой Мак-Клинток и Германом Мёллером. Нететрахимена, в частности), поскольку из-за особензависимо друг от друга они обнаружили, что фрагностей строения ядерного и хромосомного аппараментация хромосом (под действием рентгеновского та они содержат несколько десятков тысяч очень облучения) и появление у них дополнительных мелких хромосом и, следовательно, множество теконцов ведут к хромосомным перестройкам и деломер в одной клетке (для сравнения: у высших эуградации хромосом. В сохранности оставались лишь кариот на клетку приходится менее ста теломер).

области хромосом, прилегающие к их естественным Многократно повторяющиеся блоки в теломерконцам. Лишенные концевых теломер, хромосомы ной ДНК простейших состоят всего лишь из шесначинают сливаться с большой частотой, что ведет ти–восьми нуклеотидных остатков. При этом одна к тяжелым генетическим аномалиям. Следовательцепь ДНК сильно обогащена остатками гуаниловой но, заключили они, естественные концы линейных кислоты (G-богатая цепь; у тетрахимены она постхромосом защищены специальными структурами.



роена из блоков TTGGGG), а комплементарная ей Г. Мёллер предложил называть их теломерами (от цепь ДНК соответственно обогащена остатками греч. телос – конец и мерос – часть).

цитидиловой кислоты (С-богатая цепь).

В последующие годы выяснилось, что теломеры не только предотвращают деградацию и слияние У дрожжей повторяющиеся блоки в теломерной хромосом (и тем самым поддерживают целостность ДНК заметно длиннее, чем у простейших, и зачасгенома хозяйской клетки), но и, по-видимому, ответ- тую не столь регулярные. Каково же было удивлественны за прикрепление хромосом к специальной ние ученых, когда оказалось, что теломерная ДНК внутриядерной структуре (своеобразному скелету человека построена из TTAGGG-блоков, то есть отклеточного ядра), называемой ядерным матриксом личается от простейших всего лишь одной буквой в (рис. 1). Таким образом, теломеры играют важную повторе. Более того, из TTAGGG-блоков построероль в создании специфической архитектуры и вну- ны теломерные ДНК (вернее, их G-богатые цепи) тренней упорядоченности клеточного ядра. Более всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и того, мы покажем, что наличие на концах хромосом рыб. Столь же универсален теломерный ДНК-поспециальной теломерной ДНК позволяет решить втор у растений: не только у всех наземных растений, так называемую проблему концевой недореплика- но даже у их весьма отдаленных родственников – ции ДНК.

морских водорослей он представлен последовательТеломерная ДНК попала в поле зрения молеку- ностью TTTAGGG. Впрочем, удивляться здесь осолярных биологов сравнительно недавно, когда бы- бенно нечему, так как в теломерной ДНК не закодили разработаны эффективные методы определения ровано никаких белков (она не содержит генов), а у.. всех организмов теломеры выполняют универсаль- лении 5' 3'. В противоположном направлении ные функции, речь о которых шла выше. Правда, синтез цепи ДНК фермент катализировать не мокак это часто бывает в живой природе, из этого об- жет (рис. 2). Кроме того, ДНК-полимераза начинащего правила есть редкие, но важные исключения.

ет синтез только со специального РНК-праймера – Наиболее известное из них – теломерная ДНК пло- короткой РНК-затравки, комплементарной ДНК.

довой мухи дрозофилы. Она представлена не корот- После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры кими повторами, а ретротранспозонами – подвиж- удаляются, а пропуски в одной из дочерних цепей ными генетическими элементами (подробнее о ДНК заполняются ДНК-полимеразой. Однако на подвижных генетических элементах и роли ретро3'-конце ДНК такой пропуск заполнен быть не мотранспозонов в образовании теломер см. в статьях жет, и поэтому 3'-концевые участки ДНК остаются В.М. Глазера “Гомологичная генетическая рекомоднотяжевыми, а их 5'-концевые участки – недобинация” и “Генетическая рекомбинация без гореплицированными. Отсюда ясно, что каждый рамологии: процессы, ведущие к перестройкам в геунд репликации хромосом будет приводить к их номе” и В.А. Гвоздева “Подвижная ДНК эукариот.

укорочению. Понятно, что прежде всего должна соЧ. 1–2” в “Соросовском Образовательном Журнакращаться длина теломерной ДНК.

ле” (1998. № 7, 8).

Первым на проблему “концевой недорепликаОчень важная характеристика теломерных ДНК – ции ДНК” обратил внимание А.М. Оловников в их длина. У человека она колеблется от 2 до 20 тыс.

1971 году. Он высказал гипотезу о том, что потеря пар оснований (т.п.о.), а у некоторых видов мышей концевых последовательностей ДНК вследствие их может достигать сотен т.п.о.

недорепликации ведет к старению клетки. Иными Было замечено, что у многих видов двуспиральсловами, предполагалось, что процесс укорочения ная теломерная ДНК на самом конце содержит одтеломер и есть тот часовой механизм, который опнотяжевой “хвост”. Этот однотяжевой район телоределяет репликативный потенциал “смертной” мерной ДНК представлен ее G-богатой цепью и клетки, и когда длина теломер становится угрожаюзаканчивается свободной 3'-гидроксильной групще короткой, этот механизм предотвращает дальпой. Соответственно белки теломер принято поднейшее деление клетки. А.М. Оловников предполоразделять на две группы: белки, которые связаны с жил также, что в нестареющих клетках (а к ним однотяжевой теломерной ДНК, и белки, связанные кроме раковых относятся зародышевые, стволовые с двутяжевой ДНК теломеры. Эти белки изучаются и другие генеративные клетки) должна существовесьма интенсивно, но знаем мы о них еще мало.

вать специализированная ферментативная система, Нет сомнений в том, что теломерные белки участвуют во всех функциях теломер, поддерживая их структуру и регулируя длину теломерной ДНК (как 5' мы увидим ниже, длина теломер – чрезвычайно 3' важный параметр). Установлено, что некоторые из 5' ДНК-полибелков, ассоциированных с двуспиральной теломераза 3' мерной ДНК, регулируют активность определен5' Лидирующая цепь ных генов, повышая или подавляя их экспрессию. В Запаздывающая цепь качестве примера можно привести дрожжевой бе3' лок Rap1p. Этот ДНК-связывающий белок, несомненно, принимает участие в регуляции длины теломерной ДНК. В то же время, даже будучи в 5' составе теломеры, он участвует в активации и реп3' рессии транскрипции. Это означает, что изменения Удаление праймера или нарушения в структуре теломер могут затраги- Пропуск 5' вать не только их собственные функции, но и экс3' прессию жизненно важных генов, находящихся в Синтез G-цепи других районах хромосом. Кроме того, важные для Теломераза 5' поддержания общей структуры хромосом белки располагаются на ДНК, непосредственно примы3' кающей к теломерной (иногда ее называют субтело- ДНК-полимераза Синтез С-цепи мерной ДНК).





5',. 3' “ ” Известно, что ДНК-полимеразы, синтезируя Рис. 2. Схема, иллюстрирующая возникновение дочернюю цепь ДНК, прочитывают родительскую недореплицированного 5'-конца линейной хромоцепь в направлении от ее 3'-конца к 5'-концу. Соотсомы и синтез на этом концевом участке теломерветственно дочерняя цепь синтезируется в направ- ной ДНК с помощью теломеразы, ‹12, которая контролирует и поддерживает длину тело- мой теломерной ДНК. Источником энергии для тамерной ДНК. кого перемещения, по-видимому, служит сама реакция синтеза цепи теломерной ДНК, поскольку Гипотеза А.М. Оловникова нашла убедительное дезоксинуклеозидтрифосфаты – субстраты этой реподтверждение в последующие годы. Во-первых, акции – высокоэнергетические вещества.

было установлено, что теломеры нормальных (то есть обреченных на старение) клеток действительно На рис. 3 изображена общепринятая схема мехаукорачиваются на 50–60 нуклеотидных звеньев при низма синтеза теломерных повторов, катализируекаждом клеточном делении. Во-вторых, в 1984 году мого теломеразой. На первой стадии теломераза наЭ. Блэкберн и Э. Грайдер выделили фермент, котоходит 3'-конец теломерной ДНК, с которым часть рый с помощью механизма, отличного от механизматричного участка теломеразной РНК образует ма реакций, лежащих в основе репликации ДНК, комплементарный комплекс. При этом теломераза синтезирует теломерную ДНК. Этот фермент был использует 3'-конец хромосомной ДНК в качестве назван теломеразой.

праймера. Далее наступает очередь РНК-зависимой ДНК-полимеразной активности теломеразы. Она обеспечивается специальной субъединицей телоИтак, основное назначение теломеразы – синтемеразы, которая по устройству своего каталитичесзировать тандемно повторяющиеся сегменты ДНК, кого центра во многом сходна с обратными трансиз которых состоит G-цепь теломерной ДНК. Такриптазами ретровирусов и ретротранспозонов.

ким образом, она относится к классу ДНК-полимеКогда синтез ДНК-повтора заканчивается, происраз, причем оказалось, что теломераза – это РНКходит транслокация, то есть перемещение матрицы зависимая ДНК-полимераза или обратная транси белковых субъединиц фермента на заново синтекриптаза. Ферменты этого класса, синтезирующие зированный конец теломерной ДНК, и весь цикл ДНК на РНК-матрицах, очень хорошо известны повторяется вновь.

молекулярным биологам. Они закодированы и соЗнакомство даже с весьма схематичным описадержатся в ретровирусах (например, в вирусе иммунием механизма теломеразной реакции (см. рис. 3) нодефицита человека, вызывающем заболевание СПИДом) и служат для синтеза ДНК-копий их ге- приводит к заключению, что двумя компонентами – обратной транскриптазой и теломеразной РНК – номов, который в ретровирусе представлен РНК. В клеточном геноме обратные транскриптазы закоди- для ее осуществления обойтись нельзя. Нет сомнений в том, что в его составе должны быть субъедированы в ретротранспозонах.

ница, отвечающая за поиск и связывание 3’-конца РНК, используемая теломеразой для синтеза техромосомы (и выполняющая таким образом своеобломерной ДНК в качестве матрицы, входит в состав разную якорную функцию); субъединица, ответстэтого фермента. В этом уникальность теломеразы:

венная за транслокацию; субъединицы, связываюна сегодня это единственная известная РНК-содерщие продукт реакции (однотяжевую ДНК). В составе жащая обратная транскриптаза. Теломеразные РНК теломеразы обычно обнаруживается и белковая у разных организмов сильно различаются по длине субъединица с нуклеазной активностью, которая, и структуре. Теломеразы простейших содержат РНК длиной в 150–200 нуклеотидных остатков (н.о.), длина теломеразной РНК человека – 450 н.о., в то а Связывание теломеры время как теломераза дрожжей содержит аномально GGGTTAG Хромосома Теломеразная 5' AUCCCAAUC длинную РНК (около 1300 н.о.). Как и любая другая РНК РНК клетки, теломеразная РНК обладает специфиdGTP ческой вторичной и третичной структурой. ВторичdTTP ная структура изолированной теломеразной РНК dATP 3' 5' достоверно установлена только для теломераз проб Элонгация стейших. Пространственная структура теломеразGGGTTAGGGTTAG ной РНК в составе ферментативного комплекса по- AUCCCAAUC 5' ка еще неизвестна.

Матричный участок представлен в теломеразной РНК только один раз. Его длина не превышает 3' 5' в длину двух повторов в теломерной ДНК, которые Транслокация GGGTTAGGGTTAG он кодирует и которым он, разумеется, комплеменAUCCCAAUC 5' тарен.

Так как теломераза синтезирует сегменты ДНК, повторяющиеся много раз, используя только один сегмент своей РНК, она должна обладать способно- 3' 5' стью периодически (после завершения синтеза каждого повтора) перемещать (транслоцировать) Рис. 3. Основные этапы синтеза одного теломерматричный участок в район 3'-конца синтезируе- ного ДНК-повтора теломеразой.. по-видимому, отщепляет от 3'-конца теломерной тических субъединиц теломераз и других обратных ДНК один за другим несколько нуклеотидов до тех транскриптаз показывает, что этот механизм мог супор, пока на этом конце не окажется последова- ществовать еще до появления первых эукариотичетельность, комплементарная нужному участку мат- ских клеток.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.