Теломеры. Теломеразная активность

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.