Репликация днк: учебное пособие
жүктеу/скачать 2,57 Mb. Pdf көрінісі
|
| Т= k(lt/lm – n),
где Т – срок предстоящей жизни клеток; k– коэффициент корреляции между сроком жизни клона клеток и числом репликаций ДНК; lt – длина теломерного участка; lm – длина фрагмента ДНК, утрачиваемого в ходе каждого цикла репликации; п – число уже прошед- ших репликаций. Размер утрачиваемого фрагмента коррелирует с размером РНК-праймера, инициирующего синтез фрагментов Оказаки при репликации ДНК. Таким образом, Оловников впервые напрямую связал срок жизни клеточных клонов с длиной теломерной ДНК и предположил, что «в качестве временной защиты концевых репликонов, локализующихся вблизи торцов хромосомы, клетка должна использовать тело- гены, которые находятся на торцах теломер». Также он определил «телоген», функция кото- рого оставалась тогда неясной, как «неинформационный ген, имеющий „буферную" функ- цию и монотонную нуклеотидную последовательность», который. «укорачивается в митозах и тем самым защищает информационные гены от усечения при репликации». Так что хотя часть нуклеотидов на 3'-конце отстающей цепи все же не будет реплици- роваться, эта неполная репликация произойдет в зоне теломерного повтора, что не причинит никакого вреда генам, расположенным рядом. Однако через несколько циклов репликации теломерный повтор «растает» и недорепликация начнет затрагивать гены. И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 60 5.3.1. Репликация теломер и поддержание их длины в клетках полового пути Несмотря на то, что молекулярная структура теломеры была к началу 90-х гг. в основ- ном охарактеризована, сохранилась проблема неполной репликации на конце линейной молекулы ДНК. Было показано, что укорочение теломер у человека непостоянно и имеет свою воз- растную динамику. В первичной культуре фибробластов, растущих in vitro, каждое удвоение количества клеток сопровождается уменьшением теломер на 48 ± 21 пар нуклеотидов, а in vivo теломеры фибробластов человека в среднем укорочиваются примерно на 75 пн за один акт митоза. Теломеры периферических клеток крови детей до 4 лет теряют более 1000 пн в год, в возрасте от 4 до 20 лет укорачиваются все медленнее, а в зрелом и пожилом возрасте их длина падает с практически постоянной скоростью около 30–60 пн ежегодно. Критиче- ская длина теломер фибробластов человека, при которой наступает репликативное старение (торможение и полное прекращение пролиферации), не более 5–7 тпн. Длины теломер у разных видов, разных особей в популяции любого вида, в разных клетках одного и того же организма и даже на разных хромосомах одной и той же клетки или на разных плечах одной и той же хромосомы могут различаться в несколько раз. Обычно длина теломеры составляет от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч пар основа- ний. Одна из нитей теломерной ДНК всегда длиннее комплементарной нити и формирует участок 3'-концевой однонитевой ДНК, длина которого может превышать двести нуклеоти- дов. В 1985 г. Грейдер и Блэкберн выяснили, что природа выработала механизм удлинения (элонгации) самого конца хромосомы, т. е. теломерного концевого повтора. Это связано с активностью особого фермента – теломеразы. Теломераза является рибонуклеопротеидом, она содержит короткую молекулу РНК (примерно 150 нуклеотидов), в составе которой при- сутствуют 2 копии теломерного повтора 5'-СААССС-3'. Перед началом репликации ДНК теломераза добавляет несколько копий теломерных повторов к 3'-концу ДНК. После этого репликация идет в обычном порядке. На отстаю- щей нити синтезируются РНК-праймеры, при этом самое важное то, что концевой прай- мер синтезируется на досинтезированном теломеразой теломерном повторе. После заверше- ния репликации остается незаполненным только участок РНК-праймера, синтезированного именно на этом участке теломерной последовательности. В результате дочерние нити ДНК получаются той же длины, что и родительские. Механизм работы теломеразы на примере инфузории тетрахимены может быть опи- сан следующим образом, как это показано на рис. 24. Теломераза обладает своей молекулой РНК, имеющей матричный участок, с помощью которого фермент распознает теломерный повтор. Последовательность 5'-СААССССАА-3' в составе молекулы теломеразы спарива- ется с последовательностью теломерного повтора 5'-ТТGGGG-3'. Нуклеотиды ААС в РНК теломеразы остаются неспаренными, и на них достраиваются ТТG. Фермент перемещается на самый конец теломерной последовательности, т. е. на всю длину ТТGGGGТТG, и нук- леотиды ААС из молекулы теломеразной РНК спариваются с ТТG теломерной ДНК, после чего достраивается вся последовательность повтора. Интересно, что теломераза, по-види- мому, избирательно удлиняет наиболее короткие теломеры. И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 61 Рис. 24. Работа теломеразы у инфузории тетрахимены. Теломеры в клетках зародышевого пути благодаря постоянно высокой активности теломеразы сохраняют нормальную длину. Однако в соматических клетках, культивируемых in vitro, теломераза неактивна, и теломеры постоянно укорачиваются. Этим можно объяс- нить существование лимита Хейфлика. В раковых клетках, которые также являются сомати- ческими, клеточные деления не прекращаются. Оказалось, что почти во всех образцах опу- холевых клеток, взятых как из культуры, так и из целого организма, активность теломеразы сохраняется на высоком уровне. В последнее время накапливаются данные о том, что нарушения в механизме удли- нения теломерного повтора не только непосредственно связаны с формированием злокаче- ственных новообразований, но также играют важную роль в процессе клеточного старения. Искусственное удлинение теломер путем экспрессии теломеразы позволяет предотвратить клеточное старение и получить иммортализованную клеточную линию. Так же преодоле- вают старение спонтанно иммортализуюшиеся опухолевые клетки: они либо начинают экс- прессировать теломеразу, либо поддерживают на стабильном уровне длину теломер альтер- нативными способами. В ряде случаев прекратить рост культуры раковых клеток можно ингибируя теломеразу. |