Структура теломер.
Теломеры и теломераза.
Теломерная ДНК имеет определенный состав, а для поддержания ее длины, как правило, используется специальный фермент — теломераза.
Рассмотрим ряд важных вопросов, касающихся теломер и теломеразы.
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.
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. Теломе́ры (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.
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.
Существует специальный фермент — теломераза, который при помощи собственной РНК-матрицы достраивает теломерные повторы и удлиняет теломеры. В большинстве дифференцированных клеток теломераза заблокирована, однако активна в стволовых и половых клетках.
Известна нуклеотидная структура теломерных последовательностей ДНК. Более высокие уровни организации образуются за счет специфических белков. Эти белки, в отличие от обычных гистонов, не образуют нуклеосомные глобулы. Нуклеосомная структура в достаточно коротких теломерах не обнаружена. Хотя длинные теломеры мышей имеют нуклеосомную организацию. Самые известные среди теломерных белков — белок Rapl (у дрожжей) и его аналог белок TRF1 (у млекопитающих). Благодоря этим белкам, теломеры имеют плотную упаковку, т. е. относятся к фракции гетерохроматина. Такая структура делает теломеры весьма стабильными. В частности, теломерные повторы недоступны для теломеразы на протяжении большей части клеточного цикла. Очевидно, в S-фазе в ответ на некий сигнал белок TRF1 диссоциирует от теломеры — начинается ее удлинение. Затем же он вновь связывается и тем самым предупреждает избыточный рост теломеры.
По той же причине теломерные участки ДНК малодоступны для других ферментов — ДНК-метилаз и эндонуклеаз. В связи с последним обстоятельством, при мейозе в области теломер очень низка частота двухцепочечных разрывов. Наконец, с помощью теломерных белков теломеры крепятся к компонентам ядерного матрикса, в т.ч., возможно, к ядерной ламине (пластинке, связанной с внутренней ядерной мембраной). Действительно ли во все клетках теломеры прикреплены к ядерной мембране, пока не вполне ясно. Но, по крайней мере, на ранних и средних стадиях профазы мейоза такая связь, бесспорно, существует.Полагают также, что теломерная ДНК образует несколькопетель (в виде «лепестков ромашки»), фиксированных на матриксе, и по мере укорочения теломер число «лепестков» постепенно уменьшается.
Функции теломер:
1. Некоторые функции можно условно обозначить как механические.
а) Теломеры участвуют в фиксации хромосом к ядерному матриксу (правильная ориентации хромосом в ядре)
б) Теломеры сцепляют друг с другом концы сестринских хроматид (образующихся в хромосоме после S-фазы).
Возможно, это сцепление происходит за счет гибридизации теломерсестринских ДНК. В то же время структура теломер такова, что допускает расхождение хроматид в анафазе. Однако возможна мутация (науровне гена теломеразной РНК), которая меняет нуклеотидную последовательность теломер; тогда расхождение хроматид блокируется.
2. Функции второй группы — стабилизационные.
а) 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.
3. Влияние на экспрессию генов.
Еще одно интереснейшее свойство теломер обозначается как эффект 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.
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, 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.