Теломеры.Теломеразная активность

Карагандинский государственный 

медицинский университет

                                                                                  Кафедра: молекулярной биологии

и генетики

СРС

на тему:

«Теломеры.Теломеразная активность»

 

Выполнил:

                  Проверил:

                                                  

                                                                        

Караганда 2011г.

• 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.
• В 1932 Г. Мёллер предложил называть их теломерами (от греч. телос - конец и мерос - часть).
• Хромосома имееет две теломеры.
• У человека теломеры содержат единственный повтор GGGTTA.

 

 

 

теломеры

Строение 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 четырёх, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуаниновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированием в центре неё иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом

 

Структура теломер. Зелёным  цветом показан ион металла, хелатированный  в центре структуры

• 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 за прикрепление хромосом к ядерным матриксом;

 

 

 

 

 

 

 

 

• Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации.

 

Функции

 
"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.

 

• 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.

 

• Иными словами, 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

Теломераза

 

    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

 

   Теломеразы являются рибонуклеиновыми ферментами. РНК-компонент теломераз содержит короткий район (матрицу), комплементарный одному повтору G-богатой цепи теломерной ДНК.

 

Вторичная структура  
РНК-компонента теломеразы инфузории Tetrahymena termophila

Механизм действия теломераз

 

    

• Повторное копирование матрицы, включающее этап элонгации, когда дезоксирибонуклеотиды последовательно добавляются к 3'-концу G-богатой цепи теломеры,
• и этап транслокации фермента на конец новообразованной цепи. 
• В результате действия теломеразы образуется достаточно длинный 3'-конец, по которому затем достраивается комплементарная цепь. В итоге теломера становится длиннее.

• (1) обратная транскриптаза;
• (2) теломеразная РНК;
• (3) нуклеаза, отщепляет от 3'-конца теломерной ДНК один за другим несколько нуклеотидов до тех пор, пока на этом конце не окажется последовательность, комплементарная нужному участку матричного сегмента теломеразной РНК;
• субъединица(4), отвечающая за поиск и связывание 3'-конца хромосомы (выполняющая якорную функцию);
• субъединицы(5), связывающие продукт реакции (однотяжевую ДНК);
• (6) комплементарный РНК-ДНК комплекс.

 

В механизм входят:

 

а-Нуклеазная субъединица (3) теломеразы «объедает» 3'-конец ДНК, превращая его в праймер для ДНК-полимеразной реакции; б- синтез ДНК-повтора на РНК-матрице.

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

 

• Теломераза  добавляет особые повторяющиеся последовательности ДНК к 3'-концу цепи ДНК на участках теломер.  
• Длина теломерных участков хромосом увеличивается или сохраняется на постоянном уровне, компенсируя таким образом концевую недорепликацию и позволяя клетке делиться неограниченно долго.
• 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, делает клеточную культуру иммортальной (бессмертной), т.е. 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.
• Клетки 85 % раковых опухолей обладают теломеразной активностью.

Теломеразная активность соматических клеток

 

• В подавляющем большинстве соматических клеток человека на стадии раннего эмбриогенеза происходит выключение гена ее каталитической субъединицы (обратной транскриптазы),кодирующего теломеразу.
• Тем самым инициируется процесс прогрессивного укорочения теломер, или так называемого "репликативного" старения.
• Другие же составляющие теломеразы, включая теломеразную РНК, образуются в этих клетках, хотя и в меньших количествах, чем в их "бессмертных" прародителях, но постоянно (или, как говорят, конститутивно).

Теломеразная активность раковых клеток

 

• Клетки большинства раковых опухолей характеризуются достаточно высокой активностью теломеразы, которая поддерживает длину теломер на постоянном уровне.

 

• Этот уровень заметно ниже, чем, например, у эмбриональных клеток, но он достаточен, чтобы обеспечить безграничное деление раковых клеток в культуре.

 

• Сравнительно небольшая длина теломер у большинства раковых клеток наводит на мысль о том, что они происходят из нормальных клеток, достигших предкризисного состояния.

 

• Это состояние характеризуется нарушением регуляции многих биохимических реакций. В таких клетках происходят многочисленные хромосомные перестройки, которые в том числе ведут и к злокачественной трансформации.
• Большинство этих клеток погибают, но в части из них в результате случайных мутаций может активироваться постоянная экспрессия генов теломеразы, которая будет поддерживать длину теломер на уровне, необходимом и достаточном для их функционирования.

Механизм образования опухолевой клетки

Рак без теломераз?

 

• Некоторое время вызывал недоумение тот факт, что примерно пятая часть проанализированных раковых опухолей и клеток вообще не содержала активной теломеразы.
• Оказалось,что длина теломер в них поддерживается на должном уровне.
• Таким образом, в этих клетках действует другой, не теломеразный, а скорее рекомбинационный механизм образования теломерной ДНК

 

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,

 

Благодаря                 этому