13.2: Теломери

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5931

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Кожна еукаріотическая хромосома складається з однієї молекули ДНК, пов'язаної з різноманітними білками. Молекули ДНК в еукаріотичних хромосомах лінійні; тобто мають два кінці. (Це на відміну від таких бактеріальних хромосом, як у кишкової палички, яка є замкнутим колом, тобто не має кінців.)

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Теломери знаходяться на терміні хромосом. Кінець теломера вставляється назад в основне тіло теломера, утворюючи Т-образну петлю. (КУБ.СМ ПО-СБ 3,0;Самулілі).

Молекула ДНК типової хромосоми містить лінійний масив генів (кодують білки і РНК) з вкрапленням багато некодуючих ДНК. Включені в некодуючу ДНК довгі розтяжки, що складають центромер і довгі розтяжки на кінцях хромосоми - теломери. Теломери мають вирішальне значення для життєдіяльності клітини. Вони утримують кінці різних хромосом в клітці від випадкового приєднання один до одного. Теломери людини складаються з цілих 2000 повторів послідовності 5' GGTTAG 3'

5 '... ТЕГ ГТТЕГ ГТТЕГ ГТТЕГ ГТТЕГ ГТТЕГ.. 3'
3'... ККААТК ККААТК ККААТК ККААТК ККААТК ККААТК КАКТК 5'

Реплікація лінійних хромосом представляє особливу проблему

ДНК-полімераза може синтезувати лише нову нитку ДНК, коли вона рухається вздовж шаблонної нитки в напрямку 3 '—> 5'. Це прекрасно працює для 3 '—> 5' нитка хромосоми, оскільки ДНК-полімераза може безперебійно рухатися від походження реплікації, поки не зустріне інший міхур реплікації або кінець хромосоми. Однак синтез з використанням 5 '—> 3' нитка як шаблон повинен бути переривчастим. Коли вилка реплікації відкриється достатньо, ДНК-полімераза може почати синтезувати ділянку комплементарної нитки - званий фрагментом Окадзакі - працює у зворотному напрямку. Пізніше ДНК-лігаза («ДНК-лігаза I») зшиває фрагменти Окадзакі разом.

альт — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Фрагменти Окадзакі

На малюнку\(\PageIndex{3}\) горизонтальні чорні стрілки показують напрямок, в якому рухаються вилки реплікації. Скрізь, де вилка реплікації пасма рухається до кінця 3', новосинтезована ДНК (червона) починається як фрагменти Окадзакі (червоні риски). Так триває до близького до кінця хромосоми. Потім, коли вилка реплікації наближається до кінця ДНК, вже не вистачає шаблону, щоб продовжувати формувати фрагменти Окадзакі. Таким чином, 5-футовий кінець кожної новосинтезованої нитки не може бути завершений. Таким чином, кожна з дочірніх хромосом матиме укорочений теломер.

Підраховано, що людські теломери втрачають близько 100 пар основ зі своєї теломерної ДНК при кожному мітозі. Це являє собою близько 16 повторень GGTTAG. При такому темпі, після 125 мітотичних поділів, теломери б повністю зникли. Чи тому нормальні соматичні клітини обмежені в кількості мітотичних відділів, перш ніж вони відмирають?

Теломери і клітинне старіння

Теломери важливі, тому їх стійке скорочення з кожним мітозом може накласти на клітини кінцевий термін життя. Це, власне, так і є. Нормальні (неракові) клітини не ростуть нескінченно довго при поміщенні в культуру. Клітини, видалені з новонародженого немовляти і поміщені в культуру, будуть ділитися майже в 100 разів. Однак задовго до кінця їх швидкість мітозу знижується (рідше ніж раз на два тижні). Якби мої клітини були культивовані (мені 81 рік), вони впоралися б лише з парою десятків мітозів, перш ніж вони перестали ділитися і вимерли. Це явище називається реплікативним старінням. Чи може усадка теломерів бути годинником, який визначає довговічність клітинної лінії і, таким чином, відповідає за реплікативне старіння?

Докази

Деякі клітини не піддаються реплікативному старінню:

клітини зародкової лінії (зародкова плазма)
одноклітинні еукаріоти, такі як Tetrahymena thermophila
стовбурові клітини, включаючи «дорослі» стовбурові клітини та ракові стовбурові клітини.

Виявляється, ці клітини здатні підтримувати довжину своїх теломерів. Роблять це за допомогою ферменту теломерази.

Теломераза

Теломераза - це фермент, який додає послідовності повторення теломерів до 3' кінця ниток ДНК. Подовжуючи цю пасмо, ДНК-полімераза здатна завершити синтез «неповних кінців» протилежної пасма. Теломераза є рибонуклеопротеїном. Його єдина молекула SnorNA - називається TERC («TE lomere R NA C компонент») - забезпечує шаблон CCAAUC (у ссавців) для керівництва вставкою GGTTAG. Його білковий компонент - називається TERT («TE lomere R зворотний T ranscriptase») - забезпечує каталітичну дію. Таким чином, теломераза є зворотною транскриптазою; синтезуючи ДНК з шаблону РНК.

Теломераза, як правило, міститься лише в клітині зародкової лінії, включаючи ембріональні стовбурові (ES) клітини; одноклітинні еукаріоти, такі як Tetrahymena thermophila; і деякі, можливо, всі «дорослі» стовбурові клітини (включаючи ракові стовбурові клітини) та клітини «прародителя», що дозволяють їм розмножуватися. Коли нормальні соматичні клітини трансформуються в лабораторії з ДНК, що експресує високий рівень теломерази, вони продовжують ділитися мітозом довго після того, як повинно було встановити реплікативне старіння. І вони роблять це без подальшого скорочення своїх теломерів. Ця чудова демонстрація (повідомляє Bodnar et. al. у 16 січня 1998 року випуску науки) дає найбільш переконливі докази того, що теломераза та підтримка довжини теломерів є ключем до безсмертя клітин.

Синдроми дефіциту теломерів

Ряд рідкісних захворювань людини викликані мутаціями в TERT або TERC або декількох інших генах, що беруть участь в підтримці теломер. Тяжкість захворювання, органи, на які вона вражає, і вік початку варіюються в широких межах. Але для всіх характерні аномально короткі теломери. Пацієнти з дефіцитом теломерів також мають підвищений ризик розвитку раку.

Теломераза і рак

Найважливішою особливістю, яка відрізняє рак від нормальної тканини, є його здатність рости до нескінченності. Більшість (85— 90%) видів раку експресують теломеразу — принаймні у популяції ракових стовбурових клітин, які безконтрольно діляться, викликаючи зростання пухлини. Можливо, агенти, які перешкоджають експресії гена для теломерази - або запобігають дії ферменту - забезпечать новий клас зброї в боротьбі з раком. Але якщо активність теломерази - хоч і коротка - важлива для всіх клітин, нам краще бути обережними, і якщо відсутність теломерази прискорює реплікативне старіння, це також може прискорити старіння тканин, які залежать від новоутворених клітин для подальшого здоров'я - компроміс, який, можливо, не варто робити.

Теломераза і пересаджені клітини

Один підхід до генної терапії - це видалення клітин у пацієнта, перетворення їх з геном для продукту, який пацієнт не зміг синтезувати, повернути їх пацієнту. Однією з проблем такого підходу є те, що клітини - як і всі нормальні соматичні клітини - смертні. Після ряду мітотичних відділів вони відмирають. Саме тому діти, описані за посиланням вище, вимагали періодичних свіжих вливань їх перетворених Т-клітин.

Що робити, якщо їх клітини могли трансформуватися не тільки з терапевтичним геном, але і з активним геном теломерази? Це повинно дати їм необмежену тривалість життя. Але якщо ракові клітини відновлять здатність виробляти теломеразу, чи не може бути зворотним; що клітини, перетворені активним геном теломерази, можуть стати раковими? Можливо, ні. Клітини, описані Bodnar et. al. в 16 січня 1998 року випуску науки продовжували рости в культурі і були піддані ряду тестів, щоб перевірити, чи придбали вони будь-які властивості ракових клітин в культурі.

Результати обнадійливі. Хоча ці клітини продовжують ділитися на невизначений термін, як це роблять ракові клітини,

Вони все ще демонструють інгібування контактів, як це роблять нормальні клітини при вирощуванні в культурі.
Вони не переростають в пухлини при введенні імунодефіцитним мишам (як це роблять ракові клітини).
Вони все ще метушливі щодо свого раціону - не в змозі рости на простих середовищах, які підтримують ракові клітини в культурі.
Вони все ще зберігають нормальний каріотип; те, що ракові клітини рідко роблять.

Однак дослідження з цілими тваринами - трансгенними мишами, які виражають аномально високий рівень ТЕРТ - показують, що вони страждають підвищеною захворюваністю на рак.

Теломери і клонування

Тепер відому вівцю Доллі клонували за допомогою ядра, взятого з дорослої овечої клітини, яка росла в культурі. Донору клітин було 6 років, а його клітини росли в культурі протягом декількох тижнів. А як щодо теломерів Доллі? Аналіз довжини теломер в клітині Доллі показує, що вони були лише на 80% довше, ніж у звичайної однорічної вівці. Не дивно, оскільки ядро, яке створила Доллі, було позбавлено теломерази протягом багатьох поколінь. Дві інші вівці - клоновані з ембріональних, а не дорослих клітин - також мали укорочені теломери, хоча і не такі короткі, як у Доллі. Можливо, на це припадає тривалість часу клітин, проведених в культурі до їх використання.

Доллі. (Cc BY-SA 2.0 Тоні Баррос).

Чи означає це, що Доллі приречена на укорочене життя? Спочатку вона здавалася здоровою і навіть мала власних дітей. Але медичні проблеми - ймовірно, не пов'язані з її теломерами - закінчилися тим, що вона була евтаназірована у відносно молодому віці. Але її короткі теломери додають ще одне питання до дискусії про клонування ссавців з дорослих клітин.