Репликация теломерных участков эукариотических хромосом

Исследование механизмов репликации теломерных участков эукариотических хромосом показало, что они принципиально отличаются от механизмов репликации центральных областей ДНК. Изучение этих механизмов длительное время сдерживалось тем, что в клетках животных количество хромосом, а следовательно, и теломерных участков, невелико – они составляют лишь небольшую часть от всех остальных последовательностей. Прорыв произошел в 1978 г., когда в качестве объекта исследований Е. Блэкберн стала использовать простейшее жгутиковое – Thetrahymena, в клетках которого содержатся тысячи линейных хромосом. Было установлено, что теломеры тетрахимены построены из коротких повторяющихся последовательностей. Вскоре стало ясно, что такая структура характерна для теломерных участков хромосом всех исследованных эукариот. В частности, 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 C_{1‑ 3}A/TG_1-3. Таким образом, 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 ~50 п.о. в клетках жгутиковых до 50 т.п.о. у одного из видов мышей.

Рис. I.52. Механизм функционирования теломеразы

Изображено комплементарное взаимодействие внутренней матричной молекулы РНК теломеразы с ДНК теломерного участка хромосомы

Синтез теломерных последовательностей ДНК осуществляется специальными ферментами – теломеразами, для которых нет аналогов среди других известных нуклеотидилтрансфераз. Особенностью этих ферментов является присутствие у них в качестве составной части короткого фрагмента РНК – компонента, абсолютно необходимого для их функционирования и служащего матрицей при синтезе теломерных последовательностей хромосом (рис. I.52). Комплементарное взаимодействие внутренней РНК теломеразы с 3’-концевым выступающим одноцепочечным сегментом ДНК хромосомы инициирует синтез теломерных последовательностей. При этом 3’-концевой фрагмент ДНК служит затравкой для удлинения этой ДНК на РНК-матрице. После удлинения (элонгации) выступающей цепи ДНК до конца матрицы происходит транслокация фермента на один теломерный повтор вперед относительно матрицы с освобождением последовательности матричных нуклеотидов, после чего он готов для вступления в следующий цикл элонгации только что добавленной 3'-концевой последовательности хромосомы. После завершения удлинения одноцепочечной 3'-концевой теломерной последовательности вторая цепь ДНК достраивается обычным способом. Таким образом происходит решение " проблемы отстающей цепи ДНК" при репликации ДНК у эукариот.

Наличие у животных тканеспецифичности в распределении теломер по размерам, а также изменение размеров этих последовательностей в онтогенезе предполагают существование механизмов, регулирующих данный процесс. Создается впечатление, что для активной пролиферации клеток теломерные последовательности не должны становиться короче определенного порогового размера. Недавние исследования обнаружили резкое повышение активности теломераз, характерное для опухолевых клеток, что служит в настоящее время чувствительным физиологическим маркером их злокачественного перерождения. В этой связи сегодня в качестве одного из подходов к терапии опухолей рассматривают подавление активности теломераз, функционирование которых, как полагают, необходимо для иммортализации клеток и роста опухолей. Именно благодаря таким свойствам теломеразы в последнее время вызывают особый интерес, что сопровождается расширением исследований в данной области молекулярной генетики.