Теломеры. Теломеразная активность

Карагандинский  Государственный  Медицинский Университет.

                                                                                   

Кафедра: Молекулярной биологии

и Генетики

СРС

на  тему: «Теломеры. Теломеразная активность.» 
 
 

Подготовил: Баяшов Е.Н.

гр. 148 ОМФ.  

                                   Проверила:                            

                                   

Караганда 2011г.

• Введение.
• Теломера: строение, функции.
• Гипотеза  А.М. Оловникова.
• «Концевая недорепликация ДНК».
• Теломераза. Действие теломеразы.
• Теломеразная активность клеток.
• Вывод.

 

Содержание

Введение 

• Изучение  тонкой структуры  теломер и механизма  действия теломераз  находится еще  только в начальной  стадии. Однако они  привлекают к себе огромный интерес  исследователей, работающих в самых разных областях биологии и  медицины, и здесь  уже в ближайшее  время можно ждать  новых интересных открытий.

• Существование структур на концах хромосом было открыто  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 имеет 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

• Ответственны  за прикрепление хромосом к ядерным матриксом;
• Основная функция этих участков — поддержание целостности концов хромосом;

 
 
 
 
 
 
 
 

• Играют  важную роль в создании специфической  архитектуры и внутренней упорядоченности  клеточного ядра;
• Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации.
• Теломера содержит специальные последовательности ДНК, обеспечивающие точную репликацию хромосом;

 

Функции

 

• 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

  
"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.

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, комплементарный  одному повтору G-богатой  цепи теломерной ДНК. 

Механизм  действия теломеразы 

• 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.

  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. 
 
 
 
 
 

Розовым цветом показаны теломеры.

• 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

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, конститутивно.

• 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.

 

Теломеразная  активность раковых клеток

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,