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.
Ничего не слышали о теломерах? Ни за что не поверим. Но если действительно нет, то вам, очевидно, пора наверстать упущенное, потому что сегодня это тема номер один в области омоложения. И это не очередной проект, ориентированный на мимические и возрастные морщины, но масштабная кампания по изучению микроскопических элементов в нашем организме, определяющих особенности и скорость .
Предполагается, что теломеры - концевые участки хромосом - можно изменить, чтобы буквально обратить время вспять. В последнее время теломерам уделяют все больше внимания, и это заслуга американского цитогенетика Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn), которая в 2009 году вместе с коллегами Кэрол Грейдер (Carol Greider) и Джеком Шостаком (Jack Szostak) получила Нобелевскую премию по медицине «за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы». Проще говоря, здесь все очень и очень серьезно.
Суть в том, что короткие теломеры связаны с более короткой продолжительностью жизни человека, в то время как обратное верно для длинных теломер. Что еще нужно знать об этих удивительных участках ДНК, защищающих хромосомы от повреждений, The Guardian расспросили у самой Элизабет Блэкберн. А мы резюмировали самое интересное из интервью в этом материале.
Что такое теломеры?
«Если подумать о хромосомах, которые содержат генетический материал, как о шнурках, то теломеры - это маленькие защитные наконечники на них. Они состоят из повторяющихся коротких последовательностей ДНК и с возрастом, как правило, изнашиваются. Когда теломеры не могут защитить хромосомы должным образом, клетки начинают работать хуже. Это провоцирует физиологические изменения в организме, которые повышают риски состояний и заболеваний, связанных со старением: , диабета, рака и многих других.
Но в каком-то смысле этот процесс поддается влиянию, потому что он происходит в организме каждого из нас с определенной скоростью, которая может изменяться. Фермент, называемый теломеразой, способен добавлять ДНК к концам хромосом, чтобы замедлить, предотвратить и частично отменить их сокращение».
Могут ли теломеры предотвратить старение?
«У каждого человека есть важный показатель здоровья - количество лет, в течение которых он остается активным и безболезненным. Старению и выходу организма из сферы здоровья в сферу заболеваний способствует как раз укорочение теломер. Но работа над теломерами ведется не с целью увеличения , хотя и все это, конечно, связано, но с целью предотвращения некоторых возрастных болезней».
Как быстро изменяется длина теломер?
«Иногда можно увидеть эффект и за несколько недель. Но чаще всего это долгосрочные изменения, которые происходят в течение периода от года до десяти лет».
Как сохранить теломеры?
«Хорошей новостью является то, что вам не нужно ходить в спортзал на три часа в день или раз в неделю. Люди, которые занимаются умеренными упражнениями - примерно три раза в неделю в течение 45 минут - имеют такие же теломеры, как и профессиональные спортсмены. Соединение разных видов активности тоже будет хорошей идеей. Одно исследование показало, что у людей, которые не концентрируются только на одном виде спорта, более длинные теломеры.
В то же время многие исследования, в которых принимали участие люди, страдающие , показывают, что размер их теломер зависит от того, насколько тяжело этот стресс переживается самим человеком. Но забота о теломерах особенно важна для людей, ведущих . Даже 10-15 минут легких упражнений будут полезны для теломер, если вы почти все время сидите».
Какой рацион полезен для теломер?
«Наличие в меню адекватного количества , по-видимому, связано с улучшением состояния теломер, и является самым простым способом поддержания их в норме. Есть некоторые данные о преимуществах , но они, на мой взгляд, не совсем полноценны. Совершенно ясно одно: теломеры человека, который питается правильно, будут длиннее, чем теломеры того, кто потребляет большое количество обработанного мяса, сладких напитков и белого хлеба».
Как на длину теломер влияет брак?
«Существует общая тенденция для более длинных теломер среди и людей с постоянными партнерами. Но мы также изучали женщин, которые раньше состояли в браке, в котором регулярно подвергались домашнему насилию, и их теломеры, конечно, были короче, причем это коррелирует с количеством лет (чем дольше брак, тем короче теломеры). Вероятно, это связано с тем, что женщины находились в стрессовой ситуации в течение длительного периода. Что касается детей, то одно исследование показало, что дети могут помочь здоровью теломер, но оно не было подтверждено независимыми исследованиями, а потому говорить о тенденции пока рано».
На тему: «Теломеры и теломераза».
Выполнила:
Жумаханова Адина
Факультет: общественное здравоохранение
Группа:
Курс:1
Алматы 2012
Введение…………………………………………………………………………………...3
1. Определение теломеры и теломеразы …………………………………………..…4-9
1.1.Функции теломер………………………………………………………………....5
1.2. Проблема концевой недорепликации ДНК………………………………….…6
2. Теломеразная активность у млекопитающих: механизмы регуляции…………..9-10
3. Теломераза, рак и старение………………………………………………….……11-13
Заключение…………………………………………………………………………...…..14
Литература……………………………………………………………………..…………15
Приложения…………………………………………………………………………..16-17
Введение.
Работа посвящена изучению строения и функций теломер и теломеразы, изучению их влияния на клеточное строение, экспрессии теломераз в нормальных клетках человека, а также изучению теломеразной активности и длины теломер в опухолевых клетках.
Актуальность работы заключается в изучении влияния фермента теломеразы на развитие опухолевых клеток, изучении возможностях процесса беспрерывного деления благодаря деятельности теломеразы.
Также актуальность работы заключается в изучении процессов старения как организма в целом, так и клетки. Работа дает возможность понять как происходит недорепликация концевых участков ДНК, какие процессы происходят в клетке для её деления, какие ферменты и белки участвуют в этих процессах.
Целью работы является изучение механизмов, сопровождающих деление клетки, изучение влияния теломеразы на внутриклеточные процессы и связь между теломеразой, раковыми клетками и старением клетки.
Теломеры и теломераза
Теломеры (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. У большинства организмов теломерная ДНК представлена многочисленными короткими повторами. Их синтез осуществляется необычным РНК-содержащим ферментом теломеразой.
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. Г. Мёллер предложил называть их теломерами.
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.
В последующие годы выяснилось, что теломеры не только предотвращают деградацию и слияние хромосом (и тем самым поддерживают целостность генома хозяйской клетки), но и, по-видимому, ответственны за прикрепление хромосом к специальной внутриядерной структуре (своеобразному скелету клеточного ядра), называемой ядерным матриксом. Таким образом, теломеры играют важную роль в создании специфической архитектуры и внутренней упорядоченности клеточного ядра.
У дрожжей повторяющиеся блоки в теломерной ДНК заметно длиннее, чем у простейших, и зачастую не столь регулярные. Каково же было удивление ученых, когда оказалось, что теломерная ДНК человека построена из TTAGGG-блоков, то есть отличается от простейших всего лишь одной буквой в повторе. Более того, из TTAGGG-блоков построены теломерные ДНК (вернее, их G-богатые цепи) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб. Столь же универсален теломерный ДНК-повтор у растений: не только у всех наземных растений, но даже у их весьма отдаленных родственников - морских водорослей он представлен последовательностью TTTAGGG. Впрочем, удивляться здесь особенно нечему, так как в теломерной ДНК не закодировано никаких белков (она не содержит генов), а у всех организмов теломеры выполняют универсальные функции.
1.1.Функции теломер:
1. Участвуют в фиксации хромосом к ядерному матриксу, обеспечивая правильную ориентацию хромосом в ядре.
2.Соединяют друг с другом концы сестринских хроматид, образующихся в хромосоме после S-фазы. Структура теломер однако допускает расхождение хроматид в анафазе. Мутация гена теломеразной РНК с изменением нуклеотидной последовательности теломер приводит к нерасхождению хроматид.
3. Предохраняют от недорепликации генетические значимые отделы ДНК в отсутствие теломераз.
4.Стабилизируют в присутствии теломераз концы разорванных хромосом путем добавления к ним теломер с возможностью функционирования. Примером является восстановление функции гена α – талассемией путем добавления теломер к точкам разрыва длинного плеча 16 хромосомы.
5. Влияют на активность генов. Гены, расположенные рядом с теломерами, функционально менее активны(репрессированы). Данный эффект носит название транскрипционного молчания или сайленсинга. Укорочение теломер приводит к отмене эффекта положения генов с активацией прителомерных генов. В основе сайленсинга может лежать действие белков(Rap1, TRF1), взаимодействующих с теломерами.
6. Выступают в качестве регулятора количества клеточных делений. Каждое деление клетки сопровождается укорочением теломеры на 50-65 пар нуклеотидов. В отсутствие теломеразной активности количество делений клетки будет определяться протяженностью оставшихся теломер.
На верхнем снимке - обычные клетки человеческой сетчатки. На снимке внизу - клетки того же возраста.
Американские исследователи из Техасского университета У. Райт (слева) и Дж. У. Шей смогли увеличить продолжительность жизни обычных соматических клеток, встраивая в них ген теломеразы.
Теломеры - это концевые участки линейной молекулы ДНК, которые состоят из повторяющейся последовательности нуклеотидов. У человека и других позвоночных повторяющееся звено имеет формулу TTAGGG (буквы обозначают нуклеиновые основания). В отличие от других участков ДНК теломеры не кодируют белковые молекулы, в некотором роде это "бессмысленные" участки генома. В 1971 году российский ученый Алексей Матвеевич Оловников впервые предположил, что при каждом делении клеток эти концевые участки хромосом укорачиваются. То есть длина теломерных участков определяет "возраст" клетки - чем короче теломерный "хвост", тем она "старше". Через 15 лет это предположение экспериментально подтвердил английский ученый Говард Кук. Правда, нервные и мышечные клетки взрослого организма не делятся, теломерные участки в них не укорачиваются, а между тем они "стареют" и умирают. Поэтому вопрос о том, как "возраст" клетки связан с длиной теломер, остается по сей день открытым. Одно несомненно - теломеры служат своего рода счетчиком клеточных делений: чем они короче, тем большее число делений прошло с момента рождения клетки-предшественницы.
Фермент теломераза "работает" в раковых клетках, сперматозоидах и яйцеклетках. Его существование также было предсказано А. М. Оловниковым в начале 70-х годов. Обнаружили фермент в 1985 году у инфузории, затем - в дрожжах, растениях и у животных, в том числе в яичниках и раковых клетках человека. Теломераза - это фермент-"удлинитель", его функция - достраивать концевые участки линейных молекул ДНК, "пришивая" к ним повторяющиеся нуклеотидные последовательности - теломеры. Клетки, в которых функционирует теломераза (половые, раковые), бессмертны. В обычных (соматических) клетках, из которых в основном и состоит организм, теломераза "не работает", поэтому теломеры при каждом делении клетки укорачиваются, что в конечном итоге приводит к ее гибели.
В 1997 году американские ученые из университета Колорадо получили ген теломеразы. Затем в 1998-м исследователи из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета в Далласе встроили ген теломеразы в клетки кожи, зрительного и сосудистого эпителия человека, где фермент в обычных условиях "не работает". В таких генетически модифицированных клетках теломераза находилась "в рабочем состоянии" - пришивала к концевым участкам ДНК нуклеотидные последовательности, поэтому длина теломер от деления к делению не менялась. Таким способом ученым удалось увеличить жизнь обычных клеток человека в полтора раза. Не исключено, что этот метод поможет найти ключ к продлению жизни.
Итак, теломераза остается главным кандидатом на звание эликсира бессмертия. И в то же время этот фермент - один из главных факторов злокачественного перерождения клеток. Раковые клетки бессмертны благодаря тому, что в них "работает" теломераза. Вот почему бессмертие и рак в природе как бы уравновешивают друг друга: бессмертный организм теоретически может жить вечно, но он неминуемо погибнет от рака.
См. в номере на ту же тему
Сначала вспомним, что такое хромосомы. Со школы мы помним, что вся информация об организме записана в ДНК, имеющейся в каждой клетке. Эти длиннющие цепочки ДНК свернуты в перекрещивающиеся «колбаски» - хромосомы (у людей их 23 пары). Когда клетка делится, то ДНК переписывается (заново копируется) в обе новые клетки.На концах хромосом в каждой клетке организма имеются так называемые теломеры.
Теломеры хромосом – это небольшие участки, в которых не кодируется генетическая информация – это своеобразная защита концов хромосом. Состоят теломеры из последовательности нуклеотидов, которые повторяются множество раз. Это длина последовательностей нуклеотидов с каждым делением клеток у млекопитающих становится короче. Когда длина теломер заканчивается – клетка теряет возможность делиться и погибает. Таким образом, природа защитила будущие поколения людей от различных ошибок и мутаций, которые могут накапливаться в хромосомах клеток в процессе их жизни и деления под влиянием внешних неблагоприятных факторов, болезней или действий различных вирусов, проникающих в клетки. То есть клеткам млекопитающих, как довольно сложным организмам отпущено лишь определенное число делений. После этого начинается увядание организма – запускается механизм его самоуничтожения. Клеток становится все меньше и, в конечном счете, организм погибает от немощи и болезней.
Разберемся зачем эти участки – теломеры – нужны. Представим, что Информация записанная в ДНК это фильм на видеокассете. Фильм он есть и есть, а вот при копировании фильма задействуются более сложные механизмы – это и считывающие/записывающие головки, и механизм вращения ленты и всевозможные вспомогательные электронные компоненты. По тому же принципу происходит копирование ДНК при делении клетки. Определенные молекулы (довольно огромный комплекс по сравнению с самой ДНК) движутся вдоль цепи ДНК, синтезируют ее копию. Когда этот большущий комплекс молекул доходят до конца хромосомы то последние звенья ДНК остаются не скопированными (неохваченными этим комплексом). Опять так, по аналогии с видеокассетой – нельзя записать фильм до самого конца пленки – этот конец просто не доходит до считывающей головки, как этот конец пленки прикреплен к ролику кассеты. Изобретатели видеокассет поступили просто – в начале и конце пленки в видеокассете находится пленка, на которую запись невозможно. Абсолютно тоже самое сделала и природа. На концы хромосом (цепочек ДНК) помещены участки с нулевой информацией, которые при копировании уменьшаются на несколько звеньев цепочки, но основная информация от этого не страдает, пока эти защитные участки – теломеры - не закончатся.
Итак, при копировании ДНК теломеры становятся короче, но позднее теломеры частично удлиняются под действием специального фермента - Теломеразы.
Нельзя сказать, что активность этого фермента Теломераза напрямую влияет на длительность жизни (у мышей теломераза очень активна, но живут они очень мало). У человека активность теломеразы очень низкая, но живем мы дольше других млекопитающих.
Высочайшая активность теломеразы создает условия для бесконечного деления клеток, а это уже другая угроза для жизни – раковые клетки. Большинству видов раковых клеток необходима высокая активность теломеразы, а значит снижая активность теломеразы можно остановить развитие рака.
Вот так, сейчас наука на том уровне, когда можно попытаться увеличить продолжительность жизни с помощью увеличения активности теломеразы, но тогда получится смерть от рака и наоборот, можно для лечения рака снизить активность теломеразы, что приведет к ускорению старения.
Лекарство от рака свело бы на нет побочный раковый эффект от омоложения с помощью активации фермента теломеразы. Остается дождаться этого важного открытия.
Хотя остается возможность научиться восстанавливать теломеры на концах хромосом с помощью модифицированных вирусов, которые, как и все вирусы, умеют проникать в клетки и вырезать/подменять определенные части цепочки ДНК в клетке. Об этих технологиях мы поговорим в следующей статье.
