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