Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 91
Текст из файла (страница 91)
448 Часть 2. Основные генетические механизмы вопрос о том, как «решения», принимаемые родительской клеткой, «помнят» клетки ее потомства много поколений спустя. 5.3.12. Концы хромосом реплицируются теломеразой Мы с вами уже знаем, что синтез отстающей нити в репликационной вилке происходит прерывисто по механизму «обратных стежков» с образованием коротких фрагментов ДНК, Этот механизм сталкивается с особой проблемой, когда репликационная вилка достигает конца линейной хромосомы: на самом конце линейной молекулы ДНК нет места для размещения РНК-затравки, необходимой для начала последнего фрагмента Оказаки.
Бактерии решили эту проблему концевой репликации, обзаведшись кольцевыми молекулами ДНК вместо хромосом (см. рис. 5.27). Эукариоты решают ее гениальным способом: на концах хромосом у них есть специализированные нуклеотидные последовательности, которые включены в структуры, названные теломерами (см. главу 4). Теломеры содержат много тандемных повторов короткой последовательности, которая похожа у таких разных организмов, как простейшие, грибы, растения и млекопитающие.
У человека последовательность повторяюгцейся единицы имеег вид ОССТТА и повторяеп:я примерно тысячу раз в каждой теломере. Последовательности теломерной ДНК узнают специфичные к такой последовательности ДНК-связываюшие белки, рекрутирующие фермент, названный теломеразой, который и пополняег запас этих последовательностей при каждом делении клетки. Теломераза распознает конец существующей повторяющейся последовательности теломерной ДНК и продолжает его в направлении 5' -+ 3', используя для синтеза новых копий повтора матрицу РНК, которая является компонентом самого фермента (рис. 5.40).
Ферментативная часть теломеразы напоминает другие обратные транскриптазы — ферменты, которые синтезируют ДНК, используя матрицу РНК (см. рис, 5.72), После продления родительской цепи ДНК теломеразой репликация отстающей нити на конце хромосомы может быть завершена обычными ДНК-полимеразами, использующими эти продолжения в качестве матриц для синтеза комплементарной нити (рис. 5.41). Только что описанный механизм с использованием нуклеазы, которая съедает 5'-конец, гарантирует, что 3'-конец ДНК в каждой теломере всегда будет более длинным, чем 5'-конец, с которым он спарен — так что однонитевой конец выдается наружу (см.
рис. 5.41). Этот выступающий конец, как было показано, загибается петлей назад, просовывает свой конец в спираль ДНК теломерной повторяющейся последовательности и образует Г-петлю (рис. 5.42). В самых общих чертах эта реакция напоминает встраивание цепи Ыгапс1 1птаяоп) во время гомологичной рекомбинации, обсуждаемой ниже, и она, возможно, эволюционировала из этих древних рекомбинационных систем. Т-петли дают нормальные концы хромосом с уникальной структурой, которая зашишает их от ферментативной деградации и позволяет четко отличить их от концов разорванных молекул ДНК, которые клетка быстро репарирует (см.
рис. 5.51). 5.3.13. Длина теломеры регулируется и на уровне клеток, и на уровне организма Поскольку процессы, которые удлиняют и укорачивают каждую теломерную последовательность, уравновешены лишь приблизительно, конец хромосомы со- к твломераэной слопьзувмый качестве матрицы онь» — активный тепомцзаэы й пвлвць теломврная ДНК Рис. 5 40. Структура части теломеразы. Теломераза представляет собой крупный комплекс белок-РНК РН К (показана синим) содержит матричную последовательность для синтеза новых тел омерн ьж повторов ДНК.
Сама реакция синтеза выполняется доменом обратной транскриптазы, входящим в состав белка (показан зеленьзи). Обратная транскриптаза — зто специальная форма фермента полимеразы, которая использует матрицу РНК для синтеза нити ДНК; теломераза уникальна тем, что все время несет свою собственную матрицу РНК. Теломераза имеет также несколько вспомогательных белковых доменов (не показаны), которые необходимы для правильной сборки фермента на концах хромосом. (пере- рисовано из ).
Опйпег апб Т. я. Сесн, Сигг. Ор/л. бепеС Оек 8: 226-232, 1998. С любезного разрешения издательства Енеыег) держит переменное число теломерных повторов. Неудивительно, что эксперименты ггоказывают, что клетки, которые неограниченно делятся (например, клетки дрож жей), имеют гомеостатические механизмы, поддерживающие число таких повторов в ограниченных пределах (рис. 5.43). В соматических клетках человека теломерные повторы, предположительно, обеспечивают каждую клетку счетным механизмом, который помогает предотвра тить неограниченную пролиферацню клеток во взрослых ткаггях. В самой простой форме эта теория утверждает, что наши соматические клетки рождаются с пол ным комплектом теломерных повторов. Некоторые стволовые клетки, особенно в тех тканях, что должны восполняться на протяжении всей жизни, — например, в костном мозге или коже, — сохраняют полную теломеразную активность.
Од пако в клетках многих других типов уровень теломеразы снижается, и фермент не вполне поспевает за удвоением хромосом, Такие клетки при каждом делении теряют по 100 — 200 нуклеотцдов в каждой теломере. Через множество клеточных поколений клетки потомства унаследуют дефектные хромосомы (потому что их концы не смогут полностью реплицироваться) и, следовательно, навсегда выйдут из клеточного цикла и прекратят делиться — .лот процесс был назван репликаци нврй®йййрв) ( яика)цииф$КФ х(зскек)(созе короткая тело мере б' - з з г длинная теломере 5'' ' ' 3' з 5' теломерные повторы в' и Я ла и 8 Ь о а г возрастание длины теломер— возрастание длины теломер— Рис. $.43.
Опыт, свидетельствующий о том, что клетки дрожжей контролируют длину своик теломер. В этом эксперименте теломеру нз одном конце определенной хромосомы искусстеенно делали или длиннее (слепо), или короче (слроео) средней После многих делений клеток нз хромосоме еосстзнззлнезлзсь средняя длина теломеры и распределение длин, типичное для другик хромосом е клетке дрожжей. Предползгзют наличие подобного механизме обратной связи, упрзеляющего длиной теломер, э клетках зародышевой линии животных. Гзшотеза о том, что длина теломеры служит своего рода «измерительной шка лой» для отсчета делений клетки и, таким образом, регулирует время ее жизни, была проверена несколькими способами.
Для некоторых типов клеток человека, вырви(енных в культуре тканей, результаты экспериментов подтверждают такую теорию. Фибробласты человека обычно пролиферируют приблизительно в течение 60 делений клеток в культуре, прежде чем наступит их репликационное старение. ((одобно болыпинству других соматических клеток человека, фибробласты дают только низкие уровни тсломеразы, и их теломеры постепенно укорачиваются с каждым очередным делением.
Когда фибробластам обеспечивали дополнительную теломеразу путем вставки активного гена теломеразы, длина теломеры поддержи вилась и многие клетки после этого продолжали нескончаемо делиться. Так что кажется очевидным, что в некоторых клетках человека укорочение теломср может вести счет числу делений клетки и запускать репликационное старение. Было высказано предположение о том, что такого типа контроль за клеточной пролиферацией важен для поддержания архитектуры ткани и отвечает, так или иначе, также за старение животных, в том числе и нас с вами. Эти идеи проверены на транстенных мышах, у которых полностью отсутствует теломераза.
Тсломеры в хромосомах мыши приблизительно в пять раз длиннее, чем теломеры человека, и поэтому мыши должны давать потомство на протяжении трех и более поколений, прежде чем их теломеры сократятся до нормальной для человека длины. Возмож 452 Часть 2. Основные генетические механизмы но, именно поэтому первые поколення мышей развиваются нормально. Однако в следующих поколениях мыши последовательно накапливают все большее чнсло дефектов в некоторых интенсивно пролнфернруюшнх тканях. Вдобавок к этому такие мыши показывают признаки преждевременного старения н имеют выраженную предрасположенность к образованию опухолей.
В этих н других отношениях этн мыши напоминают людей с генетическом заболеванием, которое называется врожденным дискератозом. Люли, пораженные этой болезнью, несут одну функцнонально активную н одну неактивную копии гена теломеразной РНК; онн имеют преждевременно укорачнваюшнеся теломеры н обычно умирают от прогрессируюшей атрофии костного мозга.
Кроме того, у ннх развивается рубцеванне легких н цирроз печени, а также заболевания различных эпндермальных структур, в том числе кожи, волосяных фоллнкулов н ногтей. Вышеупомянутые наблюдення демонстрируют, что управление пролнферацней клеток путем укорачивання теломер представляет определенный риск для организма, потому что не все клегкн, которые начинают терять концы своих хромосом, прекратят делиться. Некоторые, несомненно, становятся генетически неустойчивыми, но продолжают делиться, давая начало видоизмененным клеткам, которые могут привести к раку. Таким образом, можно усомниться в том, что наблюдаемая в большннстве соматических клеток человека супрессня (оохчп-гейц(акоп) теломеразы дает эволюционное преимушество, как полагают те, кто постулирует, что укороченне теломер защищает нас от рака н других болезней, обусловленных безудержным деленнем клеток.
Заключение Белки, которые запускают репликацию ДНК, связываются с последовательностями ДНК в точке начала репликации (олдгп) и катализируют образование репликационного глазка (гер((саггоп ЬиЬЬ)е) с двумя движущимися в противоположных направлениях репликационньсчи вилками. Процесс начинает ся с образования комплекса инициаторный белок — ДНК, который впоследствии загружает ДНК-хеликазу на матрицу ДНК. Затем присоединяются другие белки и завершают образование мул ьтиферментной чрепликационной машиным которая катализирует синтез ДНК в каждой репликационной вилке. У бактерий и некоторых простых эукариот точки начала репликации задаются специальными последовательностями ДНК, которые имеют длину всего лишь несколько сот пар нуклеотидов.
У прочих эукариот, таких как человек, последовательности, специфически определяющие точку начала репликации ДНК, по-видимому, выражены менее четко и могут охватывать несколько тысяч пар нуклеотидов. Бактерии обычно ичеют единственную точку начала репликации в кольцевой хромосоме. При скоростях вилки до )000 нуклеотидов в секунду они могут реплицировать свой геном менее чем за час.
Репликация ДНК эукариот происходит только в одной части клеточного цикла — в 5-фазе. У эукариот репликационная вилка движется в!О раз медленнее, чем у бактерий, и, для того чтобы успеть провести репликацию намного более длинных хромосом за время З-фазы, которая в клетках человека обычно длится в течение 8 часов, требуется целый сонм точек начала репликации. Различные точки начала репликации в таких хромосомах эукариот активируются в определенной последовательности, устанавливаемой отчасти структурой хроматина, при этом наиболее 5.4. Репарация ДНК 453 уплотненные области хроматина обычно начинают репликацию в последнюю очередь. После того как репликационная вилка прошла, структура хроматина воссоздается путем добавления новых гистонов к старым, которые напрямую наследуются каждой молекулой дочерней ДНК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
