Теломеры: общие сведения

Теломера (telomere): концевая часть плеча хромосомы . Теломеры у большинства эукариот представляют собой повторяющиеся последовательности ДНК, распространяющихся на расстояние от десятков до сотен тысяч пар оснований. Длина теломер у разных видов различна и меняется от приблизительно 300-600 п.о. у дрожжей до многих тысяч пар оснований у человека. Повторы теломер состоят из G-богатых единиц длиной 6-8 п.о. Эти последовательности играют важную роль в защите концов хромосом от деградации.

 Теломеры - это специализированные сайты, выполняющие три существенные функции. Во-первых, теломеры обеспечивают включение самых дистальных концов хромосом в репликацию ДНК, решая тем самым "проблему репликации концов" ( Lue, 2004 ). Во-вторых, теломеры защищают концы хромосом от деградации и подавляют слияния с другими хромосомами. В-третьих, у многих, но не у всех, организмов теломеры облегчают спаривание хромосом в мейозе. У большинства эукариот теломеры состоят из простых, коротких повторов, которые восстанавливаются ферментом теломеразой. Теломерные функции регулируются как механизмами на основе нуклеотидных последовательностей, так и эпигенетическими механизмами.

 Хромосома имееет две теломеры. Теломера содержит специальные последовательности ДНК, обеспечивающие точную репликацию хромосом. 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 примерно 50 п.о. в клетках жгутиковых до 50 т.п.о. у одного из видов мышей.

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 C1-3A/TG1-3.

Наличие у животных тканеспецифичности в распределении теломер по размерам, а также изменение размеров этих последовательностей в онтогенезе предполагают существование механизмов, регулирующих данный процесс. Для активной пролиферации клеток теломерные последовательности не должны становиться короче определенного порогового размера. Исследования обнаружили резкое повышение активности теломераз, характерное для опухолевых клеток, что служит физиологическим маркером их злокачественного перерождения. Поэтому в качестве одного из подходов к терапии опухолей рассматривают подавление активности теломераз, функционирование которых, как полагают, необходимо для иммортализации клеток и роста опухолей.

Теломеры важны для стабильности хромосом, для ядерной архитектуры и определенных хромосомных перемещений. Теломеры принципиально отличается от концов разорванных хромосом. Это важно потому, что разрывы хромосом вызывают задержку в клеточном цикле и подвергаются репарации, которая может привести к экзонуклеолитической атаке или лигированию c другими хромосомными фрагментами. Последнее приводит к образованию дицентриков или кольцевых хромосом, к транслокациям или делециям. Учитывая, что ДНК-полимераза не может реплицировать линейную хромосому полностью, требуется специальный механизм для поддержания концевых участков хромосом. В большинстве организмов эту функцию выполняет теломераза - обратная транскриптаза с внутренней РНК-матрицей. Однако при некоторых условиях длина теломеры может поддерживаться за счет рекомбинации или транспозиции. Во многих клетках плечи хромосом определенным образом организованы внутри ядра и могут быть ориентированы от теломеры к центромере. Такое расположение может поддерживаться отчасти за счет ассоциации теломер друг с другом и с ядерной оболочкой. Есть основания предполагать, что возникающие при этом ядерные домены важны для создания и поддержания структуры хроматина и транскрипционной активности. Значительные изменения в положении хромосом внутри ядра могут происходить, к примеру, в начале мейоза . Теломеры могут играть незаменимую роль в этих движениях, критических для мейотической рекомбинации и сегрегации. В данном обзоре мы рассматриваем роль теломеры в биологии клетки, в особенности в архитектуре ядра и в транскрипционном сайленсинге , т.е. в подавлении транскрипции.

Теломеры выполняют ряд клеточных функций. Некоторые из них, такие как элонгация и кэпирование хромосом, необходимы для поддержания линейных хромосом. Назначение других особенностей теломер, таких как локализация и сайленсинг, менее понятно. В то время как большинство организмов имеет простые повторы на концах своих хромосом и использует их для элонгации и кэпинга, некоторые организмы вроде D. melanogaster умудряются выживать без таких теломерных последовательностей. Очевидно, что существуют иные структуры и механизмы, выполняющие те же функции. Мы только начинаем понимать особенности поведения теломер. Хотя простой концевой повтор может быть важен для теломерного эффекта положения в дрожжах, аналогичный эффект положения наблюдается у D. melanogaster без этих повторов. Еще предстоит выяснить, не является ли Drosophila и здесь исключением. Но даже если и так, это расширит наше понимание того, что же такое теломера.

Теломеры сложны структурно и функционально. Они состоят из набора простых повторов ДНК на самом конце хромосомы , с более сложным набором примыкающих повторов. Обнаружено значительное число белков, связывающихся с ДНК теломерных повторов или с их белковыми комплексами, формирующимися на концах хромосом. Теломеры имеют тенденцию образовывать ассоциаты друг с другом. Эти ассоциаты вовлечены в формирование ядерных доменов, которые могут быть важны для регуляции транскрипции, спаривания сестринских хроматид при митозе и для гомологичного синапсиса при мейозе. Теломерные концы хромосом не влияют на ход клеточного цикла и не подвергаются репарации ДНК в отличие от разорванных концов хромосом. Теломеры также обеспечивают особый механизм введения дополнительных копий теломерной ДНК к концам хромосом. Это необходимо для компенсации потери последовательностей ДНК с концов хромосом вследствие неполной репликации их ДНК . Компоненты этого процесса и сам процесс охарактеризованы более детально, тогда как другие функции теломер менее понятны, но являются предметом активных исследований.

Ссылки:

Все ссылки