Старение на клеточном уровне
специальной теломерной ДНК позволяет решить так называемую проблему
концевой недорепликации ДНК.
Теломерная ДНК (рис. 3,4) попала в поле зрения молекулярных биологов
сравнительно недавно, когда были разработаны эффективные методы определения
последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Первыми объектами
исследования были одноклеточные простейшие (ресничная инфузория
тетрахимена, в частности), поскольку из-за особенностей строения ядерного и
хромосомного аппарата они содержат несколько десятков тысяч очень мелких
хромосом и, следовательно, множество теломер в одной клетке (для сравнения:
у высших эукариот на клетку приходится менее ста теломер).
Многократно повторяющиеся блоки в теломерной ДНК простейших состоят
всего лишь из шести—восьми нуклеотидных остатков. При этом одна цепь ДНК
сильно обогащена остатками гуаниловой кислоты (G-богатая цепь; у
тетрахимены она построена из блоков TTGGGG (2 тимин- 4 гуанин)), а
комплементарная ей цепь ДНК соответственно обогащена остатками цитидиловой
кислоты (С-богатая цепь).
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 (2 тимин-аденин-3 гуанин), 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 (3 тимин-аденин-3 гуанин). 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, речь о которых шла выше. Правда, из этого общего правила есть
редкие исключения. Наиболее известное из них — теломерная ДНК плодовой мухи
дрозофилы. Она представлена не короткими повторами, а ретротранспозонами —
подвижными генетическими элементами.
Очень важная характеристика теломерных ДНК — их длина. У человека она
колеблется от 2 до 20 тыс. пар оснований (т.п.о.), а у некоторых видов
мышей может достигать сотен т.п.о.
Известно, что около теломер есть специальные белки, обеспечивающие их
работу и участвующие в построении теломер. Доказано, что для нормального
функционирования каждая линейная ДНК должна иметь две теломеры: по одной
теломере на каждый конец.
Концевая недорепликация ДНК.
Известно, что 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
(рис. 5). Кроме того, 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.
Этим-то и объясняется «лимит Хейфлика», так как после того, как длина
теломерной ДНК становится угрожающе низкой, наступает период кризиса —
неспособности клетки к дальнейшему делению, а затем и её смерть. Хотя в
культурах клеток in vitro клетки и погибают от укорочения теломер, но для
клеток in vivo нормального организма это практически невозможно. Так,
согласно недавним наблюдениям Озавы (см. Ozawa, T., Biosci. Rep. (1997) in
press) 89% митохондриальной ДНК в митохондриях сердца 97-летнего старика
содержали обширные делеции, критичные для репликации и транскрипции. Тем не
менее, этот человек умер не от сердечной недостаточности, а от рака
желудка. Нетрудно представить себе, что дальнейшее нарастание дисфункции
митохондриальной ДНК всё же привело бы старика в недалёком будущем к смерти
и это вряд ли имело отношение к укорочению ядерной ДНК.
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. 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 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.
Как работает теломераза.
Итак, основное назначение теломеразы — синтезировать повторяющиеся
сегменты ДНК, из которых состоит G-цепь теломерной ДНК. Таким образом, она
относится к классу ДНК-полимераз, причем оказалось, что теломераза — это
РНК-зависимая ДНК-полимераза или обратная транскриптаза. Ферменты этого
класса, синтезирующие ДНК на РНК-матрицах, очень хорошо известны
молекулярным биологам. Они закодированы и содержатся в ретровирусах
(например, в вирусе иммунодефицита человека, вызывающем заболевание СПИДом)
и служат для синтеза ДНК-копий их геномов, который в ретровирусе
представлен РНК. В клеточном геноме обратные транскриптазы закодированы в
ретротранспозонах.
РНК, используемая теломеразой для синтеза теломерной ДНК в качестве
матрицы, входит в состав этого фермента. В этом уникальность теломеразы: на
сегодня это единственная известная РНК-содержащая обратная
транскриптаза. Теломеразные РНК у разных организмов сильно различаются по
длине и структуре. Теломеразы простейших содержат РНК длиной в 150—200
нуклеотидных остатков (н.о.), длина теломеразной РНК человека — 450 н.о., в
то время как теломераза дрожжей содержит аномально длинную РНК (около 1300
н. о.).
Матричный участок представлен в теломеразной РНК только один раз. Его
длина не превышает длину двух повторов в теломерной ДНК, которые он
кодирует и которым он комплементарен.
Так как теломераза синтезирует сегменты ДНК, повторяющиеся много раз,
используя только один сегмент своей РНК, она должна обладать способностью
периодически (после завершения синтеза каждого повтора) перемещать
(транслоцировать) матричный участок в район 3'-конца синтезируемой
теломерной ДНК. Источником энергии для такого перемещения, по-видимому,
служит сама реакция синтеза цепи теломерной ДНК, поскольку
дезоксинуклеозидтрифосфаты — субстраты этой реакции — высокоэнергетические
вещества.
На рис. 6 изображена общепринятая схема механизма синтеза теломерных
повторов, катализируемого теломеразой. На первой стадии теломераза находит
3'-конец теломерной ДНК, с которым часть матричного участка теломеразной
РНК образует комплементарный комплекс. При этом теломераза использует 3'-
конец хромосомной ДНК в качестве праймера. Далее наступает очередь РНК-
зависимой ДНК-полимеразной активности теломеразы. Она обеспечивается
специальной субъединицей теломеразы, которая по устройству своего
каталитического центра во многом сходна с обратными транскриптазами
ретровирусов и ретротранспозонов. Когда синтез ДНК-повтора заканчивается,
происходит транслокация, то есть перемещение матрицы и белковых субъединиц
фермента на заново синтезированный конец теломерной ДНК, и весь цикл
повторяется вновь.
Это схематичное представление является весьма условным, так как для
построения теломер требуется еще много субъединиц, например, отвечающих за
