Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 17

Урок 3: Репликация на ДНК

Теломери и теломераза

Теломерите като защитни "шапки" на върховете на еукариотните хромозоми. Как теломеразата разширява теломерите.

Въведение

Ако можеше да разгледаш някоя от своите хромозоми под голямо увеличение, какво щеше да видиш в нейните краища? Вероятно очакваш там да откриеш гени, или може би някоя ДНК последователност, отговорна за генната регулация. Но вместо това там се намира една-единствена кратка последователност: ТТАГГГ, повторена стотици и дори хиляди пъти.

Повтарящите се региони в самите краища на хромозомите се наричат теломери и такива се намират в множество еукариотни организми, от човешките същества до едноклетъчни протисти. Теломерите действат като своеобразни „капачки“, които предпазват вътрешните региони на хромозомите. При всеки цикъл на ДНК репликация теломерите се износват по малко.

В тази статия ще разгледаме по-отблизо защо са необходими теломерите, защо те се скъсяват по време на репликация на ДНК и как ензимът теломераза може да бъде използван за удължаването им.

Проблемът с репликацията на краищата

За разлика от хромозомите на бактериите, хромозомите на еукариотите са линейни (подобни на пръчки), което означава, че имат краища. Тези краища представляват проблем за ДНК репликацията. ДНК в самия край на хромозомата не може да бъде напълно копирана при всеки кръг на репликация, което бавно води до постепенно скъсяване на хромозомата.

Защо това е така? Когато ДНК се копира, една от двете нови нишки ДНК при репликационната вилка се изгражда непрекъснато и се нарича водеща верига. Другата нишка се създава на много малки части, наречени фрагменти на Оказаки, всеки от които започва със свой собствен РНК праймер, и тази верига се нарича изоставаща верига. (Виж статията за ДНК репликация за повече детайли.)

В повечето случаи праймерите на фрагментите на Оказаки могат лесно да бъдат заменени с ДНК и свързаните фрагменти да образуват ненарушена верига. Когато репликационната вилка достигне до края на хромозомата обаче има (при много видове, включително хората) къс участък от ДНК, който не бива покрит от фрагмент на Оказаки – няма начин да започнем фрагмента, понеже праймерът ще падне отвъд края на хромозомата

^{1}

. Също така праймерът на последния фрагмент на Оказаки, който бива изграден, не може да бъде заменен с ДНК като другите праймери.

Като цяло, ДНК полимеразата не може да започне нова верига ДНК от нулата, дори ако ѝ е дадена матрица. Причината е в това, че реакцията на полимеризация, която катализира, включва прикрепяне на фосфатна група на идващ нуклеотид към хидроксилната група на съществуващ нуклеотид (такъв, който вече е част от веригата), както е показано вдясно. Без тази хидроксилна група, която да използва като "кука", ДНК полимеразата няма нищо, към което да прикрепва нуклеотидите, и не може да катализира реакция, в която да се получи нова ДНК.

Повечето праймери, които са начало на фрагменти на Оказаки, могат да бъдат заменени без проблеми. Това е така, понеже хидроксилната група в края на съседния фрагмент на Оказаки може да бъде използвана като начало от ДНК полимеразата, позволявайки ѝ да замени праймера с ДНК. Но в края на хромозомата няма съседен фрагмент на Оказаки, който да предостави необходимата хидроксилна група, което води до непълна репликация на края на хромозомата.

Поради всички тези проблеми част от ДНК в края на една еукариотна хромозома остава некопирана във всеки кръг на репликация, при което остава едноверижен участък. В течение на голям брой кръгове на клетъчно делене хромозомата става все по-къса при повторението на този процес.

Една реална еукариотна хромозома ще има множество начала на репликация и множество репликационни балончета, но проблемът с репликацията на края на молекулата би бил същият като този, показан по-горе. Изображение, модифицирано от "Скъсяване на теломерите," от Zlir'a, публичен домейн.

В последния панел от диаграмата по-горе краят на водещата верига на хромозомата е показан като изтъпен (без провисваща едноверижна част). Въпреки че краят на водещата верига е, всъщност, начално изтъпен, по-късно бива обработен от ензими в клетката, което произвежда провисване от около

30

базови двойки

^{1}

Произвеждането на това провисване е важно за защитата на края на хромозомата, както е обсъдено в раздела по-долу. Това също допринася за прогресивното скъсяване на теломерите след множество кръгове на клетъчно делене.

В човешките клетки последният РНК праймер на изоставащата верига може да е позициониран на

70

до

100

нуклеотида от края на хромозомата

^{2}

. Следователно едноверижните участъци в краищата, получени при непълна репликация в края на човешките хромозоми, са доста дълги и хромозомата се скъсява значително във всеки кръг от клетъчно делене.

Теломери

За предотвратяване на загубата на гени при износването на краищата на хромозомите, в краищата на еукариотните хромозоми има специализирани ДНК "шапки", наречени теломери. Теломерите се състоят от стотици или хиляди повторения на една и съща къса ДНК последователност, която е различна в различните организми. При човека и някои бозайници тази повтаряща се последователност е 5'-ТТАГГГ-3'.

Теломерите трябва да бъдат защитени от клетъчната система за поправка на ДНК, понеже те имат едноверижни участъци (провисвания), които "изглеждат като" увредена ДНК. Провисването на края на изоставащата верига на хромозомата се дължи на непълната репликация на края (виж фигурата по-горе). Провисването на края на водещата верига на хромозомата се генерира от ензими, които отрязват част от ДНК

^{1}

При някои видове (включително хората) едноверижните провисвания се свързват с комплементарни повторения в близката двойноверижна ДНК, поради което теломерните краища образуват защитни кръгове

^{3}

. Протеини, свързани с краищата на теломерите, също помагат за тяхната защита и предотвратяват задействането на механизмите за поправка на ДНК.

Повторенията, които изграждат един теломер, се "изяждат" бавно в течение на много цикли на делене, предоставяйки буфер, който защитава вътрешните области на хромозомите, които носят гените (поне за някакъв период от време). Скъсяването на теломерите е свързано с остаряването на клетките и прогресивната загуба на теломерите може да обясни защо клетките могат да се делят само определен брой пъти

^{4}

Теломераза

Някои клетки имат способността да противодействат на теломеразното скъсяване чрез експресиране на ензима теломераза, който удължава теломерите на хромозомите. Теломеразата е РНК-зависима ДНК полимераза, което означава, че е ензим, който може да произведе ДНК, като използва РНК като матрица.

Как работи теломеразата? Ензимът се прикрепя към специална РНК молекула, която съдържа поредица, комплементарна на повтарящия се участък в теломера. Тя удължава (добавя нуклеотиди към) едноверижния участък ДНК на теломера, използвайки тази комплементарна РНК като матрица. Когато провисването е достатъчно дълго, комплементарната верига може да бъде изградена чрез нормалния механизъм на ДНК репликация (тоест, използване на РНК праймър и ДНК полимераза), при което се получава двойноверижна ДНК.

Праймерът може да не е позициониран точно в края на хромозомата и да не може да бъде заменен с ДНК, така че пак ще има провисване. Но цялостната дължина на теломера ще е по-голяма.

Теломеразата обикновено не е активна в повечето соматични клетки (клетки на тялото), но е активна в половите клетки (клетките, които произвеждат сперматозоидите и яйцеклетките) и някои възрастни стволови клетки. Това са клетъчни видове, които трябва да преминат през много деления, или, в случая с половите клетки, да дадат начало на нов организъм с рестартиране на теломерния "часовник"

^{5}

Интересно, много ракови клетки имат скъсени теломери и в тези клетки теломеразата е активна. Ако теломеразата може да бъде инхибирана чрез лекарства като част от раковата терапия, тяхното прекомерно делене (и, следователно, растежът на раковия тумор) може потенциално да бъде спряно.

Източници

Тази статия е модицифирана производна на "ДНК репликация при еукариотите," от OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.53.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Chow, T. T., Zhao, Y., Mak, S. S., Shay, J. W., and Wright, W. E. (2012). Early and late steps in telomere overhang processing in normal human cells: The position of the final RNA primer drives telomere shortening. Genes Dev., 26(11), 1168. http://dx.doi.org/10.1101/gad.187211.112.
Chow, T. T., Zhao, Y., Mak, S. S., Shay, J. W., and Wright, W. E. (2012). Early and late steps in telomere overhang processing in normal human cells: The position of the final RNA primer drives telomere shortening. Genes Dev., 26(11), 1167.
Vega, L. R., Mateyak, M. K., and Zakian, V. A. (2003). Getting to the end: Telomerase access in yeast and humans. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 4, 951. http://dx.doi.org/10.1038/nrm1256.
Bartlett, Z. (2014, November 14). The Hayflick limit. In The embryo project encyclopedia. Retrieved from https://embryo.asu.edu/pages/hayflick-limit.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Shortening of the ends of linear DNA molecules. In Campbell biology (10th ed., p. 327). San Francisco, CA: Pearson.

Допълнителни източници:

Bartlett, Z. (2014, November 14). The Hayflick limit. In The embryo project encyclopedia. Retrieved from https://embryo.asu.edu/pages/hayflick-limit.

Bonetti, D., Martina, M. Falcettoni, M., and Longhese, M. P. (2014). Telomere-end processing: Mechanisms and regulation. Chromosoma, 123, 57-66. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24122006.

Chow, T. T., Zhao, Y., Mak, S. S., Shay, J. W., and Wright, W. E. (2012). Early and late steps in telomere overhang processing in normal human cells: The position of the final RNA primer drives telomere shortening. Genes Dev., 26(11), 1167-1178. http://dx.doi.org/10.1101/gad.187211.112.

Cong, Y.-S., Wright, W. E., and Shay, J .W. (2002). Human telomerase and its regulation. Microibol. Mol. Biol. Rev., 66(3), 407-425. http://dx.doi.org/10.1128/MMBR.66.3.407-425.2002.

Cooper, G.M. (2000). Telomeres. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9863/#_A634_.

Davis, G. T. (2010, February 22). Forming telomeres in Tetrahymena. Retrieved from http://facstaff.bloomu.edu/gdavis/telomerase.jpg.

Eskandari-Nasab, E., Dahmardeh, F., Rezaeifar, A., and Dahmardeh, T. (2015). Telomere and telomerase: From discovery to cancer treatment. Gene, Cell, and Tissue, 2(3), e28084. http://dx.doi.org/10.17795/gct28084.

Hodes, R. J. (1999). Telomere length, aging, and somatic cell turnover. In J. Exp. Med., 190(2), 153-156. http://dx.doi.org/10.1084/jem.190.2.153.

OpenStax College, Biology. (2015, September 29). DNA replication in eukaryotes. In OpenStax CNX (section 14.5). Retrieved from http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:71/DNA-Replication-in-Eukaryotes.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2004). Telomeres are not fully replicated. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 226-227). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Telomerase. (2016, January 10). Retrieved January 23, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Telomerase.

Telomere. (2016, January 3). Retrieved January 23, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Telomere.

Vega, L. R., Mateyak, M. K., and Zakian, V. A. (2003). Getting to the end: Telomerase access in yeast and humans. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 4, 948-959. http://dx.doi.org/10.1038/nrm1256.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.