РЕПЛИКАЦИЯ ТЕЛОМЕРНЫХ ОТДЕЛОВ ДНК - Студенческий научный форум

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

РЕПЛИКАЦИЯ ТЕЛОМЕРНЫХ ОТДЕЛОВ ДНК

Сидякина А.П. 1
1ФГБОУ ВО Тюменский ГМУ Минздрава России
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Вся информация о строении и функционировании любого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале, основу которого у подавляющего числа организмов составляет ДНК. Роль ДНК заключается в хранении и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах. Чтобы эта информация могла передаваться от одного поколения клеток (и организмов) к другому, необходимо её точное копирование и последующее распределение её копий между потомками. Процесс, с помощью которого создаются копии молекулы ДНК, называется репликацией. Реплика́ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15—20 различных белков, называемый реплисомой.

Клетки, растущие в культуре, могут делиться только определённое число раз, после чего переходят в стадию старения. Такие клетки характеризуются снижением интенсивности энергообмена, замедлением синтеза РНК и белков, понижением эффективности репарации ДНК и накоплением мутаций. Часто наблюдается разбалансировка клеточной регуляции. Признаками клеточного старения считаются накопление специфического гликолипопротеида липофусцина и активация бета-галактозидазы. Стареющие клетки могут долгое время оставаться жизнеспособными. Нередко после остановки деления и торможения клеточного цикла у них не наступает программируемой клеточной гибели. Обычно они уничтожаются клетками иммунной системы. С возрастом в организме происходит накопление старых клеток, вероятно, вследствие ухудшения выполнения иммунной системой своих функций. Клеточное старение — явление, которое обычно связывают с потерей способности клетки к делению. Этот процесс также называется репликативным старением (снижение функциональной активности клеток по мере увеличения их возраста).

Стареющие клетки могут оказывать влияние как на соседние клетки, так и на весь организм, выделяя определённые сигнальные молекулы. Влияние это разнообразно, изучено недостаточно и, в общем, скорее отрицательно. Похоже, что клеточное старение является одним из механизмов старения организма.

ДНК-полимераза не может начинать цепочку ДНК, для этого существует фермент праймаза, который на матрице ДНК синтезирует РНК-фрагмент (праймер, 10-20 нуклеотидов), от 3'-конца которого начинает работать ДНК-полимераза. Праймер затем удаляется, а это место достраивается ДНК-полимеразой следующего по счету фрагмента Оказаки.

На конце хромосомы у последнего фрагмента Оказаки нет «следующего», поэтому некому достроить ДНК на пустом месте, получившемся после удаления праймера. Поэтому после каждой репликации у дочерних хромосом укорачиваются оба 5'-конца (концевая недорепликация).

На концах хромосом имеются участки, не несущие наследственной информации – теломеры. Их укорочение не приносит вреда; у человека они рассчитаны примерно на 60 репликаций. Больше 60 раз (число Хейфлика) клетки человека поделиться не могут, поскольку концевая недорепликация начинает затрагивать гены.

Стволовые клетки (в коже, красном костном мозге, семенниках) должны делиться гораздо больше, чем 60 раз. Поэтому в них функционирует фермент теломераза, который после каждой репликации удлиняет теломеры.

Теломераза удлиняет выступающий 3'-конец ДНК, так что он увеличивается до размера фрагмента Оказаки. После этого праймаза синтезирует на нем праймер, и ДНК-полимераза удлиняет недореплицированный 5'-конец ДНК.

Теломеры — 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.

В клетках человека теломеры обычно представлены одноцепочечной ДНК и состоят из несколько тысяч повторяющихся единиц последовательности ТТАГГГ. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом, формируя очень необычные структуры, называемые

G-квадруплексами и состоящие из четырёх, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуаниновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированием в центре неё иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом.

Теломерная ДНК имеет определенный состав, а для поддержания ее длины, как правило, используется специальный фермент — теломераза.

Нуклеотидная структура теломерных последовательностей ДНК нам уже известна. Более высокие уровни организации образуются за счет специфических белков. Благодаря этим белкам, теломеры имеют плотную упаковку, т. е. относятся к фракции гетерохроматина. С помощью теломерных белков теломеры крепятся к компонентам ядерного матрикса, в т. ч., возможно, к ядерной ламине.

Полагают также, что теломерная ДНК образует несколько петель (в виде «лепестков ромашки»), фиксированных на матриксе; и по мере укорочения теломер число «лепестков» постепенно уменьшается.

Функции теломер:

  • механические: теломеры участвуют в фиксации хромосом к ядерному матриксу. Это важно для правильной ориентации хромосом в ядре, и данное обстоятельство особенно проявляется в мейозе;

  • стабилизационные: в присутствии теломеразы к местам разрыва присоединяется теломерная ДНК. Это стабилизирует хромосомные фрагменты и позволяет им функционировать;

  • отсчет количества клеточных делений: отсчитывает количество делений клетки после исчезновения теломеразной активности.

У человека длина теломерной ДНК обычно убывает за год на 15-65 пар нук­леотидов. Значительное сокращение длины теломер (достижение критического уровня, при котором клетка неспособна делиться) запус­кает процессы клеточного старения и резко снижает способность тканей к регенерации. Такое положение дел типично также для для пациентов группы риска в отношении атеросклероза, гипертонии, сердечно-сосудистых и инфекционных заболеваний, диабета, метаболического синдрома, болезни Альцгеймера и некоторых других патологий. Длина теломер (у человека ее часто определяют в лейкоцитах) может служить полезным маркером общего статуса старения организма, а удлинение теломер может коррелировать, согласно первым клиническим наблюдениям, с процессами клеточного омоложения в организме. В одном из исследований Тима Спектора было показано, что курение, избыточный вес и социо-эконо­мический статус также оказывают влияние на длину теломер и продолжительность жизни.

Результаты другого исследования Спектора показали, что длина теломер у физически активных участников исследования была на 200 п.н. длиннее, чем у малоподвижных. Можно сделать вывод, что для предотвращения старения клеток важно поддерживать организм в тонусе с помощью физических упражнений и ведения здорового образа жизни. Исследования, проводимые компанией THINC , показали, что условия, связанные с психологическими нагрузками, в том числе, стрессы, депрессии, тревоги, могут влиять на сокращение длины теломер. До сих пор до конца не ясно, как именно стресс укорачивает теломеры.

В 1961 г. Хейфлик и Мурхиад показали, что культура соматических клеток имеет ограниченный период жизни (предел Хейфлика). В 1973 г. Оловников предположил, что возможное число делений клетки определяется укорачиванием концов хромосом - теломер, играющих роль «клеточных часов». Теломеры защищают геном клетки от деградации, участвуют в мейотическом спаривании хромосом и регуляции транскрипции генов прителомерной области. В клетках, способных размножаться бесконечно (бессмертных), существует механизм, компенсирующий укорачивание теломер. В 1985 г. Блекберн и Грейдер открыли теломеразу - фермент, удлиняющий одну из цепей теломеры. Теломераза представляет собой РНК- белковый комплекс, основные компоненты которого - РНК-матрица для синтеза теломер (TERC), выполняющая также структурную функцию, и обратная транскриптаза (TERT).

Активность теломеразы рассматривается как потенциальный маркер физиологического резерва организма: длительность активного функционирования клетки, пролиферативного потенциала, а длину теломер – «клеточными часами», ограничивающими число возможных делений клетки. Физические нагрузки приводят к увеличению активности теломеразы и количества теломеразной обратной транскриптазы и белка TRF в миокарде, лейкоцитах и эндотелиальных клетках и к предотвращению укорочения теломер в них. При миопатическом синдроме у спортсменов, сопровождающимся усталостью, средняя длина теломер в мышцах спортсменов меньше, чем у здоровых спортсменов, при этом у некоторых индивидов наблюдались экстремально короткие теломеры, что может объясняться повышенной частотой регенерации мышц у интенсивно тренирующихся спортсменов. Было установлено, что физические нагрузки силового характера также приводят к незначительному укорочению теломер в скелетных мышцах индивидов. Одним из открытых вопросов на сегодня остается поиск биологических маркеров эффективности тренировок. Изменения теломеразной активности можно рассматривать как маркер пролиферативного потенциала, что отражается на эффективности тренировок. Другой очень важной проблемой является оценка предела, до которого можно увеличивать интенсивность нагрузок, в частности, чтобы не возникало синдрома перетренированности. С целью поиска таких показателей предлагается оценка средней длины теломер в скелетных мышцах, поскольку именно теломеры определяют резерв числа делений клеток. Таким образом, применение данных о теломеразной активности и длине теломер с целью определения физиологического резерва позволяет значительно повысить эффективность подготовки спортсменов.

Просмотров работы: 1145