Репликационное укорочение хромосом

Механизм репликации хромосомных ДНК был рассмотрен в §8.1, с. 673-678. Напомним только, что при образовании репликационной вилки (рис. 9-25) синтезируются две дочерних цепи: лидирующая и запаздывающая. ДНК-полимераза прочитывает родительскую цепь всегда в направлении от 3´-конца к 5´-концу. Поэтому комплементарная дочерняя лидирующая цепь синтезируется в направлении 5´→3´ (на рис. 9–25 слева направо), начиная с короткой РНК-затравки (РНК-праймера), комплементарной родительской цепи.

Рис. 9–25. Репликация ДНК с образованием двух дочерних хромосом: (1) на лидирующей цепи и (2) на запаздывающей цепи. После удаления праймеров на 5´-концах синтезированных цепей, хромосома (1) оказывается укороченной, а (2) –равной по длине исходной хромосоме

Запаздывающая цепь синтезируется справа налево, также в направлении 5´→3´. При ее синтезе образуется последовательность участков, разделенных праймерами. После окончания синтеза молекулы ДНК, РНК–праймеры удаляются, а пропуски в дочерних цепях заполняются последовательностями нуклеотидов, комплементарных родительским цепям, с помощью ДНК–полимеразы. Исключение составляют начальные участки на 5´-концах, которые не заполняются ДНК-полимеразой. Таким образом, при каждом делении происходит краевая недорепликация, приводящая к укорочению линейных цепей ДНК за счет краевых 5´-теломерных участков. Поэтому, если предположить, что у родительской ДНК однотяжевый участок отсутствует и обе спирали имеют одинаковую длину, то уже после первого удвоения у дочерних хромосом возникает асимметрия правого и левого концов в результате образования однотяжевых участков: на лидирующей цепи слева, а на запаздывающей – справа (см. рис. 9–25).

Было установлено, что теломеры нормальных, дифференцированных клеток укорачиваются при каждом делении на 50–60 нуклеотидных звеньев. Так как теломеры не содержат генов, то генетический код в молекуле ДНК полностью сохраняется. Однако укорочение теломерных участков до критически малых размеров приводит к слипанию хромосом и гибели клеток. Укорочение теломеров при каждой репликации, может рассматриваться как часовой механизм (биологические часы), который определяет предельно возможное время жизни клетки.

Рассмотрим сначала процесс деления клеток в клеточных культурах in vitro (в пробирке). Четыре последовательных цикла деления хромосомы одной клетки схематически показаны на рис. 9–26. Видно, что при каждом цикле деления не все хромосомы укорачиваются одинаково. Обозначим длину исходной хромосомы некоторой длиной (0-длиной). Если в результате нескольких циклов деления длинная цепь ДНК укоротилась на длину n праймеров, то образуется хромосома n-длины, то есть n раз претерпевшую укорочение исходной хромосомы:

n-длина = 0-длина – nL_n, где L_n – средняя длина праймера.

Рис. 9–26. Четыре последовательных деления (число делений указано римской цифрой в кружке) хромосомы в культуре. Цифры указывают количество n укорочений в хромосомах в процессе деления по сравнению с исходной

График числа хромосом, имеющих n-длину, полученных в результате 3 – 6 делений одной исходной хромосомы представлен на рис. 9–27 . Гистограммы распределения числа хромосом по степени укорочения n для всех последовательных циклов деления имеют вид колоколообразных кривых. При увеличении числа циклов деления максимумы гистограмм, соответствующие средним значениям числа укорочений для каждого числа делений, смещаются в область бо́льших значений n. На рис. 9–27. для 3, 4, 5 и 6 циклов деления, соответственно. Таким образом, в культуре в любой момент времени имеются хромосомы с различными степенями укорочения: от 0 до максимальной, равной числу делений.

Рис. 9–27. Гистограммы распределения хромосом в зависимости от степени укорочения при 3-х, 4-х, 5-и и 6-и делениях одной исходной хромосомы. n – число укорочений. Максимумы гистограмм соответствуют средним значениям числа укорочений

В отличие от деления клеток в питательной среде, у живых организмов клетки делятся при возникновении необходимости: роста органа или гибели соседних клеток. Процесс деления контролируется специальными системами. С течением времени в каждом органе человека появляется все больше и больше клеток с укороченными теломерами. Когда число клеток, достигших лимита Хайфлика, превышает некоторое критическое значение, гибель этих клеток приводит к гибели соответствующего органа и всего организма. Этот процесс можно рассматривать как естественную смерть.