Реплікація теломерних відділів днк Основні уявлення Суть проблеми кінцевої недореплікації
Уперше цю проблему сформулював А. М. Оловніков в 1971 р. Причому проблема відноситься тільки до лінійної ДНК.
Справа в тому, що ДНК полімеразна система, описана вище, залишає недореплікованими 3'- кінці материнських ланцюгів ДНК, тобто нові ланцюги виявляються укороченими (при дії тільки цієї системи) з 5 '- кінців.
Це показано на мал. 1.16.
У кожному новому ланцюзі фрагмент Оказаки, що знаходиться біля 5'- кінця, як і зазвичай, починається з короткої РНК-приманки, яка (теж як завжди) потім видаляється спеціальною нуклеазою.
Але забудувати дезоксинуклеотидами "пролом", що утворюється, не може, оскільки будь-яка з ДНК-полімераз, як вже відзначалося, не здатна діяти "з нуля", а лише подовжує 3'-кінець вже наявного полінуклеотиду. Тут же такого кінца просто немає, чому і виходить, що новий ланцюг має бути дещо коротшим за старий.
Подібні кінці ДНК (де один ланцюг довший за інший) називають гострими, або оверхенгами.
Але, у свою чергу, гострі кінці навряд чи стабільні: вони, мабуть, атакуються екзонуклеазами, які понуклеотидно "відстригають" виступаючі одноланцюгові ділянки. Кінці ДНК стають "тупими". Хоча, за іншими даними, у людській молекулі ДНК зберігаються гострі кінці.
Як би то не було, за відсутності теломерази поділ клітини призводить до укорочення хромосом. З двох дочірніх хромосом одна коротша, ніж початкова, з однією теломерою, а друга - з протилежною.
Можна було б думати, що укорочення молекули ДНК, відповідно до довжини РНК-приманки, складає 10-15 нуклеотидних пар. Проте в реальності воно помітно більше (близько 50-65 н. п.). Ймовірно, це пов'язано з просторовими розмірами ДНК полімеразного комплексу: для його ефективного зв'язування при синтезі чергового фрагмента Оказаки необхідна ділянка батьківського ланцюга в декілька десятків нуклеотидів.
Середня кількість нуклеотидних пар в одній молекулі ядерної ДНК у людини - 120 млн. Таким чином, укорочення ДНК за відсутності теломерази складає за один клітинний поділ всього біля 0,00005 %. Здавалося б, це дуже мало.
Але якби в природі був зовсім відсутній механізм відновлення довжини теломер, то через осяжну кількість клітнних поділів хромосоми взагалі б зникли.
Таким чином, проблема кінцевої недореплікації хромосом має велике біологічне значення. Але виявляється, що вона прямо пов'язана і з такими "вічними" темами, як старіння і канцерогенез (про що буде сказано пізніше).
Буферні теломерні послідовності
В клітині вирішується проблема кінцевої недореплікації двома способами.
Один полягає в розташуванні на кінцях хромосомної ДНК спеціальних гексануклеотидних послідовностей, які не несуть генетичної інформації:
(5´) ЦТААЦЦ .. ЦТААЦЦ- - ГГТТАГ- -.ГГТТАГ (3´)
(3´) ГАТТГГ- - ГАТТГГ -ЦЦААТЦ-.. -ЦЦААТЦ (5´)
Неважко побачити, що ця схема виводить із структури лише один гексануклеотид:
(5´) ГГТТАГ (3´).
Його численні повтори розташовуються у 3´-кінца кожного ланцюга ДНК.
По складу цих повторів в кожній теломерній області ДНК розрізняють G- (чи Г -) ланцюг і С- (Ц- ) ланцюг. Очевидно, один і той же ланцюг ДНК в одній теломерній області виступає як G- ланцюг, а в іншій теломерній області - як С-ланцюг.
Всього теломерні відділи ДНК включають тисячі вказаних теломерних повторів. Їх загальна протяжність на одному кінці ДНК складає в клітинах ембріона людини 10-15 тисяч нуклеотидних пар. Таким чином, на обидві теломерні області доводиться близько 0,02 % від середньої довжини молекули ядерної ДНК людини (120 млн н. п.). У мишей теломерні послідовності довші - близько 100 тисяч н. п.
Як вже було сказано, теломерні повтори не несуть генетичної інформації. Тому якщо у відсутність теломерази відбувається втрата деякої частини цих повторів, це відображаеться на функціонуванні генома. У цьому-то і полягає, мабуть, основна роль теломер: своїм існуванням вони запобігають від недореплікації більш значущі області ДНК, тобто виконують роль своєрідного буфера.
Подовження теломер за допомогою теломерази
Але зовсім обійтися без теломерази все одно не можна, оскільку в процесі клітинних поділів теломерні ділянки ДНК рано чи пізно можуть закінчитися. Крім того, про що ми скажемо нижче, теломерні ділянки мають і ряд спеціальних функцій, тому їх укорочення допустиме лише до деякої межі.
Тому другий очевидний спосіб розв'язати проблему - в усіх клітинах або тільки в початкових клітинах (зародкових, стовбурових і тому подібне) добудовувати недорепліковані ділянки ДНК. Цим-то і займається теломераза.
Але принцип її дії надзвичайно дотепний (якщо такий термін можна застосувати до біологічного явища). Теломераза подовжує не новий, укорочений, ланцюг, а старий - більший за довжиною (мал. 1.17). (Це відбувається до того, як екзонуклеази вспівають "підрівняти" старий ланцюг під розмір нової.)
До 3'- кінця старого (батьківського) ланцюга теломераза послідовно пристроює декілька десятків або сотень вказаних вище повторів - ГГТТАГ. Можна сказати, теломераза подовжує G-ланцюг тієї або іншої теломери.
Після чого значно подовжений старий ланцюг стає здатним виступати матрицею для утворення ще одного фрагмента Оказаки нового ланцюга (що є, очевидно, G-ланцюгом). Це відбувається практично так само, як описувалось вище.
Спочатку в районі 3 '- кінця старого ланцюга праймаза синтезує РНК-приманку, а потім ДНК-полимераза β послідовно приєднує до приманки дезоксинуклеотиди - комплементарні теломерним повторам старого ланцюга.
Зростання фрагмента відбувається в звичайному напрямі (5´→3') і припиняється після досягнення стику з колишнім 5'- кінцем нового ланцюга. "Зшивання" фрагмента з ланцюгом здійснюється (теж як завжди) ДНК-лігазою. Нарешті, екзонуклеаза видаляє РНК-приманку на новому ланцюзі.
У результаті кінець дволанцюгової ДНК набуває ту ж конфігурацію, що і до дії теломерази (новий ланцюг трохи коротший за старий), але стає довшим на серію теломерних повторів.
Такий основний спосіб відновлення довжини теломер, спостерігається практично у всіх досліджених організмів.
Механізм ALT
Але іноді можуть зустрічатися і так звані альтернативні механізми подовження теломер (ALT - Alternative Lengthening of Telomeres): вони обходяться без теломерази. Мабуть, ALT реалізується у дрозофилы, а також в лініях деяких пухлинних клітин.
Зокрема, один з таких механізмів - рекомбінація між теломерними ділянками різних хромосом (мал. 1.18).
В цьому випадку дві молекули ДНК взаємодіють своїми теломерними кінцями, утворюючи гібридні теломери. У останніх ланцюг від однієї ДНК має бути істотно довшим, ніж ланцюг від другої ДНК.
Тоді довший ланцюг служить матрицею, по якій ДНК-полімеразна система добудовує коротший ланцюг. У одній з двох гібридних теломер зростаючий ланцюг є лідиручим (росте шляхом простого подовження), а в другій теломері - запізнюючим (росте з протилежного кінця у вигляді фрагмента Оказаки).
Після закінчення процесу або відновлюється негібридна структура теломер (як показано на мал. 1.18), або молекули ДНК обмінюються теломерними фрагментами відповідних ланцюгів. Таким чином, в немейотичній клітині відбуваються (хоча і в обмеженій мірі) явища, характерні для мейозу.
Проте в цілому роль подібних альтернативних механизмів все ж невелика.