Теломеры и проблема концевой репликации

Почему концы линейных хромосом не могут быть полностью скопированы обычным репликационным аппаратом, и как теломеры и фермент теломераза решают эту проблему.

Definition

Проблема концевой репликации — это неспособность обычных ДНК-полимераз полностью реплицировать 5'-концы линейных хромосом; теломеры — это повторяющиеся ДНК-белковые «колпачки» на концах хромосом, а теломераза — это рибонуклеопротеиновая обратная транскриптаза, которая удлиняет их, чтобы компенсировать эту потерю.

Scope

Эта тема охватывает структурное и ферментативное решение проблемы репликации концов линейных эукариотических хромосом. В ней рассматривается проблема концевой репликации, возникающая из-за удаления праймера на 5'-конце отстающей цепи, повторяющаяся структура теломер, действие обратной транскриптазы теломеразы и последствия укорочения теломер для репликативной способности клеток. Более широкие связи со старением и раком отмечаются только как значимость.

Core questions

• Почему обычные полимеразы не могут копировать самые концы линейной хромосомы?
• Какова структура теломеры и как она защищает конец хромосомы?
• Как теломераза добавляет теломерные повторы и почему она использует РНК-матрицу?
• Каковы последствия, когда теломеры становятся слишком короткими?

Key theories

Проблема концевой репликации

Удаление концевого РНК-праймера на отстающей цепи оставляет пробел, который не может быть заполнен, поэтому без компенсирующего механизма линейная хромосома будет укорачиваться с каждым раундом репликации.

Теломераза как самоматричная обратная транскриптаза

Теломераза содержит собственную РНК-субъединицу в качестве матрицы и использует активность обратной транскриптазы для добавления теломерных повторов к концам хромосом, восполняя последовательность, потерянную во время репликации.

Mechanisms

На отстающей цепи наиболее дистальный РНК-праймер не может быть заменен ДНК после удаления, что приводит к образованию короткого одноцепочечного 3'-выступа и чистой потере концевой последовательности. Теломеры компенсируют эту потерю тандемными повторами, связанными защитными белками, которые предотвращают интерпретацию концов как разрывов. В клетках, экспрессирующих теломеразу, внутренняя РНК-матрица фермента спаривается с выступом и направляет добавление дальнейших повторов, после чего обычный аппарат заполняет комплементарную цепь; при отсутствии теломеразы теломеры прогрессивно укорачиваются.

Clinical relevance

Укорочение теломер ограничивает репликативный срок жизни многих соматических клеток, в то время как реактивация теломеразы является общей чертой раковых заболеваний; эти связи представлены как биологическая значимость, а не как клиническое или диагностическое руководство.

History

Блэкберн и коллеги охарактеризовали теломерные повторы, а Грайдер и Блэкберн идентифицировали активность теломеразы в 1985 году; вместе с генетической работой Шостака это установило, как поддерживаются концы хромосом, что было отмечено Нобелевской премией по физиологии или медицине 2009 года.

Key figures

• Elizabeth Blackburn
• Carol Greider
• Jack Szostak

Seminal works

• greider1985
• alberts2014

Frequently asked questions

Почему хромосомы укорачиваются при каждом делении?

Репликационный аппарат не может заменить последний праймер на отстающей цепи, поэтому небольшое количество концевой ДНК теряется в каждом раунде, если теломераза не восполняет ее.

Что делает теломераза?

Это фермент, который добавляет повторяющуюся теломерную ДНК к концам хромосом, используя собственную РНК в качестве матрицы, компенсируя потерю из-за неполной концевой репликации.