Теломераза - Telomerase

Каталитическая субъединица теломеразы Tribolium castaneum , TERT, связана с предполагаемой матрицей РНК и теломерной ДНК (PDB 3KYL )
Концептуальная диаграмма, показывающая белковый компонент теломеразы (TERT) серым цветом и компонент РНК (TR) желтым цветом.

Теломераза , также называемая терминальной трансферазой , представляет собой рибонуклеопротеин, который добавляет зависящую от вида последовательность повтора теломер к 3'- концу теломер . Теломера - это область повторяющихся последовательностей на каждом конце хромосом большинства эукариот . Теломеры защищают конец хромосомы от повреждения ДНК или от слияния с соседними хромосомами. У плодовой мухи Drosophila melanogaster отсутствует теломераза, но вместо этого для поддержания теломер используются ретротранспозоны .

Теломераза представляет собой фермент обратной транскриптазы, который несет свою собственную молекулу РНК (например, с последовательностью 3'- C CC A A U CCC-5 'в Trypanosoma brucei ), которая используется в качестве матрицы при удлинении теломер. Теломераза активна в гаметах и большинстве раковых клеток, но обычно отсутствует или находится на очень низком уровне в большинстве соматических клеток .

История

Существование компенсаторного механизма укорочения теломер было впервые обнаружено советским биологом Алексеем Оловниковым в 1973 году, который также предложил теломерную гипотезу старения и связь теломер с раком.

Теломераза в инфузории Tetrahymena была открыта Кэрол В. Грейдер и Элизабет Блэкберн в 1984 году. Вместе с Джеком В. Шостаком Грейдер и Блэкберн были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2009 года за свое открытие.

Роль теломер и теломеразы в старении клеток и раке была установлена ​​учеными биотехнологической компании Geron с клонированием РНК и каталитических компонентов теломеразы человека и разработкой анализа активности теломеразы на основе полимеразной цепной реакции (ПЦР), называемого TRAP. тест, который исследует активность теломеразы при нескольких типах рака.

В отрицательном пятне электронной микроскопии (ЭМ) структура человек и Tetrahymena теломераз характеризовались в 2013 г. Через два года, первый крио-электронная микроскопия ( крио-ЭМ ) структура теломераза Голоэнзит ( Tetrahymena была определена). В 2018 году структура теломеразы человека была определена с помощью крио-ЭМ учеными Калифорнийского университета в Беркли.

Структура теломеразы человека

Молекулярный состав комплекса теломеразы человека был определен Скоттом Коэном и его командой в Детском медицинском исследовательском институте (Сидней, Австралия) и состоит из двух молекул, каждая из которых состоит из обратной транскриптазы теломеразы человека (TERT), теломеразной РНК (TR или TERC) и дискерин ( DKC1 ). Гены субъединиц теломеразы, к которым относятся TERT, TERC, DKC1 и TEP1, расположены на разных хромосомах. Ген TERT человека (hTERT) транслируется в белок из 1132 аминокислот . TERT полипептид , складывает с (и) несет TERC, а некодирующие РНК (451 нуклеотидов в длину). TERT имеет структуру «рукавицы», которая позволяет ему оборачиваться вокруг хромосомы и добавлять однонитевые теломерные повторы.

TERT - это обратная транскриптаза , представляющая собой класс ферментов, которые создают одноцепочечную ДНК с использованием одноцепочечной РНК в качестве матрицы.

Изображение, показывающее, как теломераза постепенно удлиняет концы теломер.

Белок состоит из четырех консервативных доменов (РНК-связывающий домен (TRBD), пальцы, ладонь и большой палец), организованных в форму кольца «правая рука», которые имеют общие черты с ретровирусными обратными транскриптазами, вирусными РНК-репликазами и ДНК бактериофага B-семейства. полимеразы.

Белки TERT многих эукариот секвенированы.

Механизм

Используя TERC, TERT может добавить повторяющуюся последовательность из шести нуклеотидов, 5'- T TA G GG (у позвоночных последовательность отличается у других организмов) к 3'-цепи хромосом. Эти повторы TTAGGG (с их различными партнерами по связыванию белков) называются теломерами. Матричной областью TERC является 3'-CAAUCCCAAUC-5 '.

Теломераза может связывать первые несколько нуклеотидов матрицы с последней последовательностью теломер на хромосоме, добавлять новую последовательность теломерного повтора (5'-GGTTAG-3 '), отпустить, перестроить новый 3'-конец теломеры на матрицу и повторите процесс. Теломераза меняет укорочение теломер .

Клинические последствия

Старение

Теломераза восстанавливает короткие фрагменты ДНК, известные как теломеры , которые в противном случае укорачиваются, когда клетка делится посредством митоза .

В нормальных условиях, когда теломераза отсутствует, если клетка делится рекурсивно, в какой-то момент потомство достигает своего предела Хейфлика , который, как полагают, составляет от 50 до 70 клеточных делений. На пределе клетки стареют, и деление клеток прекращается. Теломераза позволяет каждому потомству заменять потерянный бит ДНК, позволяя клеточной линии делиться, никогда не достигая предела. Такой же неограниченный рост является признаком ракового роста .

Эмбриональные стволовые клетки экспрессируют теломеразу, что позволяет им многократно делиться и формировать особь. У взрослых теломераза сильно экспрессируется только в клетках, которым необходимо регулярно делиться, особенно в мужских сперматозоидах, но также и в эпидермальных клетках , в активированных Т-клеточных и В-клеточных лимфоцитах , а также в некоторых взрослых стволовых клетках , но в очень большом количестве. в большинстве случаев соматические клетки не экспрессируют теломеразу.

Сравнительное биологическое исследование теломер млекопитающих показало, что длина теломер некоторых видов млекопитающих коррелирует скорее обратно, чем напрямую, с продолжительностью жизни, и пришли к выводу, что вклад длины теломер в продолжительность жизни не определен. Укорочение теломер не происходит с возрастом в некоторых постмитотических тканях, таких как мозг крысы. У людей длина теломер скелетных мышц остается стабильной с 23 до 74 лет. В скелетных мышцах бабуина, которые состоят из полностью дифференцированных постмитотических клеток, менее 3% миоядер содержат поврежденные теломеры, и этот процент не увеличивается с возрастом. Таким образом, укорочение теломер, по-видимому, не является основным фактором старения дифференцированных клеток головного мозга или скелетных мышц. В печени человека холангиоциты и гепатоциты не показывают возрастного укорочения теломер. Другое исследование нашло мало доказательств того, что у людей длина теломер является важным биомаркером нормального старения в отношении важных когнитивных и физических способностей.

Некоторые эксперименты подняли вопросы о том, можно ли использовать теломеразу в качестве терапии против старения, а именно о том, что мыши с повышенным уровнем теломеразы имеют более высокую заболеваемость раком и, следовательно, не живут дольше. С другой стороны, одно исследование показало, что активация теломеразы у устойчивых к раку мышей путем сверхэкспрессии ее каталитической субъединицы увеличивает продолжительность жизни.

Исследование, посвященное евреям-ашкенази, показало, что люди-долгожители унаследовали гиперактивную версию теломеразы.

Преждевременное старение

Синдромы преждевременного старения, включая синдром Вернера , прогерию , телеангиэктазию атаксии, расстройство, подобное атаксии-телеангиэктазии, синдром Блума , анемию Фанкони и синдром разрыва Неймегена , связаны с короткими теломерами. Однако все гены, которые мутировали при этих заболеваниях, играют роль в восстановлении повреждений ДНК, и увеличенное повреждение ДНК само по себе может быть фактором преждевременного старения (см. Теорию старения повреждений ДНК ). Дополнительная роль в поддержании длины теломер - активная область исследований.

Рак

In vitro, когда клетки приближаются к пределу Хейфлика , время старения может быть увеличено за счет инактивации белков- супрессоров опухолей - p53 и белка ретинобластомы (pRb). Клетки , которые были так изменены, в конечном итоге подвергаются событию, называемому «кризисом», когда большинство клеток в культуре умирают. Иногда клетка не перестает делиться, когда достигает кризиса. В типичной ситуации теломеры укорачиваются и хромосомная целостность снижается с каждым последующим делением клетки. Открытые концы хромосом интерпретируются как двухцепочечные разрывы (DSB) в ДНК; такое повреждение, как правило , отремонтировано с помощью реплантации (сместив) нарушенные концы вместе. Когда клетка делает это из-за укорочения теломер, концы разных хромосом могут быть прикреплены друг к другу. Это решает проблему отсутствия теломер, но во время анафазы деления клетки слитые хромосомы случайным образом разрываются, вызывая множество мутаций и хромосомных аномалий. По мере продолжения этого процесса геном клетки становится нестабильным. В конце концов, либо хромосомам клетки наносится фатальный ущерб (убивая их посредством апоптоза ), либо возникает дополнительная мутация, активирующая теломеразу.

С активацией теломеразы некоторые типы клеток и их потомки становятся бессмертными (обходят предел Хейфлика ), что позволяет избежать гибели клеток, пока выполняются условия для их дупликации. Многие раковые клетки считаются «бессмертными», потому что активность теломеразы позволяет им жить намного дольше, чем любые другие соматические клетки, что в сочетании с неконтролируемой пролиферацией клеток является причиной того, что они могут образовывать опухоли . Хорошим примером бессмертных раковых клеток являются клетки HeLa , которые используются в лабораториях в качестве модельной клеточной линии с 1951 года.

Хотя этот метод моделирования рака человека в клеточной культуре эффективен и уже много лет используется учеными, он также очень неточен. Точные изменения, которые допускают образование онкогенных клонов в вышеописанном эксперименте, не ясны. Ученые решили этот вопрос путем последовательного введения множественных мутаций, присутствующих в различных раковых опухолях человека. Это привело к идентификации комбинаций мутаций, которые образуют опухолегенные клетки в различных типах клеток. В то время как комбинация варьируется в зависимости от типа клеток, следующие изменения необходимы во всех случаях: активация TERT, утрата функции р53 затрагивающего пути, потеря функции , затрагивающего пути PRB, активации Ras или Myc протоонкогенов , и аберрации PP2A белка фосфатазов . То есть клетка имеет активированную теломеразу, устраняя процесс гибели из-за нестабильности или потери хромосом, отсутствия путей индукции апоптоза и продолжающейся активации митоза .

Эта модель рака в культуре клеток точно описывает роль теломеразы в реальных опухолях человека. Активация теломеразы наблюдалась примерно в 90% всех опухолей человека, что позволяет предположить, что бессмертие, обеспечиваемое теломеразой, играет ключевую роль в развитии рака. Из опухолей без активации TERT в большинстве используется отдельный путь для поддержания длины теломер, называемый альтернативным удлинением теломер (ALT). Точный механизм поддержания теломер в пути ALT неясен, но, вероятно, включает множественные события рекомбинации на теломерах.

Элизабет Блэкберн и др. , определили активацию 70 генов, известных или подозреваемых в росте и распространении рака по организму, а также активацию гликолиза , которая позволяет раковым клеткам быстро использовать сахар для облегчения их запрограммированной скорости роста (примерно скорости роста плода).

Подходы к контролю над теломеразой и теломерами для лечения рака включают генную терапию , иммунотерапию , низкомолекулярные ингибиторы и ингибиторы сигнальных путей.

Наркотики

Способность поддерживать функциональные теломеры может быть одним из механизмов, позволяющих раковым клеткам расти in vitro в течение десятилетий. Активность теломеразы необходима для сохранения многих типов рака и неактивна в соматических клетках , создавая возможность того, что ингибирование теломеразы может избирательно подавлять рост раковых клеток с минимальными побочными эффектами. Если лекарство может ингибировать теломеразу в раковых клетках, теломеры последующих поколений будут постепенно укорачиваться, ограничивая рост опухоли.

Теломераза - хороший биомаркер для обнаружения рака, потому что большинство раковых клеток человека экспрессируют ее в больших количествах. Активность теломеразы можно определить по ее каталитическому белковому домену ( hTERT ). Это является лимитирующей стадией в теломеразной активности. Это связано со многими типами рака. Различные раковые клетки и фибробласты, трансформированные кДНК hTERT, обладают высокой теломеразной активностью, а соматические клетки - нет. Клетки, получившие положительный результат на hTERT, имеют положительные ядерные сигналы. Ткань эпителиальных стволовых клеток и ее ранние дочерние клетки являются единственными доброкачественными клетками, в которых может быть обнаружен hTERT. Поскольку экспрессия hTERT зависит только от количества опухолевых клеток в образце, количество hTERT указывает на тяжесть рака.

Экспрессию hTERT также можно использовать для отличия доброкачественных опухолей от злокачественных опухолей . Злокачественные опухоли имеют более высокую экспрессию hTERT, чем доброкачественные опухоли. Полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) в режиме реального времени, количественно определяющая экспрессию hTERT в различных образцах опухолей, подтвердила эту изменяющуюся экспрессию.

Рисунок 4: A) Опухолевые клетки, экспрессирующие hTERT, будут активно деградировать часть белка и процесс его представления. Затем главный комплекс гистосовместимости 1 (MHC1) может представлять эпитот hTERT. CD8-Т-клетки, которые имеют антитела против hTERT, затем будут связываться с представленным эпитотом. Б) В результате антигенного связывания Т-клетки высвобождают цитотоксины, которые могут абсорбироваться пораженной клеткой. В) Эти цитотоксины индуцируют множественные протеазы и приводят к апоптозу (или гибели клеток).

Недостаток теломеразы не влияет на рост клеток до тех пор, пока теломеры не станут достаточно короткими, чтобы заставить клетки «умереть или подвергнуться остановке роста». Однако одного лишь ингибирования теломеразы недостаточно для разрушения больших опухолей. Его необходимо сочетать с хирургией, лучевой , химиотерапией или иммунотерапией.

Клетки могут уменьшать длину своих теломер всего на 50-252 пары оснований за деление клетки, что может привести к длительной лаг-фазе .

Иммунотерапия

Иммунотерапия успешно лечит некоторые виды рака, например, меланому. Это лечение включает в себя манипулирование иммунной системой человека с целью уничтожения раковых клеток. У человека есть два основных антигена, идентифицирующих лимфоциты : CD8 + цитотоксические Т-лимфоциты (CTL) и CD4 + хелперные Т-лимфоциты, которые могут разрушать клетки. Рецепторы антигена на CTL могут связываться с цепью из 9-10 аминокислот, которая представлена главным комплексом гистосовместимости (MHC), как показано на рисунке 4. HTERT является потенциальным антигеном-мишенью. Иммунотаргетинг должен приводить к относительно небольшому количеству побочных эффектов, поскольку экспрессия hTERT связана только с теломеразой и не является существенной почти для всех соматических клеток. GV1001 использует этот путь. Экспериментальные лекарственные препараты и вакцины, нацеленные на активную теломеразу, были протестированы на моделях мышей, и клинические испытания уже начались. Одно лекарство, иметелстат , проходит клинические испытания как средство воздействия на теломеразу в раковых клетках. Большинство вредных, связанных с раком эффектов теломеразы зависят от интактной матрицы РНК. Раковые стволовые клетки, которые используют альтернативный метод поддержания теломер, все равно погибают, когда матрица РНК теломеразы блокируется или повреждается.

Теломеразные вакцины

Были разработаны две теломеразные вакцины: GRNVAC1 и GV1001 . GRNVAC1 изолирует дендритные клетки и РНК, кодирующую белок теломеразы, и возвращает их пациенту, чтобы создать цитотоксические Т-клетки, которые убивают теломеразно-активные клетки. GV1001 представляет собой пептид из активного центра hTERT и распознается иммунной системой, которая реагирует, убивая теломеразно-активные клетки.

Целенаправленный апоптоз

Рисунок 5: A) Теломеразная РНК человека (hTR) присутствует в клетке и может быть мишенью. Б) 2-5 олигонуклеотидов против hTR - это специализированный антисмысловой олигонуклеотид, который может связываться с теломеразной РНК. C) После связывания 2-5 олигонуклеотид против hTR рекрутирует РНКазу L в последовательность. После привлечения РНКаза L создает единичное расщепление в РНК (D) и вызывает диссоциацию последовательности РНК.

Другой независимый подход заключается в использовании олигоаденилированных антисмысловых олигонуклеотидов и рибозимов против теломеразы для нацеливания на теломеразную РНК, уменьшения диссоциации и апоптоза (рис. 5). Быстрая индукция апоптоза за счет антисмыслового связывания может быть хорошей альтернативой более медленному укорачиванию теломер.

Малая интерферирующая РНК (миРНК)

миРНК представляют собой небольшие молекулы РНК, которые вызывают специфичную для последовательности деградацию других РНК. Лечение миРНК может функционировать аналогично традиционной генной терапии , разрушая продукты мРНК определенных генов и, следовательно, предотвращая экспрессию этих генов. Исследование 2012 года показало, что нацеливание на TERC с помощью миРНК снижает активность теломеразы более чем на 50% и приводит к снижению жизнеспособности бессмертных раковых клеток. Лечение как миРНК, так и облучением вызывало большее уменьшение размера опухоли у мышей, чем лечение только радиацией, что позволяет предположить, что нацеливание на теломеразу может быть способом повышения эффективности радиации при лечении радиационно-устойчивых опухолей.

Сердечные заболевания, диабет и качество жизни

Блэкберн также обнаружил, что матери, ухаживающие за очень больными детьми, имеют более короткие теломеры, когда они сообщают, что их эмоциональный стресс максимален и что теломераза активна в месте закупорки ткани коронарной артерии, что, возможно, ускоряет сердечные приступы.

В 2009 году было показано, что уровень активности теломеразы значительно увеличился после психологического стресса. В выборке пациентов активность теломеразы в мононуклеарных клетках периферической крови увеличивалась на 18% через час после окончания стресса.

Исследование, проведенное в 2010 году, показало, что после трехмесячного ретрита по медитации у участников была «значительно большая» активность теломеразы, чем в контрольной группе.

Дефицит теломеразы был связан с сахарным диабетом и нарушением секреции инсулина у мышей из-за потери инсулин-продуцирующих клеток поджелудочной железы.

Редкие болезни человека

Мутации в TERT были причастны к предрасположенности пациентов к апластической анемии , расстройству, при котором костный мозг не может производить клетки крови, в 2005 году.

Синдром кридюшата (CdCS) - сложное заболевание, включающее потерю дистальной части короткого плеча хромосомы 5. TERT находится в удаленной области, и потеря одной копии TERT была предложена как причина или способствующий фактор. этой болезни.

Врожденный дискератоз ( ВД ) - это заболевание костного мозга, которое может быть вызвано некоторыми мутациями в субъединицах теломеразы. В случаях DC около 35% случаев являются X-сцепленными - рецессивными по локусу DKC1 и 5% случаев являются аутосомно- доминантными по локусам TERT и TERC.

У пациентов с ДК наблюдается тяжелая недостаточность костного мозга, проявляющаяся аномальной пигментацией кожи , лейкоплакией (белое утолщение слизистой оболочки полости рта) и дистрофией ногтей , а также множеством других симптомов. Люди с мутациями TERC или DKC1 имеют более короткие теломеры и дефектную теломеразную активность in vitro по сравнению с другими людьми того же возраста.

В одной семье аутосомно-доминантный DC был связан с гетерозиготной мутацией TERT. Эти пациенты также демонстрировали повышенную скорость укорочения теломер и генетическое ожидание (т.е. фенотип DC ухудшался с каждым поколением).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки