Войти
Tribolium castaneum каталитическая субъединица теломеразы, TERT, связанная с предполагаемым РНК-матрица и теломерная ДНК (PDB 3KYL )| РНК-направленная ДНК-полимераза | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Концептуальная диаграмма, показывающая белковый компонент теломеразы (TERT) серым цветом и компонент РНК (TR) желтым цветом | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Номер ЕС | 2.7.7.49 | ||||||||
| Номер CAS | 9068-38-6 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Запись BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Обзор NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Запись KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| PRIAM | профиль | ||||||||
| PDB структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Онтология генов | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
теломераза, также называемая терминальной трансферазой, представляет собой рибонуклеопротеин, который добавляет видозависимый теломер-реп есть последовательность до 3 ' конца 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 мушки Drosophila melanogaster отсутствует теломераза, но вместо этого используются ретротранспозоны для поддержания теломер.
Теломераза - это фермент обратной транскриптазы , который несет свою собственную молекулу РНК (например, с последовательностью 3'- C CCA AU CCC-5 'в Trypanosoma brucei ), которая используется в качестве матрицы при удлинении теломер. Теломераза активна в гаметах и большинстве раковых клетках, но обычно отсутствует или находится на очень низком уровне в большинстве соматических клеток.
Существование компенсаторного механизма укорочения теломер впервые обнаружил советский биолог Алексей Оловников 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 У. Шостак, Грейдер и Блэкберн были удостоены Нобелевской премии 2009 года по физиологии и медицине за свои открытия.
Роль теломер и теломеразы в клеточное старение и рак было установлено учеными из биотехнологии компании Geron с клонированием РНК и каталитических компонентов человеческого теломераза и разработка метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) для определения активности теломеразы, называемого анализом TRAP, который исследует активность теломеразы при различных типах рака.
отрицательное окрашивание Электронно-микроскопические (ЭМ) структуры теломераз человека и Tetrahymena были охарактеризованы в 2013 году. Двумя годами позже была получена первая криоэлектронная микроскопия (крио-EM ) структура голофермента теломеразы (Tetrahymena). определяется. В 2018 году структура теломеразы человека была определена с помощью крио-ЭМ учеными Калифорнийского университета в Беркли.
Молекулярный состав комплекса теломеразы человека был определен Скоттом Коэном и его командой в Детском медицинском научно-исследовательском институте (Сидней, Австралия) и состоит из двух молекул каждая из теломеразной обратной транскриптазы (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. Полипептид TERT складывается с (и несет) TERC, некодирующую РНК (длиной 451 нуклеотидов ). TERT имеет структуру «рукавицы», которая позволяет ему оборачиваться вокруг хромосомы, добавляя однонитевые теломерные повторы.
TERT представляет собой обратную транскриптазу, которая представляет собой класс ферментов, создающих одноцепочечную ДНК с использованием одноцепочечной РНК в качестве матрицы.
Изображение, показывающее, как теломераза прогрессивно удлиняет концы теломер. Белок состоит из четырех консервативных доменов (РНК-связывающий домен (TRBD), пальцы, ладонь и большой палец), организованных в кольцевую конфигурацию, которая имеет общие черты с ретровирусные обратные транскриптазы, вирусные РНК полимеразы и бактериофаги ДНК-полимеразы B-семейства.
Белки TERT многих эукариот секвенированы.
Используя TERC, TERT может добавить шестинуклеотидную повторяющуюся последовательность 5'- T TAG GG (у позвоночных последовательность отличается у других организмов) к 3'-цепи хромосом. Эти повторы TTAGGG (с их различными партнерами по связыванию белков) называются теломерами. Областью матрицы TERC является 3'-CAAUCCCAAUC-5 '.
Теломераза может связывать первые несколько нуклеотидов матрицы с последней теломерной последовательностью на хромосоме, добавлять новый теломерный повтор (5'-GGTTAG- 3 '), отпустите, выровняйте новый 3'-конец теломеры по шаблону и повторите процесс. Теломераза меняет укорочение теломер.
Теломераза восстанавливает короткие участки ДНК, известные как теломеры, которые в противном случае укорачиваются, когда клетка делится на митоз.
В нормальных условиях, когда теломераза отсутствует, если клетка рекурсивно делится, в какой-то момент потомство достигает своего предела Хейфлика, который, как полагают, находится между 50–70 клеточными делениями. 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 индивидуум. У взрослых теломераза сильно экспрессируется только в клетках, которым необходимо регулярно делиться, особенно в мужских сперматозоидах, но также в эпидермальных клетках, в активированных Т-клетках и В-клетках лимфоциты, а также в некоторых взрослых стволовых клетках, но в подавляющем большинстве случаев соматические клетки не экспрессируют теломеразу.
Сравнительное биологическое исследование теломер млекопитающих показало, что длина теломер у некоторых видов млекопитающих коррелирует скорее обратно, чем напрямую, с продолжительностью жизни, и пришли к выводу, что вклад длины теломер в продолжительность жизни не выяснен. Укорочение теломер не происходит с возрастом в некоторых постмитотических тканях, например, в мозге крысы. У людей длина теломер скелетных мышц остается стабильной с 23 до 74 лет. В скелетных мышцах павиана, 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 обнаруживают связанного с возрастом 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 вопрос о том, можно ли использовать теломеразу в качестве средства против старения. терапии, а именно тот факт, 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, обнаружило, что долгоживущие субъекты наследуют гиперактивная версия теломеразы.
Синдромы преждевременного старения, включая синдром Вернера, Прогерия, Атаксия телеангиэктазия, Расстройство, подобное атаксии-телеангиэктазии, синдром Блума, анемия Фанкони и синдром разрыва Неймегена связаны с короткими теломерами. Однако все гены, которые мутировали при этих заболеваниях, все играют роль в репарации повреждений ДНК, и повышенное повреждение ДНК само по себе может быть фактором преждевременного старения (см. теорию повреждений ДНК старение ). Дополнительная роль в поддержании длины теломер - активная область исследований.
In vitro, когда клетки приближаются к пределу Хейфлика, время старения может быть увеличено путем инактивации опухолевых супрессоров белков - p53 и белок ретинобластомы (pRb). Клетки, которые подверглись таким изменениям, в конечном итоге претерпевают событие, называемое «кризисом», когда большинство клеток в культуре умереть. Иногда клетка не перестает делиться после того, как достигает кризиса. В типичной ситуации теломеры укорачиваются, а целостность хромосом ухудшается с каждым последующим делением клетки. Открытые концы хромосом интерпретируются как двухцепочечные разрывы (DSB) в ДНК; такое повреждение обычно ремонтируется путем повторного соединения (смещения) сломанных концов 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 деления клетки анафаза слитые хромосомы случайным образом разрываются, вызывая множество мутаций и хромосомных аномалий. По мере продолжения этого процесса геном клетки становится нестабильным. В конечном итоге либо хромосомам клетки наносится фатальный ущерб (убивая их посредством апоптоза ), либо возникает дополнительная мутация, активирующая теломеразу.
С активацией теломеразы некоторые типы клеток и их потомков становятся бессмертный (обход ограничения Хейфлика ), что позволяет избежать гибели клеток, пока выполняются условия для их дублирования. Многие раковые клетки считаются «бессмертными», потому что активность теломеразы позволяет им жить намного дольше, чем любой другой соматической клетке, что в сочетании с неконтролируемой пролиферацией клеток является причиной того, что они могут образовывать опухоли. Хорошим примером бессмертных раковых клеток являются клетки HeLa, которые использовались в лабораториях в качестве модели клеточной линии с 1951 года.
В то время как этот метод моделирования рака человека в культуре клеток 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. Хотя комбинация зависит от типа клеток, во всех случаях требуются следующие изменения: активация TERT, потеря функции пути p53, потеря функции пути pRb, активация Ras или myc протоонкогены и аберрация протеина PP2A фосфатаза. 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, и активацию гликолиза, что 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, небольшие - ингибиторы молекул и сигнальных путей.
Способность поддерживать функциональные теломеры может быть одним из механизмов, который позволяет раковым клеткам расти in vitro на протяжении 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 является хорошим биомаркером для выявления рака, поскольку большинство раковых клеток человека экспрессируют высокие уровни этого. Активность теломеразы можно определить по ее каталитическому белковому домену (hTERT ). Это ограничивающая скорость стадия теломеразной активности. Это связано со многими типами рака. Различные раковые клетки и фибробласты, трансформированные hTERT кДНК, обладают высокой теломеразной активностью, а соматические клетки - нет. Клетки с положительным результатом теста на hTERT имеют положительные ядерные сигналы. Ткань эпителиальных стволовых клеток и ее ранние дочерние клетки являются единственными доброкачественными клетками, в которых можно обнаружить hTERT. Поскольку экспрессия hTERT зависит только от количества опухолевых клеток в образце, количество hTERT указывает на тяжесть рака.
Экспрессия hTERT также может использоваться для различения доброкачественных опухолей из злокачественных опухолей. Злокачественные опухоли имеют более высокую экспрессию hTERT, чем доброкачественные опухоли. Цепная реакция полимеразы обратной транскрипции (ОТ-ПЦР) в реальном времени, количественная оценка экспрессии hTERT в различных образцах опухолей, подтвердила эту изменяющуюся экспрессию.
Рис. и процесс представления. Затем главный комплекс гистосовместимости 1 (MHC1) может представлять эпитот hTERT. CD8-Т-клетки, которые имеют антитела против hTERT, затем связываются с представленным эпитотом. Б) В результате антигенного связывания Т-клетки выделяют цитотоксины, которые могут абсорбироваться пораженной клеткой. C) Эти цитотоксины индуцируют множество протеаз и приводят к апоптозу (или гибели клеток). Недостаток теломеразы не влияет на рост клеток, пока теломеры не станут достаточно короткими, чтобы клетки «умерли или подверглись остановке роста». Однако одного лишь ингибирования теломеразы недостаточно для уничтожения больших опухолей. Его необходимо сочетать с хирургией, облучением, химиотерапией или иммунотерапией.
Клетки могут уменьшить длину теломер всего на 50-252 пары оснований на деление клетки, что может приводит к длительной лаг-фазе.
Иммунотерапия успешно лечит некоторые виды рака, такие как меланома. Это лечение включает манипулирование иммунной системой человека для уничтожения раковых клеток. У человека есть два основных антигена, идентифицирующих лимфоциты : CD8 + цитотоксические Т-лимфоциты (CTL) и CD4 + Т-лимфоциты-помощники, которые могут разрушать клетки. Рецепторы антигена на CTL могут связываться с цепью из 9-10 аминокислот, которая представлена главным комплексом гистосовместимости (MHC), как на фиг.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 препараты и вакцины, нацеленные на активную теломеразу, были протестированы на мышах, и клинические испытания уже начались. Одно лекарство, иметелстат, клинически исследуется 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.
Были разработаны две теломеразные вакцины: и. 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 сайта hTERT и распознается иммунной системой, которая реагирует, убивая теломеразно-активные клетки.
Рисунок 5: A) Теломеразная РНК человека (hTR) присутствует в клетке и может быть целевым. Б) 2-5 олигонуклеотидов против hTR представляют собой 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 против теломеразы и рибозимы нацелены на теломеразную РНК, уменьшая диссоциацию и апоптоз (Фиг.5). Быстрая индукция апоптоза посредством антисмыслового связывания может быть хорошей альтернативой более медленному укорачиванию теломер.
миРНК - это небольшие молекулы РНК, которые индуцируют последовательную деградацию другие РНК. Лечение миРНК может функционировать аналогично традиционной генной терапии за счет разрушения продуктов мРНК определенных генов и, следовательно, предотвращения экспрессии 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, предполагая, что нацеливание на теломеразу может быть способом повышения эффективности радиации при лечении радиационно-устойчивых опухолей.
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 место закупорки в ткани коронарной артерии, возможно учащение сердечных приступов.
В 2009 году было показано, что уровень активности теломеразы значительно увеличился после психологического стресса. В выборке пациентов активность теломеразы в мононуклеарных клетках периферической крови увеличилась на 18% через час после окончания стресса.
Исследование 2010 года показало, что у участников была «значительно большая» активность теломеразы, чем в контрольной группе после трехмесячный медитационный ретрит.
Дефицит теломеразы был связан с сахарным диабетом и нарушением секреции инсулина у мышей из-за потери инсулин-продуцирующих клеток поджелудочной железы.
Мутации в TERT были причастны к предрасположенности пациентов к апластической анемии, заболеванию, при котором костный мозг не может производить клетки крови, в 2005 г.
Синдром Кридушата (CdCS) - сложное заболевание, включающее потерю дистальной части короткого плеча хромосомы 5. TERT находится в удаленной области, а потеря одного копия TERT была предложена как причина или способствующий фактор этого заболевания.
Врожденный дискератоз (D C) представляет собой 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, а 5% случаев являются аутосомными доминантными по локусам TERT и TERC..
Пациенты с ДК имеют тяжелую недостаточность костного мозга, проявляющуюся в виде аномальной пигментации кожи, лейкоплакии (белое утолщение слизистой оболочки рта) и дистрофии ногтей, а также множество 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).
