Осенью 1966 года молодой московский биолог Алексей Оловников вышел с лекции о работах Леонарда Хейфлика, который показал, что клетки человека в культуре делятся лишь около пятидесяти раз. На станции метро он смотрел на подходящий поезд и представил: если ДНК-полимераза — это поезд, а ДНК — рельсы, то участок пути, на котором стоит сам поезд, он «скопировать» не может. Значит, при каждом удвоении молекула ДНК должна терять кусочек своего конца, и клетка, потерявшая слишком много, перестанет делиться. В 1971 году Оловников опубликовал эту идею — за тринадцать лет до того, как был открыт фермент, решающий проблему, и за тридцать восемь лет до Нобелевской премии за его открытие.
В этой статье — всё о теломерах и теломеразе: строение концов хромосом, почему они укорачиваются при каждом делении, как работает теломераза и где она активна, предел Хейфлика и старение клеток, связь теломер с раком и старением организма, теломеры у разных организмов, что нужно знать к ЕГЭ, раздел для олимпиадников и двенадцать заданий с разбором. О клеточном цикле в целом — в статье «Клеточный цикл: периоды интерфазы, митоз и регуляция деления».
- Что такое теломеры
- Почему теломеры укорачиваются
- Как открывали теломеры и теломеразу
- Теломераза
- Где работает теломераза
- Предел Хейфлика и старение клеток
- Теломеры и рак
- Теломеры и старение организма
- Теломеры у разных организмов
- Что нужно знать к ЕГЭ
- Для олимпиад
- Интересные факты
- Задания с разбором
- Литература
Что такое теломеры
Определение. Теломеры — концевые участки линейных хромосом эукариот, состоящие из многократно повторяющихся коротких последовательностей нуклеотидов и связанных с ними белков. Теломеры не кодируют белков; они защищают концы хромосом от разрушения и от слипания друг с другом.
Слово «теломера» (от греческих «телос» — конец и «мерос» — часть) предложил американский генетик Герман Мёллер в 1938 году. Он облучал дрозофил рентгеновскими лучами и заметил, что хромосомы рвутся и обмениваются участками где угодно, но их естественные концы никогда не теряются и не присоединяются к другим хромосомам. Почти одновременно Барбара Мак-Клинток увидела у кукурузы обратное: если хромосома разорвана, свежие концы «липкие» — они срастаются с другими разорванными концами. Значит, естественный конец хромосомы чем-то отличается от разрыва.
У человека и всех позвоночных теломера — это повтор шести нуклеотидов ТТАГГГ, повторённый от сотен до двух с лишним тысяч раз. Общая длина теломеры у человека — около 5–15 тысяч пар нуклеотидов, у новорождённого больше, у пожилого человека меньше. Цепь, богатая гуанином (ТТАГГГ), на самом конце длиннее комплементарной: она выступает одноцепочечным 3ʹ-концом длиной от 50 до 300 нуклеотидов.
Зачем концу хромосомы особая защита? Любой свободный конец двойной спирали ДНК клетка воспринимает как разрыв — повреждение, которое нужно немедленно исправить. Ферменты репарации сшили бы концы разных хромосом между собой, и при следующем митозе такая хромосома с двумя центромерами разорвалась бы. Теломера «прячет» конец: выступающая одноцепочечная цепь заправляется внутрь двойной спирали и образует петлю, а комплекс из шести белков (шелтерин, от английского shelter — укрытие) связывается с повторами и не подпускает к концу ферменты репарации.
| Свойство | Теломера |
|---|---|
| Где находится | на обоих концах каждой линейной хромосомы, то есть на концах каждой хроматиды |
| Из чего состоит | многократные повторы ТТАГГГ (у позвоночных) и связанные с ними белки |
| Длина у человека | около 5–15 тысяч пар нуклеотидов; одноцепочечный 3ʹ-выступ — 50–300 нуклеотидов |
| Кодирует ли белки | нет |
| Функции | защита концов от разрушения ферментами и от слияния друг с другом; отличие естественного конца от разрыва; запас ДНК, который расходуется при делениях |
Не путайте с центромерой. Нити веретена деления прикрепляются к кинетохорам в области центромеры (первичной перетяжки), а не к теломерам. Сестринские хроматиды тоже соединены в области центромеры. Теломеры — это концы плеч хромосомы.
Почему теломеры укорачиваются
Причина — в двух свойствах ДНК-полимеразы. Первое: она может только удлинять уже имеющуюся цепь, присоединяя нуклеотиды к её 3ʹ-концу, а начать цепь «с нуля» не может. Поэтому синтез каждой новой цепи или её фрагмента начинается с короткой РНК-затравки — праймера, который синтезирует фермент праймаза. Второе: новая цепь растёт только в направлении 5ʹ → 3ʹ.
Одна из новых цепей (её называют ведущей) синтезируется непрерывно, вслед за расплетанием спирали, и доходит до самого конца матрицы. Вторая (отстающая) собирается из коротких фрагментов Оказаки, и каждый из них начинается со своего праймера. Затем праймеры удаляются, промежутки застраиваются ДНК-полимеразой, которая удлиняет соседний фрагмент, и фрагменты сшиваются. Но у последнего праймера на самом конце матрицы соседнего фрагмента нет: после его удаления промежуток застроить нечем.
- 1репликация дошла до конца хромосомы; вверху — дочерняя молекула, где новая цепь синтезируется непрерывно, внизу — та, где новая цепь собирается из фрагментов Оказаки
- 2праймеры удалены, промежутки между фрагментами застроены и сшиты
- 3место последнего праймера: застроить его нечем, и новая цепь осталась короче матрицы
- цепь-матрица
- новая цепь ДНК
- РНК-праймер
- теломера
ДНК-полимераза удлиняет только 3ʹ-конец уже имеющейся цепи, поэтому каждый фрагмент начинается с праймера. На матрице с 3ʹ-концом последний праймер стоит на самом краю, и после его удаления дочерняя цепь короче матрицы. То же происходит на другом конце хромосомы.
Итог: дочерняя цепь, синтезированная на матрице с 3ʹ-концом, оказывается короче матрицы. Это явление называют концевой недорепликацией. В следующем цикле более короткая цепь сама станет матрицей, и молекула ДНК, построенная на ней, будет короче исходной. Кроме того, ферменты-нуклеазы подрезают концы, чтобы восстановить одноцепочечный 3ʹ-выступ. В сумме в фибробластах человека теломера теряет при каждом делении от 50 до 200 пар нуклеотидов.
Частая ошибка. «Теломеры укорачиваются, потому что ДНК-полимераза синтезирует цепь в направлении 3ʹ → 5ʹ» — неверно: синтез идёт только в направлении 5ʹ → 3ʹ. Причина недорепликации — в том, что полимераза не может начать цепь без праймера, а место последнего праймера на конце матрицы застроить нечем.
У бактерий проблемы концов нет: их основная хромосома кольцевая, и у кольца концов нет. Кольцевые и ДНК митохондрий и хлоропластов, поэтому теломер в них нет.
Как открывали теломеры и теломеразу
Идея Оловникова, опубликованная в «Докладах Академии наук СССР» в 1971 году, а в 1973 году — в международном журнале теоретической биологии, связала два факта: ограниченное число делений и особенности синтеза ДНК. Оловников назвал своё предположение теорией маргинотомии (от латинского margo — край и греческого «томе» — отрезание) и предсказал, что в половых и опухолевых клетках, которые делятся неограниченно, должен работать особый фермент, достраивающий концы. Годом позже ту же проблему концов линейной ДНК независимо описал Джеймс Уотсон, изучая размножение бактериофага Т7.
Строение теломер впервые расшифровала Элизабет Блэкберн. Она работала с инфузорией тетрахименой: в её макронуклеусе около десяти тысяч одинаковых маленьких линейных молекул ДНК с генами рибосомных РНК, а значит, и огромное число концов. В 1978 году Блэкберн и Джозеф Голл обнаружили на концах этих молекул повтор ТТГГГГ, повторённый 20–70 раз. В 1982 году Блэкберн и Джек Шостак показали, что эти повторы работают и в чужой клетке: линейная плазмида, введённая в дрожжи, быстро разрушалась, а с концами от ДНК тетрахимены сохранялась. Более того, дрожжи надстраивали на концах тетрахимены свои собственные повторы — значит, в клетке есть фермент, который синтезирует повторы, а не копирует то, что уже есть.
На Рождество 1984 года аспирантка Блэкберн Кэрол Грейдер проявила рентгеновскую плёнку и увидела «лесенку» полос: экстракт клеток тетрахимены присоединял к искусственному концу ДНК повтор за повтором по шесть нуклеотидов. Фермент назвали теломеразой. В 1987 году Грейдер и Блэкберн обнаружили, что теломераза содержит РНК, а в 1989 году — что участок этой РНК служит матрицей для синтеза повторов.
- 1938Г. Мёллер называет концы хромосом теломерами
- 1941Б. Мак-Клинток: разорванные хромосомы кукурузы слипаются концами
- 1961Л. Хейфлик и П. Мурхед: фибробласты человека делятся ограниченное число раз
- 1971А. М. Оловников: концевая недорепликация ограничивает число делений
- 1972Дж. Уотсон независимо описывает проблему концов линейной ДНК
- 1978Э. Блэкберн и Дж. Голл: на концах ДНК тетрахимены — повторы ТТГГГГ
- 1982Дж. Шостак и Э. Блэкберн: концы тетрахимены защищают линейную ДНК в дрожжах
- 1985К. Грейдер и Э. Блэкберн открывают теломеразу
- 1990К. Харли, К. Грейдер и др.: теломеры фибробластов укорачиваются с делениями
- 1994Теломераза найдена в 90 из 101 образца опухолей человека
- 1998Ген белка теломеразы, введённый в фибробласты, снимает предел Хейфлика
- 2009Нобелевская премия: Блэкберн, Грейдер, Шостак
- предел числа делений
- строение теломер
- теломераза
- Нобелевская премия
Нобелевская премия 2009 года. Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие того, как хромосомы защищены теломерами и ферментом теломеразой». Алексей Оловников, предсказавший и укорочение теломер, и существование теломеразы, в число лауреатов не вошёл: премию дают за экспериментальные открытия, а его работа была теоретической.
Теломераза
Определение. Теломераза — фермент, который достраивает теломерные повторы на 3ʹ-конце хромосомной ДНК и тем самым возмещает потери от концевой недорепликации. Она состоит из белковой части с активностью обратной транскриптазы и собственной молекулы РНК, участок которой служит матрицей.
Обратная транскриптаза — фермент, синтезирующий ДНК по матрице РНК, то есть «в обратном» направлении по сравнению с обычной транскрипцией. Такие ферменты известны у ретровирусов (например, у вируса иммунодефицита человека), и белок теломеразы — их дальний родственник. Но теломераза не переписывает чужую РНК: она всякий раз использует один и тот же небольшой участок собственной РНК. У человека РНК теломеразы длиной 451 нуклеотид содержит матрицу из 11 нуклеотидов 3ʹ-ЦААУЦЦЦААУЦ-5ʹ.
Матрица в РНК теломеразы человека — 11 нуклеотидов: пять узнают конец ДНК, по шести синтезируется новый повтор ТТАГГГ.
Синтез идёт по принципу комплементарности: напротив Ц матрицы встаёт Г, напротив А — Т, напротив У — А. Теломераза удлиняет только одну цепь — ту, что идёт к концу хромосомы своим 3ʹ-концом (цепь ТТАГГГ). Вторая цепь достраивается обычным путём: праймаза кладёт праймер на удлинённую цепь, и ДНК-полимераза синтезирует фрагмент. Поэтому выступающий 3ʹ-конец сохраняется, но общая длина теломеры восстанавливается.
Почему теломераза не нарушает правило «ДНК — с ДНК». Репликация — синтез ДНК на матрице ДНК. Теломераза синтезирует ДНК на матрице РНК, поэтому это не репликация, а обратная транскрипция. Наследственная информация при этом не меняется: повторы ТТАГГГ одинаковы и генов не содержат.
Где работает теломераза
Ген белковой части теломеразы есть во всех клетках, но работает не везде. Активна она там, где деления должны продолжаться долго: в клетках половой линии, в стволовых клетках, в клетках раннего зародыша. В большинстве соматических клеток взрослого организма теломераза выключена или её активность слишком мала, чтобы возмещать потери, поэтому их теломеры постепенно укорачиваются.
| Клетки | Теломераза | Что происходит с теломерами |
|---|---|---|
| Половые клетки и их предшественники | активна | длина поддерживается; каждое поколение начинает жизнь с длинными теломерами |
| Клетки раннего зародыша | активна | частые деления без укорочения теломер |
| Стволовые клетки (кроветворные, кишечника, кожи) | активна, но слабо | укорачиваются медленно; на всю жизнь человека обычно хватает |
| Активированные лимфоциты | включается на время размножения клона | частично возмещаются потери при быстрых делениях |
| Большинство соматических клеток взрослого организма | неактивна | укорачиваются; число делений ограничено пределом Хейфлика |
| Неделящиеся клетки (нейроны, кардиомиоциты) | неактивна | почти не меняются: нет делений — нет и недорепликации |
| Большинство (85–90 %) опухолевых клеток | активна | не укорачиваются; клетки делятся неограниченно |
Почему бы не включить теломеразу во всех клетках? Потому что ограничение числа делений защищает от рака: клетка с накопившимися мутациями, начавшая делиться бесконтрольно, израсходует запас теломер и остановится раньше, чем образует опухоль. Цена этой защиты — постепенное исчерпание способности тканей к обновлению.
Предел Хейфлика и старение клеток
В 1961 году Леонард Хейфлик и Пол Мурхед показали, что фибробласты эмбриона человека в культуре делятся около 50 раз (у разных культур — от 40 до 60), после чего перестают делиться. Чтобы исключить загрязнение культуры или нехватку какого-то вещества в среде, они поставили остроумный опыт: смешали «старые» мужские клетки, прошедшие много делений, с «молодыми» женскими. Через некоторое время в культуре остались только клетки с двумя X-хромосомами: мужские остановились раньше, хотя жили в той же среде. Значит, счётчик делений находится внутри клетки. Этот предел называют пределом (лимитом) Хейфлика.
Клетки, достигшие предела, не погибают: они живы, обмениваются веществами, но больше не делятся. Это состояние называют репликативным старением. Критически короткая теломера уже не может удерживать защитные белки, и клетка воспринимает её как разрыв ДНК: накапливается белок p53, включается ингибитор циклин-зависимых киназ p21, и цикл останавливается навсегда. Стареющие клетки выделяют вещества, вызывающие воспаление в окружающей ткани.
- соматическая клетка без теломеразы
- стволовая клетка: теломераза работает, но не полностью возмещает потери
- будущая опухолевая клетка: обошла остановку, затем включила теломеразу
- критическая длина: клетка перестаёт делиться
- 1предел Хейфлика — репликативное старение
- 2кризис: концы хромосом сливаются, большинство клеток гибнет; выжившие включают теломеразу
По вертикали — длина теломеры, тысяч пар нуклеотидов; по горизонтали — число делений. Схема: потеря 100 пар нуклеотидов за деление, критическая длина — 5 тысяч пар.
Если в клетке выключены p53 и белок RB (например, вирусными белками), она проходит предел Хейфлика и продолжает делиться, пока теломеры не станут совсем короткими. Наступает кризис: незащищённые концы хромосом сливаются, хромосомы с двумя центромерами рвутся в митозе, и большинство клеток погибает. Те редкие клетки, которые в кризисе включают теломеразу, становятся «бессмертными» — и уже несут множество хромосомных перестроек. Так часто начинается путь клетки к раку.
Связь теломер с пределом Хейфлика доказали прямым опытом в 1998 году: в фибробласты человека ввели ген белковой части теломеразы, и клетки, вместо того чтобы остановиться, разделились ещё многие десятки раз, сохраняя длинные теломеры, нормальный набор хромосом и контактное торможение. Злокачественными они не стали: для этого нужны ещё и мутации в генах, управляющих делением.
Теломеры и рак
Опухоль — это потомки одной клетки, которая прошла десятки и сотни делений. Без механизма поддержания теломер она бы до этого не дожила. В 1994 году теломеразу нашли в 90 из 101 образца опухолей человека и ни в одном из 50 образцов нормальных соматических тканей. Сейчас известно, что теломераза активна в 85–90 % злокачественных опухолей. В остальных теломеры поддерживаются альтернативным путём — копированием теломерных повторов с одной хромосомы на другую путём рекомбинации.
Отсюда идея противоопухолевой терапии: выключить теломеразу и дать теломерам опухолевых клеток укоротиться. В 2024 году первый ингибитор теломеразы, иметелстат, был одобрен для лечения одного из заболеваний крови — миелодиспластического синдрома. У такой терапии два ограничения. Действует она с задержкой: выключение теломеразы не укорачивает теломеры сразу, нужно много делений. А побочные эффекты связаны со стволовыми клетками крови, которым теломераза тоже нужна.
Самая известная клеточная линия, клетки HeLa, полученные в 1951 году из опухоли шейки матки Генриетты Лакс, делится в лабораториях всего мира уже больше семидесяти лет. Теломераза в этих клетках активна постоянно.
Теломеры и старение организма
В клетках крови человека теломеры укорачиваются примерно на 20–40 пар нуклеотидов в год, и в среднем у пожилых людей они короче, чем у молодых. Но связь теломер со старением организма сложнее, чем «короткие теломеры — короткая жизнь». Длина теломер у людей одного возраста различается в несколько раз, зависит от наследственности и образа жизни, а старение вызывают и другие причины: накопление мутаций и повреждённых белков, изменения работы генов, истощение запаса стволовых клеток.
Убедительнее всего роль теломер видна при наследственных болезнях. При врождённом дискератозе мутации в генах РНК или белковой части теломеразы, а также белков, связанных с ней, приводят к раннему укорочению теломер. Страдают прежде всего ткани с частым обновлением: нарушаются кроветворение, состояние кожи, ногтей, слизистых, развивается фиброз лёгких. В семьях с такими мутациями болезнь в каждом следующем поколении часто проявляется раньше и тяжелее: дети получают от родителей уже укороченные теломеры.
Лабораторные мыши — интересное исключение: их теломеры в несколько раз длиннее человеческих, а теломераза работает во многих тканях. Мыши без РНК теломеразы рождаются здоровыми, и болезни появляются у них только через несколько поколений, когда теломеры, укорачивающиеся от поколения к поколению, достигают критической длины.
Осторожно с рекламой. «Активаторы теломеразы», которые продаются как средства продления жизни, не доказали эффективности в клинических исследованиях. Кроме того, постоянная работа теломеразы в соматических клетках снимает естественный барьер на пути опухолевого роста.
История овечки Долли, первого клонированного млекопитающего, часто приводится как пример: её клонировали из ядра клетки шестилетней овцы, и теломеры у неё в 1999 году оказались примерно на 20 % короче, чем у сверстниц. Долли прожила шесть с половиной лет, но умерла от вирусной опухоли лёгких, а не от старости. Позже у тринадцати клонированных овец, в том числе четырёх клонов от той же линии клеток, что и Долли, признаков ускоренного старения не нашли.
Теломеры у разных организмов
Теломераза — древний фермент: она есть почти у всех эукариот, а теломерные повторы удивительно похожи у очень далёких организмов.
| Организм | Теломерный повтор | Особенности |
|---|---|---|
| Человек и все позвоночные | ТТАГГГ | теломеры человека — 5–15 тысяч пар нуклеотидов, лабораторных мышей — в несколько раз длиннее |
| Большинство членистоногих | ТТАГГ | повтор на один Г короче |
| Большинство растений (резуховидка Таля) | ТТТАГГГ | мутанты без теломеразы живут около десяти поколений |
| Инфузория тетрахимена | ТТГГГГ | на этом объекте открыты теломеры и теломераза |
| Пекарские дрожжи | нерегулярные повторы Т, Г | на дрожжах получены первые мутанты с укорочением теломер |
| Дрозофила | повторов нет | теломеразы нет; концы удлиняются, когда к ним встраиваются особые ретротранспозоны — мобильные элементы, перемещающиеся через РНК |
| Бактерии | теломер нет | хромосома кольцевая; у немногих бактерий с линейной хромосомой (боррелии) концы замкнуты шпильками |
Что нужно знать к ЕГЭ
Строка «Хромосомы. Строение хромосом. Теломеры и теломераза» входит в элемент 2.6 кодификатора ЕГЭ-2027, но теломеры и теломераза выделены в нём курсивом, то есть в 2027 году на экзамене не проверяются. Тем не менее их стоит знать: на учебных рисунках хромосомы теломеры отмечают среди её частей, принципы репликации, из которых следует недорепликация, проверяются в линиях 7 и 27, а теломеры — частый сюжет олимпиад и вузовских курсов. Задания в формате ЕГЭ ниже — для тренировки и олимпиадной подготовки.
Что чаще всего путают.
- Теломеры находятся в области центромеры — неверно: на концах хромосом.
- Теломеры кодируют белки — неверно: это некодирующие повторы.
- Нити веретена прикрепляются к теломерам — неверно: к кинетохорам в области центромеры.
- В соматических клетках теломеры удлиняются при каждом делении — неверно: укорачиваются.
- Теломераза — ДНК-лигаза или ДНК-полимераза, копирующая ДНК, — неверно: это обратная транскриптаза с собственной РНК-матрицей.
- Теломераза активна во всех клетках организма — неверно: в половых, стволовых, зародышевых и большинстве опухолевых.
- Опухолевые клетки делятся ограниченное число раз — неверно: благодаря теломеразе — практически неограниченно.
- У бактерий есть теломеры — неверно: у кольцевой хромосомы нет концов.
Для тренировки — тема 2.6 в тренажёре ЕГЭ по биологии и урок «Клеточный цикл: интерфаза, её периоды и репликация ДНК».
Для олимпиад
Т-петля и шелтерин
В 1999 году Джек Гриффит и Тиция де Ланге увидели в электронный микроскоп, что конец теломеры замкнут в петлю: одноцепочечный 3ʹ-выступ внедряется в двуцепочечную часть теломеры, вытесняя одну из цепей. Такую структуру называют Т-петлёй (от англ. telomere loop). Петлю удерживает шелтерин — комплекс шести белков. Белки TRF1 и TRF2 связываются с двуцепочечными повторами, POT1 — с одноцепочечным выступом, TIN2, TPP1 и RAP1 соединяют их между собой. Если удалить TRF2, концы перестают «прятаться»: клетка распознаёт их как разрывы и сшивает между собой — получаются длинные цепочки слившихся хромосом. Последовательности, богатые гуанином, кроме того, способны складываться в четырёхцепочечные структуры — G-квадруплексы, которые мешают теломеразе, и некоторые противоопухолевые вещества-кандидаты стабилизируют именно их.
Цикл «мост — разрыв — слияние»
Мак-Клинток описала его у кукурузы в 1938–1941 годах. Если сестринские хроматиды с потерянными теломерами сливаются концами, получается хромосома с двумя центромерами. В анафазе центромеры тянутся к разным полюсам, между ними натягивается «мост», который рвётся в случайном месте. Дочерние клетки получают хромосомы с новыми разорванными концами — и в следующем делении всё повторяется. Каждый цикл порождает удвоения и потери участков ДНК. Именно такие перестройки находят в клетках опухолей, прошедших кризис.
Сколько повторов добавляет теломераза
Каждый цикл синтеза на матрице добавляет к 3ʹ-концу шесть нуклеотидов, затем фермент сдвигается и повторяет синтез. Чтобы возместить потерю 60–120 нуклеотидов за деление, теломеразе нужно 10–20 таких циклов на каждом конце. Человеческая теломераза предпочитает удлинять самые короткие теломеры: длинные теломеры удерживают больше белков шелтерина, которые затрудняют к ним доступ. Так длина теломер поддерживается в определённых пределах, как температура термостатом.
Эффект положения
Теломеры и прилегающие к ним участки упакованы в плотный гетерохроматин. Ген, перенесённый поближе к теломере, часто «замолкает» — у дрожжей это явление назвали эффектом положения теломеры. Поэтому укорочение теломер может менять работу генов, расположенных недалеко от концов хромосом, ещё до того, как клетка перестанет делиться.
Долгоживущие животные
Связь теломер с продолжительностью жизни у животных неоднозначна. У морской качурки — птицы, живущей больше 30 лет, — теломеры с возрастом не укорачиваются, а даже удлиняются. У крупных животных (слоны, киты) теломераза в соматических клетках, как и у человека, обычно выключена: при большом числе клеток ограничение делений дополнительно защищает от рака. У мелких короткоживущих грызунов, наоборот, теломеры длинные и теломераза активна.
Интересные факты
- Теломерный повтор человека ТТАГГГ совпадает с повтором трипаносом, плесневого гриба нейроспоры и слизевика физарума — ещё один довод в пользу общего происхождения эукариот.
- У инфузории оксидрихи теломеры самые короткие из известных: на концах её мини-хромосом всего 20 нуклеотидов двухцепочечного повтора и 16 — одноцепочечного выступа.
- Кэрол Грейдер открыла теломеразу, когда ей было 23 года; Нобелевскую премию она получила в 48 лет.
- У дрозофилы нет теломеразы, и её хромосомы удлиняются, когда на конец «перепрыгивают» ретротранспозоны HeT-A и TART: по сути, теломеры мухи состоят из одомашненных мобильных генетических элементов.
- Если сложить теломеры всех 92 концов хромосом одной клетки человека, получится около миллиона пар нуклеотидов — меньше 0,02 % ДНК клетки.
Задания с разбором
Задание 1. Множественный выбор (формат линии 7)
Выберите три верных утверждения о теломерах.
- Расположены на концах хромосом.
- Кодируют ферменты репарации ДНК.
- У человека состоят из многократных повторов ТТАГГГ.
- Служат местом прикрепления нитей веретена деления.
- Защищают концы хромосом от слияния друг с другом.
- Удлиняются при каждом делении соматических клеток.
Разбор
Верно 1, 3, 5. Неверно 2 — теломеры не кодируют белков; 4 — нити веретена прикрепляются к кинетохорам в области центромеры; 6 — в соматических клетках теломеры при каждом делении укорачиваются.
Ответ: 135.
Задание 2. Множественный выбор (формат линии 7)
Выберите три верных утверждения о теломеразе.
- Содержит собственную молекулу РНК.
- Её белковая часть — ДНК-лигаза.
- Активна в большинстве опухолевых клеток.
- Высокоактивна в нейронах взрослого человека.
- Удаляет теломерные повторы с концов хромосом.
- Синтезирует ДНК на матрице РНК.
Разбор
Верно 1, 3, 6. Неверно 2 — белковая часть теломеразы — обратная транскриптаза; 4 — нейроны не делятся, теломераза в них неактивна; 5 — теломераза не удаляет, а достраивает повторы.
Ответ: 136.
Задание 3. Установите соответствие (формат линии 6)
Установите соответствие между клетками и активностью в них теломеразы: 1) активна; 2) неактивна.
| Клетки | Теломераза |
|---|---|
| А) сперматогонии | 1) активна 2) неактивна |
| Б) нейроны коры больших полушарий | |
| В) клетки HeLa | |
| Г) фибробласты кожи взрослого человека | |
| Д) бластомеры раннего зародыша | |
| Е) кардиомиоциты |
Разбор
Теломераза активна в клетках половой линии (А), в опухолевых клетках, к которым относятся клетки HeLa (В), и в клетках раннего зародыша (Д). В неделящихся нейронах (Б) и кардиомиоцитах (Е) и в большинстве соматических клеток взрослого, например фибробластах (Г), она неактивна.
Ответ: 121212.
Задание 4. Последовательность (формат линии 8)
Установите последовательность событий при удлинении теломеры.
- синтез комплементарной цепи праймазой и ДНК-полимеразой
- спаривание РНК теломеразы с выступающим 3ʹ-концом ДНК
- присоединение нуклеотидов к 3ʹ-концу ДНК по РНК-матрице
- сдвиг теломеразы к новому 3ʹ-концу
- синтез следующего повтора ТТАГГГ
Разбор
Теломераза сначала узнаёт 3ʹ-конец (2), синтезирует повтор (3), сдвигается (4) и синтезирует следующий повтор (5). Вторая цепь достраивается после удлинения первой (1).
Ответ: 23451.
Задание 5. Найдите ошибки (формат линии 24)
Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их.
(1) Теломеры — концевые участки линейных хромосом эукариот. (2) Они состоят из уникальных последовательностей нуклеотидов, кодирующих белки. (3) При каждом делении соматической клетки теломеры укорачиваются. (4) Это объясняется тем, что ДНК-полимераза синтезирует новую цепь в направлении 3ʹ → 5ʹ. (5) Теломераза — фермент, содержащий молекулу РНК, которая служит матрицей для синтеза теломерных повторов. (6) В большинстве соматических клеток взрослого человека теломераза высокоактивна.
Разбор
- Предложение 2: теломеры состоят из многократно повторяющихся коротких последовательностей (у человека ТТАГГГ) и не кодируют белков.
- Предложение 4: ДНК-полимераза синтезирует цепь только в направлении 5ʹ → 3ʹ и не может начать её без праймера; после удаления последнего праймера на конце матрицы дочерняя цепь остаётся короче.
- Предложение 6: в большинстве соматических клеток взрослого теломераза неактивна; она активна в половых, стволовых клетках, клетках зародыша и опухолей.
Задание 6. Анализ опыта (формат линий 22–23)
Фибробласты кожи человека разделили на две группы. В клетки первой группы ввели вектор — молекулу ДНК, несущую ген белковой части теломеразы, в клетки второй группы — такой же вектор без этого гена. Клетки второй группы прекратили деление примерно после 55 удвоений численности. Клетки первой группы прошли больше 90 удвоений и продолжали делиться; их теломеры не укорачивались, набор хромосом оставался нормальным, контактное торможение сохранялось. Какая переменная в опыте независимая, какая зависимая? Зачем клеткам второй группы вводили вектор без гена? Объясните результаты. Почему клетки первой группы нельзя назвать опухолевыми?
Разбор
- Независимая переменная — наличие гена теломеразы в клетках; зависимая — число делений (удвоений численности), которое проходят клетки (и длина теломер).
- Вектор без гена вводили, чтобы исключить влияние самой процедуры введения ДНК и вектора: группы различаются только наличием гена теломеразы.
- В клетках второй группы теломеры укорачивались при каждом делении из-за концевой недорепликации и после достижения критической длины клетки перестали делиться (предел Хейфлика); в клетках первой группы теломераза достраивала повторы, и предел был снят.
- Опухолевые клетки, кроме бессмертия, утрачивают контактное торможение, имеют мутации в генах, управляющих делением, и часто — изменённый набор хромосом; у клеток первой группы этого нет, теломераза одна не делает клетку злокачественной.
Задание 7. Обобщение знаний (формат линии 25)
Ингибитор теломеразы при лечении опухолей начинает действовать на опухолевые клетки только через несколько недель после начала приёма, а одним из побочных эффектов является снижение числа тромбоцитов и лейкоцитов в крови. Объясните оба наблюдения.
Разбор
- Ингибитор не укорачивает теломеры сам по себе: он лишь прекращает их достройку, а укорочение происходит при делениях из-за недорепликации — на десятки и сотни нуклеотидов за деление.
- Поэтому эффект наступает, когда опухолевые клетки пройдут много делений и их теломеры (у опухолевых клеток они часто и так короткие) станут критически короткими; тогда клетки перестают делиться или погибают.
- Теломераза нужна и стволовым кроветворным клеткам красного костного мозга, которые постоянно делятся; её подавление нарушает их размножение, и образуется меньше клеток крови — тромбоцитов и лейкоцитов.
Задание 8. Расчётная задача (формат линии 27)
Длина теломеры в клетках культуры фибробластов человека — 9600 пар нуклеотидов. При каждом делении она укорачивается на 80 пар нуклеотидов, а при длине 5200 пар клетка перестаёт делиться. Сколько делений может совершить такая клетка? Объясните, почему теломеры укорачиваются и почему клетка перестаёт делиться.
Разбор
- Число делений: (9600 − 5200) : 80 = 55.
- Теломеры укорачиваются из-за концевой недорепликации: ДНК-полимераза удлиняет цепь только с 3ʹ-конца и только от праймера; после удаления последнего праймера на 3ʹ-конце матрицы участок остаётся недостроенным.
- Теломеразы в соматических клетках нет, потери не возмещаются; критически короткую теломеру клетка воспринимает как повреждение ДНК и останавливает деление (предел Хейфлика).
Задание 9. Матричный синтез (формат линии 27)
Участок РНК теломеразы, служащий матрицей, имеет последовательность 3ʹ-УЦЦЦААУЦЦЦААУ-5ʹ. Определите последовательность участка ДНК, который будет синтезирован по этой матрице, укажите его концы и число полных повторов ТТАГГГ в нём. Объясните, на каком принципе основан синтез и почему теломеразу относят к обратным транскриптазам.
Разбор
- По принципу комплементарности (У–А, Ц–Г, А–Т) и антипараллельности синтезируется участок ДНК 5ʹ-АГГГТТАГГГТТА-3ʹ.
- В нём один полный повтор ТТАГГГ (нуклеотиды 5–10); остальное — части соседних повторов.
- Теломераза синтезирует ДНК на матрице РНК, то есть переносит информацию в направлении РНК → ДНК, обратном транскрипции; поэтому её белковую часть называют обратной транскриптазой.
Задание 10 (олимпиадное). Сколько делений
В клетках культуры при каждом делении теломера теряет 50 пар нуклеотидов из-за концевой недорепликации и ещё 70 — при подрезании конца нуклеазами, восстанавливающими 3ʹ-выступ. Исходная длина теломеры — 11 200 пар нуклеотидов, критическая — 4000. а) Сколько делений совершит клетка? б) Сколько повторов ТТАГГГ должна добавлять теломераза на каждом конце за одно деление, чтобы длина теломеры не менялась? в) В клетке 46 хромосом, у каждой два конца разной длины. Длина какой теломеры определяет момент остановки деления и почему клетки одной культуры останавливаются не одновременно?
Разбор
а) Потеря за деление 50 + 70 = 120 пар нуклеотидов; число делений (11 200 − 4000) : 120 = 60.
б) 120 : 6 = 20 повторов на каждом конце (это 20 циклов синтеза и сдвига теломеразы).
в) Остановку вызывает первая же теломера, достигшая критической длины, то есть самая короткая из 92; длины теломер разных хромосом и разных клеток различаются, а потери при делении случайно колеблются, поэтому клетки культуры достигают предела в разное время.
Задание 11 (олимпиадное). Мыши без теломеразы
У мышей, лишённых РНК теломеразы, теломеры в половых клетках укорачиваются от поколения к поколению. Пусть исходная длина теломер — 40 тысяч пар нуклеотидов, потеря за поколение — 4,8 тысячи пар, а нарушения кроветворения и бесплодие появляются, когда теломеры становятся короче 15 тысяч пар. а) В каком поколении появятся нарушения? б) Почему первые поколения таких мышей здоровы, а люди с мутациями в генах теломеразы болеют уже в первом поколении? в) Почему у людей с такими мутациями болезнь в каждом следующем поколении проявляется раньше?
Разбор
а) После пятого поколения длина 40 − 5 × 4,8 = 16 тысяч пар (больше критической), после шестого — 11,2 тысячи (меньше). Нарушения появятся в шестом поколении.
б) У лабораторных мышей теломеры в несколько раз длиннее человеческих: запаса хватает на несколько поколений. У человека теломеры короткие, и даже частичная потеря активности теломеразы быстро доводит их до критической длины в тканях с частыми делениями.
в) Дети получают от родителя-носителя уже укороченные теломеры в гаметах, поэтому критическая длина в их тканях достигается раньше.
Задание 12 (олимпиадное). Опыт Шостака и Блэкберн
Линейная плазмида (молекула ДНК с генами-маркерами), введённая в клетки дрожжей, быстро разрушалась или сшивалась в кольца. Когда к её концам присоединили концевые участки линейной ДНК инфузории тетрахимены (повторы ТТГГГГ), плазмида сохранялась в линейной форме много поколений. Анализ показал, что на концах плазмиды поверх повторов тетрахимены появились повторы, характерные для теломер дрожжей. Какие выводы можно сделать из этих результатов?
Разбор
- Концы линейной ДНК без теломер клетка воспринимает как разрывы: они разрушаются нуклеазами или сшиваются ферментами репарации (отсюда кольца).
- Теломерные повторы защищают концы ДНК; механизм защиты сходен у очень далёких эукариот, раз повторы инфузории работают в дрожжах.
- Дрожжи надстроили на концах свои повторы, а не копии повторов тетрахимены; значит, теломерные повторы синтезируются особым ферментом по собственной матрице клетки-хозяина, а не копируются с имеющегося конца, — это было предсказанием теломеразы с её внутренней РНК-матрицей.
Литература
- Оловников А. М. Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов // Доклады АН СССР. 1971. Т. 201, № 6. С. 1496–1499.
- Olovnikov A. M. A theory of marginotomy // Journal of Theoretical Biology. 1973. Vol. 41. P. 181–190.
- Hayflick L., Moorhead P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains // Experimental Cell Research. 1961. Vol. 25. P. 585–621.
- Blackburn E. H., Gall J. G. A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA genes in Tetrahymena // Journal of Molecular Biology. 1978. Vol. 120. P. 33–53.
- Szostak J. W., Blackburn E. H. Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors // Cell. 1982. Vol. 29. P. 245–255.
- Greider C. W., Blackburn E. H. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts // Cell. 1985. Vol. 43. P. 405–413.
- Harley C. B., Futcher A. B., Greider C. W. Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts // Nature. 1990. Vol. 345. P. 458–460.
- Kim N. W. et al. Specific association of human telomerase activity with immortal cells and cancer // Science. 1994. Vol. 266. P. 2011–2015.
- Bodnar A. G. et al. Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells // Science. 1998. Vol. 279. P. 349–352.
- Griffith J. D. et al. Mammalian telomeres end in a large duplex loop // Cell. 1999. Vol. 97. P. 503–514.
- de Lange T. Shelterin: the protein complex that shapes and safeguards human telomeres // Genes & Development. 2005. Vol. 19. P. 2100–2110.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…