Теломери - ДНК последователността
Ако можехме да увеличим мащаба няколкократно и да погледнем ДНК на върха на една от хромозомите си, какво щяхме да видим?
Може да очаквате да откриете гени или може би някои ДНК последователности, участващи в регулацията на гените. Вместо това, това, което всъщност ще намерите, е една последователност - TTAGGG - повтаряща се отново и отново, стотици или дори хиляди пъти.
Тези повтарящи се последователности в самите краища на хромозомите се наричат теломери и те се срещат в широк спектър от еукариотни видове - от хора до едноклетъчни протестисти. Теломерите действат като капачки, които защитават вътрешните участъци на хромозомите и се износват с малко количество във всеки кръг от репликацията на ДНК.
В тази статия ще разгледаме по-подробно защо са необходими теломери, защо те се скъсяват по време на репликацията на ДНК и как ензимната теломераза може да се използва за удължаването им.
Проблемът с крайната репликация, що е то крайна репликация?
За разлика от бактериалните хромозоми, хромозомите на еукариотите са линейни (с форма на прът), което означава, че имат краища. Тези краища представляват проблем за репликацията на ДНК. ДНК в самия край на хромозомата не може да бъде напълно копиран във всеки кръг на репликация, което води до бавно, постепенно скъсяване на хромозомата.
Защо е така? Когато ДНК се копира, едно от двете нови направления на ДНК репликацията си прави непрекъсната водеща верига. Другата нишка се произвежда на много малки парчета, наречени фрагменти от "Okazaki“, всяко от които започва със собствен РНК праймер и е известно като изоставащата нишка.
В повечето случаи праймерите на фрагментите на "Okazaki“ могат лесно да бъдат заменени с ДНК и свързаните фрагменти да образуват непрекъсната верига. Когато репликационната нишка стигне до края на хромозомата, има (при много видове, включително хората) къс участък от ДНК, който не се покрива с фрагмент на Оказаки.
Благодарение на тези "проблеми" част от ДНК в края на еукариотната хромозома се копира във всеки кръг на репликация, оставяйки едноверижен надвес. При множество кръгове на клетъчно делене хромозомата ще става все по-къса и по-къса, тъй като този процес се повтаря.
В човешките клетки последният РНК праймер на изоставащата верига може да бъде разположен от 707070 до 100100100 нуклеотиди далеч от края на хромозомата. По този начин едноверижните надвеси, получени от непълна крайна репликация при хора, са доста дълги и хромозомата се съкращава значително с всеки кръг на клетъчното делене.
И точно тук идва важната рола на главните герои в тази статия, а именно...
Теломерите
За да се предотврати загубата на гени, тъй като краищата на хромозомите се износват, върховете на еукариотните хромозоми имат специализирани ДНК "капачки", наречени теломери. Теломерите се състоят от стотици или хиляди повторения от една и съща къса ДНК последователност, която варира между организмите, но е 5'-TTAGGG-3' при хора и други бозайници.
Теломерите трябва да бъдат защитени от клетките за репарация на ДНК в клетката, тъй като имат едноверижни надвеси, които "приличат" на повредена ДНК. Надвесът в края на нишката на хромозомата всъщност се генерира от ензими, които отрязват част от ДНК.
При някои видове (включително хора) едноверижните надвеси се свързват с допълващи се повторения в близката двуверижна ДНК, карайки теломерните краища да образуват защитни бримки. Протеините, свързани с теломерните краища, също помагат да ги защитят и да не позволят да задействат пътя на възстановяване на ДНК.
Повторенията, изграждащи теломер, се "изяждат“ бавно през много цикли на делене, осигурявайки буфер, който защитава вътрешните хромозомни участъци, носещи гените (поне за известен период от време). Съкращаването на теломера е свързано със стареенето на клетките и прогресивната загуба на теломери може да обясни защо клетките могат да се разделят само определен брой пъти.
Каква е ролята на теломеразата?
Някои клетки имат способността да обърнат скъсяването на теломерите чрез експресиране на теломераза, ензим, който разширява теломерите на хромозомите. Теломеразата е РНК-зависима ДНК полимераза, което означава ензим, който може да направи ДНК, използвайки РНК като шаблон.
Как действа теломеразата?
Ензимът се свързва със специална молекула РНК, която съдържа последователност, допълваща теломерното повторение. Той разширява (добавя нуклеотиди) надвисналата верига на теломерната ДНК, използвайки тази допълваща РНК като шаблон. Когато надвесът е достатъчно дълъг, може да се направи съвпадение с помощта на нормалната машина за репликация на ДНК (тоест с помощта на РНК праймер и ДНК полимераза), като се получава двуверижна ДНК.
Праймерът може да не е разположен точно в края на хромозомата и не може да бъде заменен с ДНК, така че все още ще има надвес. Общата дължина на теломеразата ще бъде по-голяма.
Теломеразата обикновено не е активна в повечето соматични клетки (клетки на тялото), но е активна в зародишните клетки (клетките, които правят сперма и яйцeклетки) и някои възрастни стволови клетки. Това са клетъчни типове, които трябва да претърпят много деления, или в случай на зародишни клетки, пораждат нов организъм с неговия теломерен "часовник“ и нулиране.
Интересно е, че много ракови клетки имат съкратени теломери и теломеразата е активна в тези клетки. Ако теломеразата може да бъде инхибирана от лекарства като част от терапията на рака, тяхното излишно деление (и по този начин растежът на раковия тумор) може потенциално да бъде спряно.
Когато клетката започва да става ракова, тя се дели по-често и нейните теломери стават много къси. Ако теломерите ѝ станат твърде къси, клетката може да умре. Често пъти тези клетки избягват смъртта, като правят повече ензим на теломераза, което не позволява теломерите да станат още по-къси.
Много ракови заболявания имат съкратени теломери, включително тези на панкреаса, на костите, простатата, пикочния мехур, белия дроб, бъбреците, глава и шия.
Измерването на теломеразата може да бъде начин за откриване на рак. И ако учените могат да научат как да спрат теломеразата, те могат да се справят с рака, като разчитат на това, че раковите клетки остаряват и умират.
В един експеримент изследователите блокирали активността на теломеразата в раковите клетки на гърдата и на човек с рака на простатата, което накарало туморните клетки да умрат. Но има рискове. Блокирането на теломеразата може да наруши плодовитостта, зарастването на рани и производството на кръвни клетки и клетки на имунната система.
Теломери и отношението им към стареенето
Генетиците откриват, че по-късите теломери са свързани с по-кратък живот. Сред хората над 60 години тези с по-къси теломери са били три пъти по-склонни да умрат от сърдечно заболяване и осем пъти по-вероятно е било да умрат от инфекциозно заболяване.
Въпреки че скъсяването на теломерите е свързано с процеса на стареене, все още не е известно дали по-късите теломери са само признак на стареене - като сивата коса - или всъщност допринасят за стареенето.
Ако теломеразата прави раковите клетки безсмъртни, може ли да предотврати стареенето на нормалните клетки? Можем ли да удължим живота си, като запазим или възстановим дължината на теломерите с теломераза? Ако да, това ще увеличи ли риска от рак?
Учените все още не са сигурни. Но те са успели да използват теломераза в лабораторни условия, за да поддържат разделянето на човешките клетки далеч над нормалната им граница и клетките не стават ракови.
Ако сме използвали теломераза за "обезсмъртяване“ на човешки клетки, може да успеем да произведем масово клетки за трансплантация, включително клетки, произвеждащи инсулин за лечение на диабет, мускулни клетки за лечение на мускулна дистрофия, хрущялни клетки за някои видове артрит и кожни клетки за заздравяване при тежки изгаряния и рани. Неограничен запас от нормални човешки клетки, отглеждани в лаборатория, също би помогнал за усилията за тестване на нови лекарства и генни терапии.
Колко голяма е ролята на теломерите при стареенето?
Някои дълголетни видове, като хората например, имат теломери, които са много по-къси при видове като мишки, които живеят само няколко години. Никой не знае защо. Но това е доказателство, че теломерите сами по себе си не диктуват живота.
Едно иззследване установява, че когато хората се разделят на две групи въз основа на дължината на теломерите, половината с по-дълги теломери живеят средно с пет години по-дълго от тези с по-къси теломери. Това проучване предполага, че животът може да бъде увеличен с пет години чрез увеличаване на дължината на теломерите при хора с по-къси.
Хората с по-дълги теломери все още изпитват съкращаване на теломери с напредване на възрастта. Колко години могат да бъдат добавени към нашия живот, като напълно спрем съкращаването на теломерите? Някои учени вярват, че може да са 10 години, а може би и 30 години. Обнадеждаващо, нали?
След 60-годишна възраст рискът от смърт се удвоява на всеки 8 години. Така 68-годишен човек има два пъти повече шанс да умре в рамките на една година в сравнение с 60-годишен. Едно проучване установява, че разликите в дължината на теломерите представляват само 4% от тази разлика. И докато интуицията ни казва, че по-възрастните хора имат по-висок риск от смърт, само 6% се дължи чисто на хронологичната възраст. Когато дължината на теломерите, хронологичната възраст и полът се комбинират (жените живеят по-дълго от мъжете), тези фактори представляват 37% от вариацията в риска от смърт над 60-годишна възраст. И какво причинява останалите 63%?
Ето и отговорът - основна причина за стареенето е "оксидативният стрес". Това е увреждането на ДНК, протеини и липиди (мазнини), причинени от окислители, които са силно реактивни вещества, съдържащи кислород. Тези окислители се произвеждат нормално, когато дишаме, и също са резултат от възпаление, инфекция и консумация на алкохол и цигари. В едно проучване учените изложили червеи на две вещества, които неутрализират окислителите, и продължителността на живота на червеите се увеличила средно с 44%.
Друг фактор за стареенето е "гликацията". Това се случва, когато глюкозата, основната захар, която използваме като енергия, се свързва с някои от нашите ДНК, протеини и липиди, оставяйки ги неспособни да си вършат работата. Проблемът става по-дълбок, тъй като остаряваме, причинявайки неизправност в тъканите на тялото, което води до болести и смърт. Гликацията може да обясни защо проучванията при лабораторни животни показват, че ограничаването на приема на калории удължава живота.
Най-вероятно оксидативният стрес, гликацията, скъсяването на теломерите и хронологичната възраст - заедно с различни гени - всички работят заедно, за да причинят стареене.
И сега на въпроса, който всички си задаваме...
Какви са перспективите от теломерите за безсмъртието на човека?
Човешкият живот е нараснал значително след 1600 година, когато средният живот е бил 30 години. До 2012 г. средната продължителност на живота в САЩ е била почти 79. Причините за увеличението – в "играта“ се включват канализацията и други санитарни мерки, антибиотици, чиста вода, хладилникът, ваксините и други медицински придобивки за предотвратяване на смъртта на деца и бебета, подобряване на начина на хренане и по-добро здравеопазване.
Някои учени прогнозират, че средната продължителност на живота ще продължи да се увеличава, въпреки че мнозина се съмняват, че средната продължителност ще бъде много по-висока от 90 години. Все пак някои вярват, че са възможни значително по-дълги срокове на живот.
