Хромосомалардың ұшқыш тізбектерінің қайталану аймақтары

Кіріспе

Хромосомалардағы қайталанатын нуклеотидтік тізбектер аймағы.

Теломера ( /tɛlɪər/, /tiːlə/; ) – сызықтық хромосомалардың ұштарындағы арнайы ақуыздармен байланысты қайталанатын нуклеотидтік тізбектер аймағы (Тізбектерді қараңыз). Теломералар – эукариоттарда кең таралған, жиі кездесетін генетикалық ерекшелік. Оларды барлық дерлік, немесе көптеген түрлерде хромосомалық ДНК-ның ұшқы аймақтарын прогрессивті бұзылудан қорғайды және ДНК жөндеу жүйелерінің ДНК тізбегінің ұштарын екі тізбекті үзіліс ретінде қате түсінуіне жол бермей, сызықтық хромосомалардың тұтастығын сақтайды.

Ашылу

Хромосомалардың шеттеріндегі ерекше құрылымның бар екендігін 1938 жылы Герман Джозеф Мюллер *Drosophila melanogaster* жеміс шыбығын зерттегенде, ал 1939 жылы жүгерімен жұмыс істеген Барбара Макклинток тәуелсіз түрде ұсынды. Мюллер сәулеленген жеміс шыбығының хромосомаларының ұштарында жойылмау немесе инверсия сияқты өзгерістердің болмағанын байқады. Ол қорғаныш қабатының бар екенін болжап, оны грек тіліндегі *telos* (соңы) және *meros* (бөлік) сөздерінен "теломерлер" деп атады. 1970-ші жылдардың басында кеңес теоретігі Алексей Оловников хромосомалардың өздерінің ұштарын толық репликациялай алмайтынын алғаш рет анықтады; бұл "ұш репликациясының проблемасы" деп аталады. Осыған сүйене отырып, және Леонард Хейфликтің соматикалық жасушалардың шектеулі бөліну идеясын қабылдап, Оловников жасушалар репликацияланған сайын ДНК тізбектері жоғалады, бұл жоғалтулар белгілі бір деңгейге жеткенге дейін, яғни жасушалардың бөлінуі тоқтағанша жалғасады деп ұсынды. Оның маргинатомия теориясына сәйкес, теломерлердің ұштарындағы ДНК тізбектері тандемді қайталаулар түрінде бейнеленеді, бұл белгілі бір жасуша клонының қанша бөліне алатынын анықтайтын буферлік аймақты құрайды. Сонымен қатар, арнайы ДНК полимераза (бастапқыда тандемді ДНК полимераза деп аталған) өміршең тіндерде, мысалы, жыныс жасушаларында, қатерлі ісік жасушаларында және шекті жасушаларда теломерлерді ұзарта алатыны болжалды. Бұл гипотезадан бактериялар сияқты дөңгелек геномға ие организмдердің ұш репликациясының проблемасы болмайды және сондықтан олар қартаюы мүмкін емес деген қорытынды да туындайды. 1975–1977 жылдары Йель университетінде Джозеф Галлпен бірге постдокторант ретінде жұмыс істеген Элизабет Блэкберн хромосомалардың ұштарын құрайтын қарапайым қайталанатын ДНК тізбектерімен ерекшеленетін теломерлерді ашты. Блэкберн, Кэрол Грейдер және Джек Шостак хромосомалардың теломерлер мен теломераза ферменті арқылы қалай қорғалатынын ашқаны үшін 2009 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.

Қалпына келтіру проблемасы

ДНК репликациясы кезінде ДНК полимеразасы аталық тізбектердің 3' ұштарындағы тізбектерді көшіре алмайды. Бұл ДНК синтезінің бір бағытты қасиетінен туындайды: ол жаңа нуклеотидтерді тек 3' ұшына ғана қоса алады (яғни синтез 5'→3' бағытында жүреді), сондықтан репликацияны бастау үшін праймер қажет. Алдыңғы тізбекте (репликациялық шанышқыда 5'→3' бағытта) ДНК полимеразасы бастау нүктесінен тізбектің соңына дейін үздіксіз көшіреді, содан кейін праймер (РНК-дан жасалған) алынып тасталады және ДНК-мен алмастырылады. Алайда, артта қалған тізбек репликациялық шанышқыға қатысты 3'→5' бағытта орналасқан, сондықтан ДНК полимеразасымен үздіксіз көшіру мүмкін емес, бұл бастау орнынан 5' бағытына қарай праймерлерді қайталап синтездеуді талап етеді (артта қалған тізбек көшіруіне қараңыз). Артта қалған тізбек репликациясында соңғы праймер шаблонның 3' ұшына жақын орналасады (артта қалған тізбектің 5' ұшына сәйкес). Бастапқыда соңғы праймер шаблонның соңында болады деп есептелген, сондықтан ол алынып тасталғаннан кейін, праймерлерді ДНК-мен алмастыратын ДНК полимераза (эукариоттарда ДНК Pol δ) артта қалған тізбектің 5' ұшынан "алмастыру ДНК"-сын синтездеуге шамасы келмейді, нәтижесінде соңғы праймерге жұптасқан шаблон нуклеотидтері көшірілмей қалады. Кейіннен соңғы артта қалған тізбек праймерінің шынымен шаблонның 3' ұшында орналасқаны күмәнданып, оның 70–100 нуклеотид қашықтықта синтезделетіні көрсетілді, бұл мәдени жағдайда өсірілген адам жасушаларында ДНК-ның жасушалық бөліну кезінде 50–100 базалық жұпқа дейін қысқаруымен сәйкес келеді. Егер кодтау тізбектері осы процесте зақымданса, маңызды генетикалық код жоғалуы мүмкін. Теломерлер – кодтамайтын, қайталанатын тізбектер, олар сызықтық хромосомалардың ұштарында орналасқан және одан кейінгі кодтау тізбектері үшін буферлік қызмет атқарады. Олар ұшқыш тізбектерді "қаптау" қызметін атқарады және ДНК репликациясы процесінде біртіндеп тозады. "Ұш репликациясының мәселесі" тек сызықтық хромосомаларға тән, себебі дөңгелек хромосомалардың ұштары ДНК полимеразалардың қолжетімділігінен тыс қалмайды. Көптеген прокариоттар дөңгелек хромосомаларға сүйенгендіктен, сәйкесінше, теломерлерге ие емес. Алайда, бактериялық хромосомалардың шағын бөлігі (мысалы, Streptomyces, Agrobacterium және Borrelia түрлерінде) сызықтық және теломерлерге ие, олар құрылымы мен функциясы жағынан эукариоттық хромосомалардың теломерлерінен ерекшеленеді. Бактериялық теломерлердің белгілі құрылымдары сызықтық хромосомалардың ұштарына байланысқан ақуыздар немесе сызықтық хромосомалардың ұштарындағы бір тізбекті ДНК-ның шаштық тізбектері түрінде болады.

During DNA replication, DNA polymerase cannot replicate the sequences present at the 3' ends of the parent strands. This is a consequence of its unidirectional mode of DNA synthesis: it can only attach new nucleotides to an existing 3' end (that is, synthesis progresses 5' 3') and thus it requires a primer to initiate replication. On the leading strand (oriented 5' 3' within the replication fork), DNA polymerase continuously replicates from the point of initiation all the way to the strand's end with the primer (made of RNA) then being excised and substituted by DNA. The lagging strand, however, is oriented 3' 5' with respect to the replication fork so continuous replication by DNA polymerase is impossible, which necessitates discontinuous replication involving the repeated synthesis of primers further 5' of the site of initiation (see lagging strand replication). The last primer to be involved in lagging strand replication sits near the 3' end of the template (corresponding to the potential 5' end of the lagging strand). Originally it was believed that the last primer would sit at the very end of the template, thus, once removed, the DNA polymerase that substitutes primers with DNA (DNA Pol δ in eukaryotes) would be unable to synthesize the "replacement DNA" from the 5' end of the lagging strand so that the template nucleotides previously paired to the last primer would not be replicated. It has since been questioned whether the last lagging strand primer is placed exactly at the 3' end of the template and it was demonstrated that it is rather synthesized at a distance of about 70–100 nucleotides which is consistent with the finding that DNA in cultured human cell is shortened by 50–100 base pairs per cell division. If coding sequences are degraded in this process, potentially vital genetic code would be lost. Telomeres are non coding, repetitive sequences located at the termini of linear chromosomes to act as buffers for those coding sequences further behind. They "cap" the end sequences and are progressively degraded in the process of DNA replication. The "end replication problem" is exclusive to linear chromosomes as circular chromosomes do not have ends lying without reach of DNA polymerases. Most prokaryotes, relying on circular chromosomes, accordingly do not possess telomeres. A small fraction of bacterial chromosomes (such as those in Streptomyces, Agrobacterium, and Borrelia), however, are linear and possess telomeres, which are very different from those of the eukaryotic chromosomes in structure and function. The known structures of bacterial telomeres take the form of proteins bound to the ends of linear chromosomes, or hairpin loops of single stranded DNA at the ends of the linear chromosomes.

Теломерлер ұшы және шельтер

Теломердің 3' шетінде 300 негіздік жұптан тұратын үстірттік бөлік бар, ол теломердің екі жіпті бөлігіне еніп, Т-шеге деп аталатын құрылымды қалыптастырады. Бұл цикл түйінге ұқсас, ол теломерді тұрақтандырып, ДНК жөндеу механизмдерінің теломер ұштарын үзіліс нүктелері ретінде тануына кедергі келтіреді. Егер теломерлік ұштарында гомолог емес ұштарының қосылуы орын алса, хромосомалық бірігуге әкеледі. Т-шеге бірнеше ақуыздармен ұсталып тұрады, олар жиынтығында "шельтерін" кешені деп аталады. Адамдарда шелтерин кешені TRF1, TRF2, TIN2, POT1, TPP1 және RAP1 деп аталатын алты ақуызды құрайды. Көптеген түрлердегі тізбектік қайталаулар гуанинге байытылған, мысалы, омыртқалы жануарларда TTAGGG, бұл Уотсон-Крик жұптасуынан өзгеше негіздердің жұптасуын қамтитын ДНК-ның ерекше конформациясы – G квадроплекстерінің қалыптасуына мүмкіндік береді. Бір немесе екі жіпті ДНК-ның қатысуына байланысты түрлі субтиптері бар. Тікенектілерде (омыртқалы жануарлардағыдай теломерлік қайталауларға ие) 3' үстірттік бөлігі G квадроплекстерін құрайтынына дәлелдер бар, бұл оны T-шегесінен гөрі жайғастырады. G квадроплекстер ДНК полимеразалары сияқты ферменттерге кедергі келтіреді, сондықтан репликация және транскрипцияны реттеуге қатысады деп саналады.

Теломераза

Көптеген организмдерде теломераза деп аталатын рибонуклеопротеин ферменті бар, ол ДНК-ның ұштарына қайталанатын нуклеотидтік тізбектерді қосу жұмысын атқарады. Теломераза теломердің "қақпағын" "қайта толықтырады" және АТФ қажет етпейді. Көптеген көпжасушалы эукариоттық организмдерде теломераза тек жыныс жасушаларында, эмбриондық сабақ жасушалары сияқты кейбір сабақ жасушаларында және белгілі бір ақ қан жасушаларында ғана белсенді болады. Теломераза қайтадан белсендірілуі мүмкін және соматикалық жасуша ядросын ауыстыру арқылы теломерлер эмбриондық жағдайға қайта оралуы мүмкін. Соматикалық (дене) жасушалардағы әр репликация кезінде теломерлердің үнемі қысқаруы қартаю процесінде және қатерлі ісіктің алдын алуда рөл атқарады. Өйткені теломерлер белгілі бір уақытқа дейін жұмыс істейтін "сақтандырғыш" сияқты, содан кейін жасушалық бөліністердің белгілі бір санынан кейін тоқталып, болашақ бөлінулер кезінде жасушаның хромосомасынан маңызды генетикалық ақпараттың жоғалуына әкеледі.

Ұзындығы

Теломерлердің ұзындығы түрлер арасында кеңінен өзгереді, ашытқыда шамамен 300 негіз жұбынан бастап адамда көптеген килобазаға дейін, және әдетте гуанинге бай, алтыдан сегізге дейінгі негіз жұптарынан тұратын қайталама тізбектерден құралған. Эукариотикалық теломерлер әдетте 3'-ті бір жіпті ДНК-ның 75-тен 300 базаға дейінгі ұзындықтағы тұйықпен аяқталады, бұл теломерлерді сақтау және қорғау үшін өте маңызды. Бір және екі жіпті теломерлік ДНК-ға байланысатын көптеген белоктар анықталды. Бұл белоктар теломерлерді сақтау және қорғау функцияларын атқарады. Теломерлер ірі циклдік құрылымдарды – теломерлік циклдерді немесе Т-циклдерін қалыптастырады. Мұнда бір жіпті ДНК ұзын шеңберге иіліп, теломерге байланысатын белоктармен тұрақтандырылады. Т-циклінің ұшында бір жіпті теломерлік ДНК екі жіпті ДНК аймағына теломерлік жіп арқылы байланысады, осы арқылы қос спиральді ДНК-ны бұзып, екі жіптің бірімен негіздік жұптасуды жүзеге асырады. Бұл үш жіпті құрылым ығыстырылған цикл немесе D-цикл деп аталады.

Окистену зақымдануы

Репликация мәселесінен басқа, in vitro зерттеулер теломерлердің тотығу стресінен зақымдану жинақтайтынын және тотығу стресі арқылы ДНҚ зақымдануының тірі организмде теломерлердің қысқаруына маңызды әсер ететінін көрсетті. Реактивті оттегі түрлері (РОС) арқылы тотығу стресі ДНҚ зақымдануына әкелуі мүмкін көптеген жолдар бар; алайда, теломерлердегі жоғары деңгей олардың туа біткен сезімталдығынан немесе осы аймақтардағы ДНҚ жөндеу жүйелерінің әрекетінің төмендеуінен туындай ма, әлі анық емес. Табылған нәтижелерге кеңінен келісім болғанына қарамастан, өлшеу және сынама алудағы кең таралған қателер көрсетілді; мысалы, теломерлерге тотығу зақымдануының түрлер мен тіндерге байланысты болуы жеткіліксіз ескерілгені айтылады. Халық арасында жүргізілген зерттеулер антиоксиданттарды қабылдау мен теломер ұзындығы арасындағы байланысты көрсетті. Лонг-Айленд Сүт Безі Қатерлі Ісігі Зерттеу Жобасында (LIBCSP) авторлар ең қысқа теломерлері бар және бета-каротин, С немесе Е витаминін азықпен аз мөлшерде тұтынатын әйелдерде сүт безі қатерлі ісігінің қаупі орташа деңгейде жоғары екенін анықтады. Бұл нәтижелер теломерлердің қысқаруынан туындаған қатерлі ісігі қаупінің басқа ДНҚ зақымдану механизмдерімен, әсіресе тотығу стресімен өзара әрекеттесуін көрсетеді.

Қартаюға байланысты

Теломерлер адам өмірі бойы қысқара түссе де, түрдің өмір сүру ұзақтығымен байланыстысы теломерлердің ұзындығы емес, қысқару қарқыны. Теломерлердің қысқаруы тәжірибелік жануарларда қартаю, өлім-жітім және қартаюмен байланысты аурулармен байланысты. Адам өмірінің ұзақтығына темекі шегу, тамақтану, дене шынықтыру сияқты көптеген факторлар әсер етеді, бірақ адам өмірінің ең жоғарғы шегіне жақындағанда, ұзын теломерлер өмір сүру ұзақтығымен байланысты болуы мүмкін.

Психологиялық стресстің ықтимал әсері

Мета-талдаулар психологиялық стресс сезімінің күшеюінің теломерлер ұзындығының шамалы қысқаруымен байланысты екенін көрсетті, бірақ жарияланымға қатысты қиыстыруды ескергенде бұл байланыс маңызды емес болып шықты. Теломерлерді стресс және қиын жағдайларға ұшыраудың интегративтік биомаркерлері ретінде қарастыратын әдебиет көбінесе көлденең кесімді және корреляциялық зерттеулерге негізделген, бұл себеп-салдарлық байланысты анықтауды қиындатады. 2020 жылғы шолуда психоәлеуметтік стресс пен теломер ұзындығы арасындағы байланыстың ананың құрсағында немесе балалық шақта басталған стресске байланысты ең мықты болатыны айтылды.

Ұзарту

Жасушаның шектеулі бөліну құбылысын алғаш рет Леонард Хейфлик байқаған, және қазір бұл Хейфлик шегі деп аталады. Кейіннен, Geron корпорациясының негізін қалаушы Майкл Д. Вест басшылық еткен ғалымдар тобы маңызды жаңалықтар ашты, олар теломерлердің қысқаруын Хейфлик шегімен байланыстырды. Теломеразаның каталитикалық компонентін клондау, теломеразаның экспрессиясы теломерлердің қысқаруын болдырмауға жеткілікті деңгейде болса, адам жасушаларын өлмес етуге қабілетті ме екенін тексеруге мүмкіндік берді. 1998 жылы «Science» журналында жарияланған зерттеуде теломераза жасушалардың өмір сүру ұзақтығын ұзартуға қабілетті екені көрсетілді, және қазір адам соматикалық жасушаларын өлмес етуге қабілетті екені жақсы белгілі. Ұзақ өмір сүретін теңіз құстарына қатысты екі зерттеу теломерлердің рөлінің толыққанды түсініксіз екенін көрсетеді. 2003 жылы ғалымдар Личтің дауылдық петрелінің (Oceanodroma leucorhoa) теломерлерінің хронологиялық жасқа қарай ұзаратынын байқады, бұл теломерлердің мұндай мінез-құлқының алғашқы байқалған мысалы. Бір зерттеуде сүтқоректілердің әртүрлі түрлерінің теломерлерінің ұзындығы тіршілік ету ұзақтығымен кері пропорционалды екені анықталды, және теломерлердің ұзақтыққа қосқан үлесі әлі де даулы болып отыр деген қорытындыға келді. Адамдарда теломерлердің ұзындығы маңызды когнитивтік және физикалық қабілеттерге қатысты қалыпты қартаюдың маңызды биомаркері екеніне аз дәлел бар.

Өлшем

Қазіргі уақытта эукариотикалық жасушаларда теломерлердің орташа ұзындығын бағалау үшін бірнеше техника қолданылады. Олардың бірі – терминалдық шектеу фрагменті (TRF) оңтүстік блот әдісі. Теломер ұзындығын талдауға арналған Web-те WALTER (Теломерлердің Ұзындығын Талдаушы) бағдарламалық қамтамасыз етуі бар, ол TRF суреттерін өңдейді. Теломер ұзындығын анықтауға арналған нақты уақыт ПТР-тест, теломер мен бір ғана геннің (T/S) арақатынасын анықтауды қамтиды, және бұл арақатынас жасушадағы орташа теломер ұзындығына пропорционал екені көрсетілген. Сонымен қатар, толық геномдық тізбектеу (WGS) эксперименттерінен теломер ұзындығын бағалауға арналған құралдар да жасалған. Олардың ішінде TelSeq, Telomerecat және telomereHunter бар. WGS деректерінен ұзындықты бағалау әдетте теломерлік тізбектеу оқуларын бөліп қарау арқылы жұмыс істейді, содан кейін осы оқулардың санына сәйкес келетін теломер ұзындығын анықтайды. Бұл әдістердің ПТР және TRF сияқты бұрын қолданылған бағалау әдістерімен сәйкес екені дәлелденді. Flow FISH адам ақ қан жасушаларындағы теломер ұзындығын өлшеу үшін қолданылады. 2006 жылы Nature Protocols журналында Flow FISH арқылы теломерлердің орташа ұзындығын өлшеудің жартылай автоматтандырылған әдісі жарияланды. Көптеген компаниялар теломер ұзындығын өлшеу қызметтерін ұсынса да, осы өлшемдердің кең ауқымды клиникалық немесе жеке қолданыстағы тиімділігі күмәнді. Нобель сыйлығының иегері және бір компанияның негізін қалаушы Элизабет Блэкберн теломер ұзындығын өлшеудің клиникалық маңыздылығын жақтады.

Жабайы жануарлар дүниесінде

Соңғы екі онжылдықта экологиялық-эволюциялық зерттеулер жабайы жануарлардың теломераларына өмірлік цикл қасиеттерінің және қоршаған орта жағдайларының қаншалықты әсер ететінін қарастырды. Осы зерттеулердің көп бөлігі жылу қанды жануарларда, яғни құстар мен сүтқоректілерде жүргізілді. Олар теломера ұзындығының мұрагерлікпен берілетінін көрсетті, бірақ мұрагерлік көрсеткіштері түрлер ішінде де, түрлер арасында да айтарлықтай өзгереді. Омыртқалы жануарларда жас пен теломера ұзындығы көбінесе кері байланысты, бірақ бұл төмендеу таксондар арасында әртүрлі және теломера ұзындығын бағалау әдісіне байланысты. Алайда, қолда бар мәліметтерге сәйкес, омыртқалы жануарларда теломера ұзындығы бойынша жыныстық айырмашылықтар байқалмайды. Филогенез және дене мөлшері немесе өмір ырғағы сияқты өмірлік цикл қасиеттері де теломера динамикасына әсер етуі мүмкін. Мысалы, бұл құстар мен сүтқоректілердің түрлерінде сипатталған. 2019 жылы жүргізілген мета-талдау стресс факторларына (мысалы, патогендік инфекция, бәсекелестік, репродуктивтік күш-жігер және жоғары белсенділік деңгейі) ұшыраудың әртүрлі жануарлар таксономдарында теломераның қысқаруымен байланысты екенін растады. Эктотермдер және басқа сүтқоректі емес организмдерге қатысты зерттеулер теломераның эрозиясына қатысты жалпыға ортақ бір модельдің жоқтығын көрсетеді; керісінше, метазоаларда кең ауқымды динамика байқалады, тіпті кішірек таксономиялық топтарда да осы үлгілер әртүрлі болып көрінеді.