Ако можете да увеличите мащаба и да погледнете ДНК на върха на една от вашите хромозоми, какво бихте видели? Може да очаквате да намерите гени или може би някои ДНК последователности, участващи в генната регулация. Вместо това, това, което всъщност бихте намерили, е една единствена последователност – TTAGGG – повтаряща се отново и отново, стотици или дори хиляди пъти.
Теломерите се появяват като светли петна в краищата на всяка хромозома на снимката, показана по-горе.
Повтарящите се региони в самите краища на хромозомите се наричат теломери и се срещат в широк спектър от еукариотни видове, от човешки същества до едноклетъчни протисти. Теломерите действат като капачки, които защитават вътрешните региони на хромозомите и се износват в малко количество във всеки кръг на репликация на ДНК.
В тази статия ще разгледаме по-подробно защо са необходими теломерите, защо те се скъсяват по време на репликацията на ДНК и как ензимът теломераза може да се използва за тяхното удължаване.
За разлика от бактериалните хромозоми, хромозомите на еукариотите са линейни (пръчковидни), което означава, че имат краища. Тези краища представляват проблем за репликацията на ДНК. ДНК в самия край на хромозомата не може да бъде напълно копирана във всеки цикъл на репликация, което води до бавно, постепенно скъсяване на хромозомата.
Защо е така?
Когато ДНК се копира, една от двете нови вериги на ДНК във вилицата за репликация се създава непрекъснато и се нарича водеща верига . Другата верига се произвежда на много малки части, наречени фрагменти на Okazaki, всяка от които започва със собствен РНК праймер и е известна като изоставаща верига .
В повечето случаи праймерите на фрагментите на Okazaki могат лесно да бъдат заменени с ДНК и фрагментите да се свържат, за да образуват непрекъсната верига. Когато вилицата за репликация достигне края на хромозомата, обаче, има (при много видове, включително хора) къс участък от ДНК, който не се покрива от фрагмент на Оказаки – по същество няма начин фрагментът да започне, защото праймерът ще падне отвъд края на хромозомата . Също така, праймерът на последния фрагмент от Оказаки, който се получава, не може да бъде заменен с ДНК, както другите праймери.
Защо е така?
Благодарение на тези проблеми, част от ДНК в края на еукариотната хромозома остава некопирана във всеки кръг на репликация, оставяйки едноверижен надвес. По време на множество кръгове на клетъчно делене, хромозомата ще става все по-къса и по-къса, докато този процес се повтаря.
Истинската еукариотна хромозома би имала множество източници на репликация и множество репликационни мехурчета, но проблемът с крайната репликация би бил същият, както е показано по-горе.
Какво се случва с края на водещата верига на хромозомата?
В човешките клетки последният праймер на РНК на изоставащата верига може да бъде позициониран колкото да се нуклеотиди от края на хромозомата . По този начин, едноверижните надвеси, произведени от непълна крайна репликация при хората, са доста дълги и хромозомата се скъсява значително с всеки кръг на клетъчно делене.
За да се предотврати загубата на гени, тъй като краищата на хромозомите се износват, върховете на еукариотните хромозоми имат специализирани ДНК „шапки“, наречени теломери . Теломерите се състоят от стотици или хиляди повторения на 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 системите за възстановяване на ДНК на клетката, тъй като имат едноверижни надвеси, които “приличат” на увредена ДНК. Надвесът в края на изоставащата верига на хромозомата се дължи на непълна крайна репликация. Надвесът в края на водещата верига на хромозомата всъщност се генерира от ензими, които отрязват част от ДНК .
При някои видове (включително хора) едноверижните надвеси се свързват с комплементарни повторения в близката двойноверижна ДНК, което кара краищата на теломерите да образуват защитни бримки . Протеините, свързани с краищата на теломерите, също помагат за тяхната защита и предотвратяват задействането на пътища за възстановяване на ДНК.
Повторенията, които изграждат теломера, се изяждат бавно в продължение на много цикли на делене, осигурявайки буфер, който защитава вътрешните хромозомни области, носещи гените (поне за известен период от време). Скъсяването на теломерите е свързано със стареенето на клетките и прогресивната загуба на теломерите може да обясни защо клетките могат да се делят само определен брой пъти .
Някои клетки имат способността да обръщат скъсяването на теломерите чрез експресиране на теломераза , ензим, който разширява теломерите на хромозомите. Теломераза е РНК-зависима ДНК полимераза, което означава ензим, който може да направи ДНК, използвайки РНК като шаблон.
Ензимът се свързва със специална РНК молекула, която съдържа последователност, комплементарна на теломерното повторение. Той разширява (добавя нуклеотиди към) надвисналата верига на теломерната ДНК, използвайки тази комплементарна РНК като шаблон. Когато надвесът е достатъчно дълъг, съвпадаща верига може да бъде направена от нормалната машина за репликация на ДНК (тоест, използвайки РНК праймер и ДНК полимераза), произвеждайки двойноверижна ДНК.
Праймерът може да не е позициониран точно в края на хромозомата и не може да бъде заменен с ДНК, така че все още ще има надвес. Въпреки това, общата дължина на теломера ще бъде по-голяма.
Теломеразата обикновено не е активна в повечето соматични клетки (клетки на тялото), но е активна в зародишните клетки (клетките, които произвеждат сперма и яйцеклетки) и някои възрастни стволови клетки. Това са типове клетки, които трябва да претърпят много деления или, в случай на зародишни клетки, да дадат началото на нов организъм с нулиране на теломерния „часовник“ .
Интересното е, че много ракови клетки имат скъсени теломери.