Telomera

Telomera – tai pasikartojančių nukleotidų sekų regionas, susijęs su specializuotais baltymais, randamas linijinių chromosomų galuose. Telomeros yra plačiai paplitęs genetinis požymis, būdingas daugeliui eukariotų. Daugumoje jas turinčių organizmų telomeros apsaugo galines chromosominės DNR sritis nuo progresyvaus irimo ir užtikrina linijinių chromosomų vientisumą, neleisdamos DNR reparacijos sistemoms klaidingai atpažinti chromosomos galų kaip dvigrandinės DNR trūkių.                                

 Atradimas 
Specialios struktūros, esančios chromosomų galuose, egzistavimą nepriklausomai pasiūlė Hermanas Džozefas Mãleris 1938 m., tyrinėdamas vaisinę muselę (Drosophila melanogaster), ir Barbara Maklintok 1939 m., dirbdama su kukurūzais. Mãleris pastebėjo, kad apšvitintų vaisinių muselių chromosomų galuose nesusidaro tokie pokyčiai kaip delecijos ar inversijos. Jis iškėlė hipotezę, jog chromosomų galai turi apsauginę struktūrą, kurią pavadino „telomeromis“ (iš graikų kalbos žodžių telos – „galas“ ir meros – „dalis“).

XX a. 8-ajame dešimtmetyje sovietų teoretikas Aleksėjus Olovnikovas pirmasis pastebėjo, kad chromosomos negali pilnai replikuoti savo galų – ši problema tapo žinoma kaip „replikacijos pabaigos problema“ (angl. end replication problem). Remdamasis šia idėja ir Leonardo Hayflicko pasiūlytu riboto somatinių ląstelių dalijimosi principu, Olovnikovas iškėlė prielaidą, jog kiekvieno ląstelių dalijimosi metu prarandama dalis DNR sekų, kol nuostolis pasiekia kritinį lygį ir ląstelė nustoja dalytis. Pagal jo pasiūlytą marginotomijos teoriją telomerų galuose esančios DNR sekos yra sudarytos iš pasikartojančių (tandeminių) sekų, kurios veikia kaip buferis, nustatantis, kiek kartų gali dalytis tam tikra ląstelių klonų populiacija. Be to, buvo prognozuota, kad specializuota DNR polimerazė (iš pradžių pavadinta tandemine DNR polimeraze) gali pailginti telomeras nemirtinguose audiniuose, tokiuose kaip lytinės ląstelės, vėžinės ląstelės ar kamieninės ląstelės. Remiantis šia hipoteze taip pat buvo padaryta išvada, kad organizmai, turintys žiedinį genomą (pvz., bakterijos), nesusiduria su replikacijos pabaigos problema, todėl ir nesensta.

Olovnikovas pasiūlė, kad lytinėse ląstelėse, vegetatyviškai besidauginančių organizmų ląstelėse bei nemirtingose ląstelių populiacijose, pavyzdžiui, daugumoje vėžinių ląstelių linijų, gali veikti specialus fermentas, užkertantis kelią DNR galų trumpėjimui kiekvienu ląstelės dalijimosi metu.

1975–1977 m. Elizabetė Blakbern, dirbdama podoktorantūros tyrėja Jeilio universitete kartu su Džozefu G. Gallu, nustatė neįprastą telomerų prigimtį – paaiškėjo, kad chromosomų galai sudaryti iš paprastų, pasikartojančių DNR sekų. Už telomerų bei jas pailginančio fermento telomerazės atradimą Blakbern kartu su Carol Greider ir Jack William Szostak 2009 m. buvo apdovanota Nobelio fiziologijos ir medicinos premija.

 Struktūra ir funkcija 
 Replikacijos pabaigos problema 
DNR replikacijos metu DNR polimerazė negali visiškai replikuoti 3' kryptimi orientuotų motininių grandinių galų sekų. Taip yra todėl, kad DNR sintezė vyksta viena kryptimi: fermentas geba prijungti naujus nukleotidus tik prie jau esančio 3' galo, todėl sintezė vyksta 5'→3' kryptimi ir jai reikalingas pradmuo. Pirmaujančioje grandinėje (orientuotoje 5'→3' kryptimi replikacijos šakutės atžvilgiu) DNR polimerazė sintezę vykdo nenutrūkstamai – nuo pradžios taško iki pat grandinės galo, o pradmuo (sudarytas iš RNR) vėliau pašalinamas ir pakeičiamas DNR sekomis. Tačiau atsiliekanti grandinė yra orientuota priešinga kryptimi (3'→5'), todėl nenutrūkstama replikacija joje negalima, o tai verčia naudoti netolydžią replikaciją, kai nuolat sintetinami nauji pradmenys, toliau nuo pradžios taško 5' kryptimi.

Anksčiau manyta, kad paskutinis pradmuo atsiliekančioje grandinėje prisijungia ties pačiu DNR matricos 3' galu, tad jį pašalinus, fermentas, keičiantis pradmenis į DNR (eukariotuose – DNR polimerazė δ), negali užpildyti paskutinio tarpo. Taip lieka nereplikuotų nukleotidų matricos grandinės gale. Vėlesni tyrimai parodė, kad paskutinis atsiliekančios grandinės pradmuo sintetinamas ne pačios matricos gale, o apie 70–100 nukleotidų atstumu nuo jo, kas atitinka pastebėjimą, kad kultivuojamų žmogaus ląstelių DNR trumpėja apie 50–100 bazinių porų kiekvieno ląstelės dalijimosi metu.

Jeigu šio proceso metu būtų degraduojamos koduojančios DNR sekos, būtų prarandama gyvybiškai svarbi genetinė informacija. Dėl šios priežasties chromosomų galuose yra nekoduojančios, pasikartojančios telomerų sekos, veikiančios kaip apsauginiai „buferiai“. Jos uždengia chromosomų galus, todėl DNR replikacijos metu jų trumpėjimas nekelia tiesioginio pavojaus tolimesnėms koduojančioms sekoms.

Pabaigos replikacijos problema būdinga tik linijinėms chromosomoms, kadangi žiedinės chromosomos neturi laisvų galų, kurių negalėtų pasiekti DNR polimerazės. Dauguma prokariotų turi žiedines chromosomas, todėl telomerų neturi. Tačiau kai kurių bakterijų (pvz., Streptomyces, Agrobacterium, Borrelia) chromosomos yra linijinės ir turi telomeras, kurių struktūra bei funkcija smarkiai skiriasi nuo eukariotų telomerų. Žinomos bakterijų telomerų struktūros dažniausiai sudarytos iš baltymų, prisijungusių prie linijinių chromosomų galų, arba iš viengrandės DNR sudarytų β linkių.

 Telomerų galai ir šelterinas 
Pačiame telomeros 3' gale yra maždaug 300 bazinių porų iškyša, kuri gali įsiterpti į dvigrandę telomeros dalį, sudarydama struktūrą, vadinamą T-kilpa. Ši kilpa yra analogiška mazgui, kuris stabilizuoja telomerą ir neleidžia DNR reparacijos mechanizmams atpažinti telomerų galų kaip trūkio vietų. Jei tokie telomerų galai būtų sujungti nehomologinio galų sujungimo būdu, įvyktų chromosomų sulipimas (fuzija).

T-kilpos struktūrą palaiko specialių baltymų kompleksas, bendrai vadinamas šelterinu (angl. shelterin). Žmogaus ląstelėse šelterino kompleksą sudaro šeši baltymai: TRF1, TRF2, TIN2, POT1, TPP1 ir RAP1. 

Daugelyje rūšių pasikartojančiose telomerų sekose gausu guanino (pvz., stuburinių organizmų seka yra TTAGGG); tai leidžia formuotis G-kvadrupleksams – ypatingai DNR konformacijai, kuriai būdinga ne Watsono-Kriko tipo bazių porų sąveika. Egzistuoja įvairūs jų potipiai, priklausomai, be kita ko, nuo to, ar struktūroje dalyvauja viengrandė, ar dvigrandė DNR. Yra duomenų, kad blakstienotųjų (kurių telomerų pasikartojimai panašūs į randamus stuburiniuose) 3' iškyša formuoja būtent tokius G-kvadrupleksus, kurie ją talpina, o ne T-kilpą. G-kvadrupleksai yra kliūtis tokiems fermentams kaip DNR polimerazės, todėl manoma, kad jie dalyvauja replikacijos ir transkripcijos reguliacijoje.

 Telomerazė 
mini|Chromosomų galų sintezė veikiant telomerazei
Daugelis organizmų turi ribonukleobaltyminį fermentą, vadinamą telomeraze, kuris atlieka pasikartojančių nukleotidų sekų prijungimo prie DNR galų funkciją. Telomerazė „papildo“ telomerų galus ir tam nereikia ATP. Daugumoje daugialąsčių eukariotinių organizmų telomerazė yra aktyvi tik lytinėse ląstelėse, kai kurių tipų kamieninėse ląstelėse, pavyzdžiui, embrioninėse kamieninėse ląstelėse, ir tam tikrose baltosiose kraujo ląstelėse. Telomerazę galima reaktyvuoti, o telomeras grąžinti į embrioninę būseną somatinių ląstelių branduolių perkėlimo būdu. Nuolatinis telomerų trumpėjimas kiekvienos replikacijos metu somatinėse (kūno) ląstelėse gali turėti reikšmės senėjimui ir vėžio prevencijai. Taip yra todėl, kad telomeros veikia kaip tam tikras laiko delsos „saugiklis“, galiausiai išsenkantis po tam tikro ląstelių dalijimųsi skaičiaus, o tai lemia, kad su vėlesniais dalijimaisis galiausiai prarandama gyvybiškai svarbi genetinė informacija iš ląstelės chromosomos.Barnes, R.P., de Rosa, M., Thosar, S.A., et al., Telomeric 8-oxo-guanine drives rapid premature senescence in the absence of telomere shortening, Nature, June 30, 2022; Nat Struct Mol Biol 29, 639–652 (2022). https://doi.org/10.1038/s41594-022-00790-y
 Ilgis 
Telomerų ilgis labai skiriasi tarp rūšių: nuo maždaug 300 bazinių porų mielėse iki daugelio kilobazių žmonėse, ir paprastai jas sudaro guaninu gausių, šešių–aštuonių bazinių porų ilgio pasikartojimų masyvai. Eukariotų telomeros paprastai baigiasi 3′ viengrandės DNR iškyša, kurios ilgis svyruoja nuo 75 iki 300 bazių ir kuri yra būtina telomerų palaikymui bei uždengimui. Buvo identifikuota daug baltymų, prisijungiančių prie viengrandės ir dvigrandės telomerinės DNR. Jie atlieka tiek telomerų palaikymo, tiek uždengimo funkcijas. Telomeros formuoja dideles kilpines struktūras, vadinamas telomerinėmis kilpomis arba T-kilpomis. Jose viengrandė DNR susisuka į ilgą žiedą, stabilizuojamą telomeras surišančių baltymų. Pačiame T-kilpos gale viengrandė telomerinė DNR yra laikoma prisijungusi prie dvigrandės DNR regiono, telomerinei grandinei išardant dvigubą DNR spiralę ir sudarant bazines poras su viena iš dviejų grandinių. Ši trigrandė struktūra vadinama D kilpa.
 Trumpėjimas 
 Oksidacinė pažaida 
Be replikacijos pabaigos problemos, in vitro tyrimai parodė, kad telomerose kaupiasi pažeidimai dėl  oksidacinio streso ir kad oksidacinio streso sukelta DNR pažaida turi didelę įtaką telomerų trumpėjimui in vivo. Yra daugybė būdų, kuriais oksidacinis stresas, kurį sukelia reaktyviosios deguonies formos, gali pažeisti DNR; tačiau kol kas neaišku, ar padidėjęs pažeidimų dažnis telomerose yra nulemtas jų prigimtinio jautrumo, ar sumažėjusio DNR reparacijos sistemų aktyvumo šiose srityse. Nepaisant plataus sutarimo dėl šių išvadų, buvo atkreiptas dėmesys į plačiai paplitusius matavimo ir mėginių ėmimo trūkumus; pavyzdžiui, teigiama, kad nepakankamai atsižvelgiama į įtariamą telomerų oksidacinės pažaidos priklausomybę nuo rūšies ir audinio. Populiaciniai tyrimai parodė sąveiką tarp antioksidantų vartojimo ir telomerų ilgio. Long Ailendo krūties vėžio tyrimo projekte (angl. Long Island Breast Cancer Study Project, LIBCSP) autoriai nustatė vidutinį krūties vėžio rizikos padidėjimą moterims, kurių telomeros buvo trumpiausios ir kurios su maistu gaudavo mažiau beta karoteno, vitamino C ar E. Šie rezultatai leidžia manyti, kad vėžio rizika dėl telomerų trumpėjimo gali sąveikauti su kitais DNR pažeidimo mechanizmais, ypač su oksidaciniu stresu.

 Sąsaja su senėjimu 
Nors telomeros per individo gyvenimą trumpėja, su žmogaus gyvenimo trukme labiau siejamas telomerų trumpėjimo greitis, o ne jų ilgis. Kritiškai trumpos telomeros sukelia atsaką į DNR pažaidą ir ląstelių senėjimą.Pelių telomeros yra daug ilgesnės, tačiau jų telomerų trumpėjimo greitis yra gerokai didesnis, o gyvenimo trukmė – daug mažesnė, palyginti su žmonėmis ir drambliais.
Eksperimentiniuose gyvūnuose telomerų trumpėjimas yra susijęs su senėjimu, mirtingumu ir su amžiumi susijusiomis ligomis. Nors žmogaus gyvenimo trukmę gali veikti daugelis veiksnių, tokių kaip rūkymas, mityba ir fizinis aktyvumas, asmenims artėjant prie viršutinės žmogaus gyvenimo trukmės ribos, ilgesnės telomeros gali būti susijusios su didesniu ilgaamžiškumu.

 Telomerų savybės 
 Dauguma organizmų turi tiksliai apibrėžtą seką – ji konservatyvi.
 Kartotinių sekų skaičius yra nepastovus (net toje pačioje ląstelėje):
 somatinėse ląstelėse – senstant telomeros trumpėja,
 makrocituose ir limfocituose – nekinta,
 spermoje – senstant telomeros ilgėja.
 Ląstelės gyvenimo trukmė užkoduota telomerų ilgyje: pasiekus tam tikrą telomerų ilgio ribą (Hayflick'o riba) ląstelė pradeda „senti“ ir žūsta apoptozės būdu.
 Navikinėse ląstelėse normalus telomerų trumpėjimas yra sutrikęs.
 Chromosominių telomerų galų problema (nepilna replikacija) – po kiekvieno ląstelės pasidalijimo telomera trumpėja.
 Telomerų funkcija 
 Apsauginė – apsaugo chromosomas nuo egzonukleazių poveikio, aberacijų;
 Svarbios dalijantis mejozės metu – telomeromis chromsomos kontaktuoja su vidine branduolio membrana;
 Rekombinacija “telomera – telomera”;
 Sudaro kompleksą su specialiais baltymais – taip yra reguliuojama atitinkamų subtelomeros genų ekspresija.

 Šaltiniai 

Kategorija:Genetika