РНК-компонент теломеразного комплекса: уточненая трехмерная модель
Новая 3-D модель ключевого домена РНК фермента теломеразы
LifeSciencesToday по материалам UCLA:
New 3-D model of RNA 'core domain' of enzyme telomerase may offer clues to cancer, aging
Теломераза – фермент, который «охраняет» нашу ДНК на концах хромосом, в так называемых теломерах. При отсутствии теломеразной активности каждый раз, когда клетка делится, теломеры становятся короче. Это составная часть естественного процесса старения, так как в большинстве клеток организма человека теломераза неактивна. В конечном итоге выполняющие функцию защитных колпачков на концах хромосом теломеры становятся настолько короткими, что клетки умирают.
Но в некоторых клетках, таких как раковые, теломераза, состоящая из РНК и белков, очень активна и постоянно добавляет ДНК к теломерам, предотвращая их укорачивание и продлевая жизнь клетки.
Биохимики из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (University of California – Los Angeles, UCLA) получили трехмерную структурную модель основного домена РНК фермента теломеразы. Так как этот фермент играет важнейшую роль в процессе старения и развитии рака, понимание его структуры может привести к разработке новых подходов к лечению заболеваний.
Модель «ключевого домена» РНК теломеразы,
полученная Джули Фейгон, Ци Чжаном и их коллегами
«Мы до сих пор точно не знаем, как РНК и белки творят это волшебство – продлевают концы наших теломер – но теперь мы на шаг ближе к пониманию этого процесса», – говорит профессор кафедры химии и биохимии UCLA Джули Фейгон (Juli Feigon), главный автор исследования, опубликованного в печатном издании Proceedings of the National Academy of Sciences (Qi Zhang et al., Structurally conserved five nucleotide bulge determines the overall topology of the core domain of human telomerase RNA).
Ключевой домен РНК-компонента теломеразы необходим ферменту для добавления повторов к концам хромосом, структурам, содержащим наши гены. Он содержит шаблон, используемый для кодирования этих повторов.
«Теломераза – удивительнейший комплекс», – говорит Фейгон, начавшая изучение структуры ДНК теломер в начале 90-х годов, что и вызвало ее интерес к теломеразе. «Существует мнение, что, активировав теломеразу, мы сможем увеличить продолжительность жизни. Однако нам не нужно, чтобы наши клетки сохраняли способность делиться неопределенно долго. По мере того, как они все больше и больше стареют, в них происходит накопление всех возможных видов повреждений и дефектов ДНК. Поэтому в большинстве клеток нам не нужен высокий уровень активности теломеразы».
Так как раковые клетки делятся быстро, их теломеры укорачиваются быстрее, чем в нормальных клетках. Но в то время как в большинстве типов здоровых клеток нашего организма теломераза имеет низкий уровень активности, высокий уровень ее активности в раковых клетках помогает восстанавливать их теломеры. Раковые клетки, по словам Фейгон, «становятся бессмертными» благодаря теломеразе, способствующей прогрессии опухоли.
«Понимание того, как работает теломераза, заключает в себе огромный потенциал для лечения заболеваний», – считает ученый.
Она и сотрудники ее лаборатории изучают структуру теломеразы на очень глубоком уровне, что позволяет получить представление о ее функции. Однако Фейгон подчеркивает, что лаборатория проводит фундаментальные научные исследования и не занимается разработкой методов лечения рака.
Исследование финансируется Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health), Национальным научным фондом (National Science Foundation) США и другими организациями.
Теломераза – фермент, удлиняющий теломеры
(фото с сайта allscienceconsidered.wordpress.com)
Ключевой домен РНК теломеразы состоит из трех частей: «псевдоузла», необходимого для проявления активности фермента, в центре которого сходятся три нити РНК, образуя тройную спираль; «внутренней выпуклой петли», значение которой часто недооценивалось и которая оказалась очень важной; «спирального расширения» – все из которых Фейгон и ее коллеги смоделировали, используя разработанный ими новый метод. Определение структур проводилось с помощью самой современной ядерной магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии.
Соединив вместе три части РНК-компонента теломеразы – псевдоузел, внутреннюю выпуклую петлю и спиральное расширение, и ее коллеги создали трехмерную модель.
Структура псевдоузла РНК-компонента теломеразы человека
(фото лаборатории Фейгон с сайта UCLA)
«Чтобы получить трехмерную модель основного домена, мы сложили вместе три его части, впервые сделав это с высоким разрешением. С точки зрения изучения функции теломеразы это было потрясающе, так как впервые мы получили конструктивную модель формы этой важнейшей части РНК»,– говорит Фейгон, избранная в 2009 году в Национальную академию наук (National Academy of Sciences) США.
Новое исследование, по ее мнению, может привести к выявлению мишеней для лекарственных препаратов.
«Если мы хотим найти в теломеразе мишени для лекарственных препаратов, нам нужно знать, как она функционирует на каждом этапе клеточного цикла», – говорит Фейгон. «Если известна трехмерная структура каждого белка или нуклеиновой кислоты, участвующих в жизнедеятельности клетки, вероятность адресно связать их с малыми молекулами или другими фармацевтическими препаратами, чтобы заблокировать или активировать, неизмеримо возрастает».
Существуют заболевания, при которых мутация в теломеразной РНК или в теломеразном белке приводит к инактивации фермента.
«Мы пытаемся составить общую картину с точки зрения структурной биологии, включая функции фермента и то, как его можно инактивировать», – говорит Ци Чжан (Qi Zhang), постдокторант в лаборатории Фейгон и ведущий автор статьи. «То, о чем мы сообщаем, уже содержит много информации».
Ученые, описавшие, как теломеры защищают хромосомы, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2009 год. И все же о структурной биологии фермента известно еще очень немного; его полная трехмерная структура пока не установлена. При этом почти вся информация о трехмерной структуре РНК теломеразы позвоночных получена в лаборатории Фейгон.
«Если о биохимии фермента мы знаем достаточно много, то о том, как рибонуклеиновый и белковый компоненты взаимодействуют друг с другом в трехмерной структуре, почти ничего неизвестно», – комментирует Фейгон. «Мы решили изучить структуру внутренней петли и ее динамику. Определив структуру, мы обнаружили совершенно неожиданную сборку, приводящую к большому изгибу РНК. Тогда мы провели биохимическое исследование, показавшее, что этот изгиб и его пластичность важны для активности теломеразы. Оказалось, что внутренняя выпуклая петля очень важна для определения топологии домена».
Структура и динамика внутренней выпуклой петли важны для каталитической активности фермента.
«Мы изучили базу данных всех структур РНК, которые были определены к тому моменту, и оказалось, что существует еще одна структура, имеющая тот же тип петли из пяти нуклеотидов. Вторая структура принадлежала РНК-домену вируса гепатита С. Это оказалось для нас большим сюрпризом. Еще больше удивило нас то, что нуклеотидная последовательность вирусной петли была совершенно другой, а структура почти идентичной. Она также очень важна для функции вируса: если ее разрушить, вирус гепатита С становится менее патогенным», – объясняет Фейгон.
Чтобы активировать теломеразу, необходима теломеразная РНК и белок, называемый теломеразной обратной транскриптазой (telomerase reverse transcriptase – TERT). Хромосомы состоят из последовательностей нуклеотидов, представленных буквами A, C, G и Т. С всегда связывается с G, в то время как А – с Т. Соединившись, нуклеотиды составляют трехбуквенный код, в котором зашифрованы аминокислоты. Соответствующие аминокислоты объединяются при синтезе белков.
«Теломераза содержит РНК-шаблон, являющийся кодом повторов ДНК теломер», – объясняет Фейгон. «Вместо буквы А такой шаблон содержит Т, а вместо G – C. Копирование ДНК с шаблона РНК вместо копирования РНК с ДНК называется обратной транскрипцией. Основной домен теломеразы включает в себя шаблон, позволяющий осуществлять такую транскрипцию. Вирус ВИЧ также имеет обратную транскриптазу, копирующую шаблон РНК в ДНК. Обратные транскриптазы обычно копируют РНК в ДНК, но не содержат РНК; в теломеразе для функционирования белка необходим РНК-компонент».
Теломераза уникальна, так как ее РНК-шаблон является частью самого фермента и используется для копирования сначала одного теломерного повтора, затем другого и так далее. Все синтезированные повторы соединяются друг с другом. Таким образом, теломераза восстанавливает теломеры. Теломераза имеет свою собственную внутреннюю РНК, используемую для копирования в ДНК, но этот шаблон имеет длину всего около 10 из 451 нуклеотидов, составляющих сердцевину РНК-компонента.
Теломеразу чрезвычайно трудно охарактеризовать с точки зрения структуры из-за ее размера и сложности, а также из-за низкого уровня содержания в нормальных клетках.
Лаборатория Фейгон занимается изучением 3-D структуры ДНК и РНК и проблемой взаимного распознавания ДНК, РНК и белков, регулирующего активность генов. Фейгон первой использовала ядерную магнитно-резонансную спектроскопию для определения структуры ДНК и РНК. В своих исследованиях она использует широкий диапазон молекулярно-биологических, биохимических и биофизических методов.
Интуиция часто играет важную роль в науке. Когда в начале 90-х годов Фейгон начала свои исследования на теломерах и теломеразе, она даже не думала о раке. Ее интересовала структура ДНК.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
09.11.2010