Цинковые пальцы смерти

Андрей Панов, «Биомолекула»

Белковый комплекс под названием шелтерин связывается с теломерными повторами и защищает их от деградации. Однако недавно обнаружили, что у него есть конкурент с менее мягким характером: белок TZAP с одиннадцатью цинковыми пальцами способен специфически связываться с теломерами хромосом, но не оберегать, а обрезать их. В нормальных условиях он клетке помогает, но если дать волю его пальцам, TZAP основательно «пощиплет» теломеры, а это может довести клетку до самоубийства.

Схема строения типичных белковых мотивов «цинковые пальцы». Чаще всего цинковый палец состоит из 20 аминокислот. Ион цинка связан с двумя гистидинами и двумя цистеинами. Рисунки с сайта studopedia.su и из «Википедии».

Для нормального функционирования клеток эукариот очень важна длина теломер – концевых участков хромосом. Теломеры состоят из коротких повторов ДНК (TTAGGG) и почти 200 белков, выполняющих множество важных функций – от синтеза ДНК до защиты теломеры [1].

До января 2017 года был известен лишь один белковый комплекс, специфически взаимодействующий с ДНК-повторами теломеры, – шелтерин. Но теперь ученые обнаружили еще один белок, обладающий сродством к участкам TTAGGG. Благодаря особым ДНК-связывающим мотивам (см. заглавную картинку) этот белок в зависимости от условий может убить клетку, а может и спасти [1].

Теломеры и теломераза

У эукариот на концах хромосом формируются специальные структуры, называемые теломерами. Они защищают ДНК хромосом от деградации нуклеазами и различных аберраций. ДНК теломер состоит из коротких консервативных тандемных повторов (рис. 1). У позвоночных, например, тысячи раз повторяется шестинуклеотидный мотив TTAGGG, у насекомых – TTAGG, у большинства растений – TTTAGGG, у грибов длина мотива сильно варьирует [2].

Рисунок 1. Хромосома и теломера. Показана последовательность теломерных повторов инфузории. Рисунок с сайта gazeta.ru, адаптирован.

К сожалению, при удвоении генетического материала клетка не в силах обеспечить полную репликацию теломер. Поэтому после каждого деления у дочерней клетки оказываются хромосомы с чуть более короткими теломерами. Это называется концевой недорепликацией, которую наряду с другими механизмами укорочения теломер, рассматривают в качестве одной из причин старения [3]. Насколько весомую роль играет сокращение теломер в старении человека, пока не ясно, зато очевидно, что оно ведет к репликативному старению клеток и их переходу в сенесцентное состояние. Клетка при этом утрачивает способность к делению и секретирует особый набор веществ, формирующий провоспалительную микросреду, неблагоприятную для соседок и организма в целом.

У млекопитающих средняя длина теломер в молодой клетке – 8–12 тысяч пар нуклеотидов (т.п.н). А критическая (минимально допустимая) длина человеческой теломеры – 77 нуклеотидов. Дальнейшие деления клетки могут вести к крайне неблагоприятным для нее событиям, включая слияние концов разных хромосом [4].

У большинства эукариот необходимая длина теломер поддерживается теломеразой, которая восполняет потерянные при репликации повторы на 3’-конце ДНК. Комплементарную цепь при этом достраивает ДНК-полимераза [3].

За открытие механизма, защищающего хромосомы от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы, в 2009 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку: «„Нестареющая“ Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе» [5]. Занимательную информацию по самόй теломерной проблеме можно найти в статьях «Старение – плата за подавление раковых опухолей?» и «Теломеры и новые мишени протоонкогенной терапии» [6, 7]. Интересны также исследования, например, об изменении длины теломер в связи с временем года у растений или в сезон дождей у жителей Коста-Рики: «Длина теломер и времена года» [8]. – Ред.

Теломераза – рибонуклеопротеиновый комплекс, состоящий из фермента теломеразной обратной транскриптазы (TERT) и теломеразного РНК-компонента (TERC), который содержит матричную последовательность для удлинения теломеры – 3’-AAUCCC-5’. За один «присест» теломераза может добавлять не один, а сразу несколько теломерных повторов (рис. 2). При последовательном переходе фермента из состояния 1 через состояния 2 и 3 в состояние 4 теломераза добавляет к праймеру один теломерный повтор. Переход 4→2 соответствует добавлению нескольких теломерных повторов без отделения от теломеры (переход 4→1) [3].

Рисунок 2. Работа теломеразы. Цифры в рамках обозначают положение теломеразы по отношению к праймеру (3’-концу ДНК теломеры) на различных стадиях: 1 – фермент не связан с праймером; 2 – отжиг праймера; 3 – стадия элонгации; 4 – завершение присоединения одного теломерного повтора. Пунктирными стрелками показаны возможные процессы диссоциации праймера при работе фермента. Условные обозначения: TERT – белковая субъединица с сайтом «заякоривания» теломерной ДНК (серый кружок), TERC – теломеразная РНК с матричным участком (серый прямоугольник). Рисунок из [3].

Теломераза не активна в большинстве соматических клеток человека. Хотя РНК-компонент транскрибируется на постоянном уровне почти во всех клетках, в соматических не синтезируется белковая часть – обратная транскриптаза. При искусственной активации экспрессии ее генов культура соматических клеток избегает репликативного старения, то есть клетки приобретают способность делиться неограниченно долго. Теломераза собирается и работает в стволовых, половых и некоторых других типах клеток, которым нужно делиться постоянно (например, клетках эпителия кишечника) [9, 10].

Считается, что активация этого фермента связана с развитием рака: теломераза активна в 85% раковых опухолей, в остальных 15% действуют альтернативные механизмы поддержания длины теломер, основанные на рекомбинации [11, 12].

Шелтерин

Шелтерин, или телосома – комплекс из шести белков, регулирующий активность теломеразы и защищающий теломеры млекопитающих от систем репарации ДНК (рис. 3). Связываясь с повторами TTAGGG на теломерной ДНК, шелтерин способствует образованию на ее конце t-петли – своеобразного «колпачка», прячущего свободный конец хромосомы от репарационных ферментов. Отсутствие или критический недостаток шелтерина в клетке «распечатывает» теломеры, и они становятся доступными нуклеазам и прочим ферментам, подвергаются деструкции и сливаются с концами других хромосом, что в итоге приводит к клеточной сенесценции или апоптозу [13, 14].

Рисунок 3. Шелтерин. а – Субъединицы шелтерина, их структура и сайты взаимодействия с ДНК. б – Схема комплекса, собранного на теломерной ДНК. Рисунок из [15].

На самом конце теломер человека и других теплокровных располагается довольно протяженный, 30–300 нуклеотидов, участок однонитевой ДНК со свободным 3’-концом. Именно к этой нити присоединяется шелтериновая субъединица POT1, которая и прячет свободный 3’-конец от теломеразы и нуклеазы (рис. 4). При этом POT1 может присоединяться не только к повторам на конце теломеры, но и к внутренним повторам [15].

Рисунок 4. Работа телосомы. а – Структура t-петли. Нависающий 3’-конец заводится между двумя цепями ДНК, формируя D-петлю («петлю замещения», где одна из двух основных цепей ДНК вытесняется вторгшейся цепью, комплементарной второй основной цепи). Размер петли переменный. б – Модель формирования петли шелтерином. TRF1 и TRF2 сгибают теломеру и закрепляют t-петлю. POT1 удерживает одноцепочечные участки ДНК. в – Модель регуляции длины теломеры шелтерином. Пока теломера достаточно длинная, шелтерин закрывает к ней доступ теломеразе. Как только теломера укорачивается до определенной длины и присоединенных шелтеринов становится недостаточно для образования t-петли, теломераза получает доступ к открытому 3’-концу. Рисунок из [15], адаптирован.

Если концы теломерных ДНК остаются свободными, активируются системы репарации, которые распознают такие концы как двухцепочечные разрывы. К «оголению» концов может вести, например, недостаток в клетке шелтериновой субъединицы TRF2. Но в то же время в таком открытом состоянии теломеры – отличный субстрат для работы теломеразы, которая достраивает их до необходимой, стабилизирующей длины [14].

Новый белок, открытый Эросом Лаццерини Денчи и Джулией Су Джоу Ли (рис. 5) – учеными из Исследовательского института Скриппс в США, – наряду с шелтерином играет важную роль в гомеостазе хромосомных теломер. Ученые назвали его теломерным белком с цинковыми пальцами (TZAP, telomeric zinc-finger associated protein).

Рисунок 5. Профессор Денчи и студентка Ли. Фотография с сайта scripps.edu.

Отличительная черта TZAP – 11 цинковых пальцев, которыми он «хватается» за TTAGGG-повторы теломер. При этом оказалось, что для эффективного взаимодействия с ДНК белку необходимы только три последних пальца, Znf9–11 (рис. 6). Связываясь с ДНК, TZAP инициирует «стрижку» теломер: из них вырезаются шестинуклеотидные повторы [1].

Рисунок 6. Три последних пальца требуются TZAP для присоединения к теломерной ДНК. Слева – Варианты белка TZAP: целый, с восемью первыми пальцами (Znf1–8) и с тремя последними (Znf9–11). Справа – Эксперимент по взаимодействию трех вариантов TZAP с теломерой. С ДНК связывается лишь целый белок и белок с тремя последними пальцами. Рисунок из [1].

TZAP присоединяется к теломерам как в клетках с работающей теломеразой, так и в клетках без нее. При этом белок не нуждается во взаимодействии с компонентами шелтерина [1].

TZAP предпочитает присоединяться к длинным теломерам. Это показали в эксперименте с клетками HeLa: одна их линия содержала теломеры длиной 5 т.п.н., вторая – 20 т.п.н. TZAP соединялся с теломерами второй линии и совсем не проявлял интереса к теломерам из первой. Оказалось, что количество шелтерина (в том числе и его субъединицы TRF2) в клетке постоянно и не зависит от длины теломер. Поэтому на длинных теломерах могут «обнажаться» повторы TTAGGG, свободные от TRF2. К ним-то и тянется своими пальцами TZAP. Причем конкурирует за субстрат он именно с TRF2, а не с TRF1. При повышенной экспрессии гена TRF2 количество присоединенного к ДНК TZAP сокращается [1].

В то же время в клетках с повышенной экспрессией гена TZAP, лишенных теломеразы (как в обычных соматических клетках), хромосомы быстро теряли теломеры (рис. 7). В итоге появлялись клетки с хромосомами вообще без теломер. Видимо, при высокой концентрации TZAP теснит в конкурентной борьбе TRF2, получая возможность ухватиться пальцами за повторы и «подстричь» теломеру «под ноль». А это приводит к печальным последствиям: хромосомным аберрациям, сенесценции клеток и апоптозу [1].

Рисунок 7. Эксперимент с гиперэкспрессией TZAP в клетках без теломеразы. а – Хромосомы в обычной клетке (слева) и в клетке с повышенной экспрессией TZAP (справа). Зелеными точками помечены теломеры. б – Процентное соотношение количества хромосом с лишенными теломер концами в обоих вариантах. Рисунок из [1].

В клетках с нормальным балансом TRF2/TZAP последнему позволено лишь следить за тем, чтобы теломера не стала слишком длинной. Эту функцию TZAP выполняет и в эмбриональных стволовых клетках: при экспериментальной делеции генов TZAP теломеры в стволовых клетках существенно удлинялись, а после введения экзогенного TZAP возвращались к норме [1].

Известно, что слишком длинные теломеры могут способствовать трансформации клетки в раковую, разрешая ей бóльшее количество делений, чем положено. Получается, что TZAP, регулируя максимальную длину теломер, участвует в защите организма от возникновения опухолей [1]. Но если синтез TRF2 вдруг нарушится, крючковатые пальцы TZAP тут же потянутся к теломерам, чтобы резать, резать и резать... До самой клеточной смерти.

«Эти клеточные часы должны быть очень точно настроены, чтобы позволять клеткам делиться достаточное количество раз, развивая дифференцированные ткани организма и поддерживая возобновляемые, и в то же самое время препятствовать появлению злокачественных клеток» (профессор Денчи) [16].

Литература

1. Li J.S., Miralles Fuste J., Simavorian T., Bartocci C., Tsai J., Karlseder J., Lazzerini Denchi E. (2017). TZAP: a telomere-associated protein involved in telomere length control. Science. doi: 10.1126/science.aah6752;
2. Википедия: «Теломеры»;
3. Зверева М.Э., Щербакова Д.М., Донцова О.А. (2010). Теломераза: структура, функции и пути регуляции активности. Успехи биологической химии. 50, 155–202;
4. Capper R., Britt-Compton B., Tankimanova M., Rowson J., Letsolo B., Man S. et al. (2007). The nature of telomere fusion and a definition of the critical telomere length in human cells. Genes Dev. 21, 2495–2508;
5. биомолекула: «„Нестареющая“ Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе»;
6. биомолекула: «Старение – плата за подавление раковых опухолей?»;
7. биомолекула: «Теломеры и новые мишени протоонкогенной терапии»;
8. биомолекула: «Длина теломер и времена года»;
9. Википедия: «Теломераза»;
10. Рубцова М.П., Василькова Д.П., Малявко А.Н., Нарайкина Ю.В., Зверева М.Э., Донцова О.А. (2012). Функции теломеразы: удлинение теломер и не только. Acta Naturae. 4, 44–61;
11. Janknecht R. (2004). On the road to immortality: hTERT upregulation in cancer cells. FEBS Lett. 564, 9–13;
12. Bollmann F.M. (2007). Targeting ALT: the role of alternative lengthening of telomeres in pathogenesis and prevention of cancer. Cancer Treat. Rev. 33, 704–709;
13. Википедия: «Шелтерин»;
14. Panero J., Santos P.D., Slavutsky I. (2017). Telomere protein complexes and their role in lymphoid malignancies. Front. Biosci. (Schol. Ed.). 9, 17–30;
15. de Lange T. (2005). Shelterin: the protein complex that shapes and safeguards human telomeres. Genes Dev. 19, 2100–2110;
16. TSRI scientists discover master regulator of cellular aging. (2017). The Scripps Research Institute.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 31.01.2017