МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2012, том 46, № 4, с. 539-555
= ОБЗОРЫ =
УДК 576.316.24:599
БИОЛОГИЯ ТЕЛОМЕР МЛЕКОПИТАЮЩИХ
© 2012 г. Н. С. Жданова*, Ю. М. Минина, Н. Б. Рубцов
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090
Поступила в редакцию 06.12.2011 г.
Принята к печати 23.12.2011 г.
Обзор посвящен рассмотрению широкого круга вопросов, связанных с функционированием в нормальных и бессмертных клетках млекопитающих теломер — важных элементов хромосомы, представляющих собой динамичные нуклеопротеиновые структуры, локализованные на концах хромосом и предохраняющие их от деградации и слияний "конец в конец". Функциональное состояние теломер зависит от многих параметров: активности теломеразы, статуса защитного теломерного комплекса 8Иеиепп и ассоциированных с теломерами белков (факторов репликации, рекомбинации и репарации разрывов ДНК и т.д.). Особое внимание в обзоре уделяется рассмотрению механизмов, контролирующих длину теломер в нормальных и бессмертных клетках, а также в клетках, содержащих активную теломеразу, и в клетках без нее. Критически проанализированы характеристики альтернативного способа контроля длины теломер, главным образом, в связи с недавно открытым механизмом укорочения длины теломер путем вырезания ^петли. Рассмотрены возможности экспрессии в нормальных клетках млекопитающих как теломеразозависимого, так и рекомбинационного путей контроля длины теломер, а также роль компонентов защитного теломерного комплекса в выборе доминирующего способа поддержания длины теломер. Кроме того, в обзоре уделяется внимание роли теломер в пространственной организации ядра в клетках, делящихся путем митоза и мейоза, а также особенности биологии теломер в клетках разных видов млекопитающих, в том числе в клетках бурозубки иберийской, содержащих хромосомы необычной или редко встречающейся структуры.
Ключевые слова: теломера, млекопитающие, теломераза, репликация теломер, теломерная РНК, альтернативное удлинение теломер, защитный теломерный комплекс, репликативное старение, механизмы определения длины теломер.
MAMMALIAN TELOMERE BIOLOGY, by N. S. Zhdanova*, J. M. Minina, N. B. Rubtsov (Institute of Cytology and Genetics, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 630090 Russia; *e-mail: zhdanova@bionet.nsc.ru). Review is devoted to detailed consideration of the functioning in normal and immortal cells of one of the main chromosomal regions, telomeres, being dynamic nucleoprotein structures that cap the ends of eukaryotic chromosomes, protecting them from degradation and end-to-end fusion. The role of telomeres in maintenance of genome stability and cell division was also analyzed. Telomere function depends on many interrelated parameters such as telomerase activity, status of the telomere safety complex shelterin and telomere associated proteins (factors of replication, recombination, and reparation of DNA breaks, and so on). We have focused on mechanisms of telomere length control in normal and immortal cells as well as in cells containing active telomerase and cells wherein it is absent. We have analyzed the features attributed to alternative te-lomere lengthening, namely in view of recently discovered additional mechanism of telomere shortening by trimming of t-cycles. We have viewed a possibility of expression in normal mammalian cells of both telomerase de-
Принятые сокращения: ALT (alternative lengthening of telomeres) — альтернативное удлинение теломер; APBs (ALT-associated PML bodies) —обнаруженные в ALT-клетках PML-тельца; ITSs (interstitial telomeric sites) — интерстициальные теломерные сайты; PML-тельца (promyelocytic leukemia nuclear bodies) — ядерные тельца, содержащие промиелоцитарный лейкозный белок; POT1 (protection of telomeres protein 1) — входящий в состав защитного теломерного комплекса защитный теломерный белок 1; RAP1 (Ras-related protein 1) — входящий в состав защитного теломерного комплекса белок — член семейства белков Ras, первоначально обнаруженных в саркоме крысы (rat sarcoma); RNAPII — РНК—полимераза II; TERC (telomerase RNA component) — входящая в состав теломеразы РНК (теломеразная РНК); TERRA (telomeric repeat-containing RNA) — содержащая теломерные повторы РНК (теломерная РНК); TERT (telomerase reverse transcriptase) — входящая в состав теломеразы обратная транскриптаза; TIN2 (TRF1-interacting nuclear factor 2) — взаимодействующий с TRF1 ядерный фактор 2; TPP1 (tripeptidyl-peptidase 1) — трипептидил пептидаза 1; TRF (telomere repeat factor) — фактор, взаимодействующий с теломер-ными повторами; TRD (telomere rapid deletion) — быстрая делеция теломер.
* Эл. почта: zhdanova@bionet.nsc.ru
pendent and recombinational ways of telomere length control and the role of shelterin proteins in choice of the one of them as the dominant way. The role of telomeres in spatial organization of nucleus, in mitosis and meiosis has been also considered. Diversity of telomere organization in mammalians including unusual telomeres in Iberian shrews has been discussed.
Keywords: telomere, mammalian, telomerase, telomere replication, TERRA, ALT, complex shelterin, replica-tive senescence, mechanisms of telomere maintenance.
Геномы эукариотических организмов представляют собой гигантские молекулы ДНК, которые сложным образом компактизованы в индивидуальные элементы — хромосомы. В большинстве случаев их число и морфология считаются видовым признаком. В ходе клеточной пролиферации сохранение исходного генома требует решения целого ряда проблем, в том числе и обеспечения полной репликации концов хромосом, которые к тому же не должны распознаваться как двунитевые разрывы ДНК. Если концы хромосом будут опознаны как двунитевые разрывы, то их "репарация" приведет к слиянию хромосом, формированию дицентриков и вступлению их в цикл перестроек, получивших название "мост-разрыв-новое слияние-мост" [1]. Показано, что возникновение даже одного разрыва может приводить к серии перестроек, затрагивающих многие хромосомы [2, 3]. В случае "недорепликации" концов хромосом при каждом делении клетки может происходить потеря части хромосомной ДНК, что, в конце концов, приведет к потере жизненно важных генов. Впервые на неспособность ДНК-полимеразы полностью реплицировать 5'-конец отстающей в ходе репликации нити ДНК после деградации РНК-праймера обратил внимание Алексей Матвеевич Оловников в своей теории маргинотомии [4, 5]. Его предположение, что для репликации концов хромосом необходим специальный механизм, вскоре получило экспериментальное подтверждение. За изучение механизма репликации теломерных районов хромосом в 2009 г. Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.
К решению проблемы стабильности хромосом и кариотипа в целом Генри Меллер подошел с другой стороны. Изучая влияние рентгеновского облучения на хромосомы Drosophila melanogaster, он обнаружил, что хромосомы, потерявшие терминальные районы, сливаются с образованием хромосомных перестроек. В связи с этим он предположил, что концевой участок хромосомы содержит "ген", необходимый для "запечатывания конца хромосомы", и назвал его теломерой от греческого "телос" (конец) и "мерос" (часть), (цит. по [6]). К аналогичному выводу пришла также Барбара Мак Клинток (МсСИПюск) [7], изучая стабилизацию разорванных концов хромосом кукурузы.
В этом обзоре мы рассмотрим, как устроена те-ломера хромосом млекопитающих и как она функционирует у разных видов, какую роль играют теломеры в делении нормальных клеток и при превращении нормальной клетки в бессмертную, какие механизмы лежат в основе функционирования теломер и изменения их длины, какова роль теломер в пространственной организации ядер.
СТРУКТУРА ТЕЛОМЕР
К настоящему времени установлено, что тело-меры представляют собой нуклеопротеиновые структуры, ДНК-компонент которых у человека и других млекопитающих на отстающей в ходе репликации нити состоит из повторяющейся шестерки нуклеотидов (TTAGGG)n [8, 9]. В состав теломер входит также теломерная РНК (TERRA, telomeric repeat-containing RNA). Теломеры человека содержат 5—15 т.п.н. теломерного повтора [10]. G-обогащенная нить ДНК теломеры заканчивается однонитевым З'-концом. У человека он содержит от 30 до 600 н. [11, 12]. Существующее единообразие в ориентации теломерных повторов предотвращает слияние теломер, которое могло бы происходить при гомологичной рекомбинации ДНК. Если же такая рекомбинация все-таки случается, то это приводит к изменению размера теломер: их укорочению или удлинению. Эта особенность строения концов хромосом объясняет тот факт, что робертсоновские слияния акро-центрических или телоцентрических хромосом происходят достаточно редко — лишь при случайном нарушении ориентации теломерных повторов. Такой механизм слияния телоцентриков, как предполагается, реализуется при формировании хромосомных рас у домовой мыши Mus musculus [13]. Другим способом формирования хромосомных рас, различающихся полиморфизмом по робертсоновским слияниям, может быть рекомбинация между прителомерными районами негомологичных акроцентрических хромосом, содержащих консервативные повторы в противоположной ориентации. [13, 14]. Показано, что хромосомная нестабильность обусловлена негомологичной рекомбинацией теломерных повторов [15, 16].
Кроме как в теломерах, теломерная ДНК обнаружена в интерстициальных хромосомных сайтах (ITSs, interstitial telomeric sites). Чаще всего они
локализованы в прицентромерных районах хромосом, в районах ядрышковых организаторов, районах локализации конститутивного гетеро-хроматина и эволюционных хромосомных перестроек. ITSs описаны для большинства изученных видов позвоночных, в том числе и млекопитающих [17, 18]. Подробно формирование ITSs и их дальнейшая судьба в геноме рассмотрены нами ранее [18]. Здесь же мы лишь укажем, что известно два типа ITSs: первый содержит прямые тело-мерные повторы, а второй — повторы, ориентированные "голова к голове". Считается, что образование ITSs первого типа связано с участием
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.