МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, том 47, № 4, с. 544-557
= ОБЗОРЫ
УДК 615.014.23.417
ВОЗМОЖНОСТИ И ЭФФЕКТЫ АКТИВАЦИИ ТЕЛОМЕРАЗЫ © 2013 г. Н. А. Коваленко1*, Д. Д. Жданов2, Т. Ф. Коваленко3
Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения РФ, Москва, 119992 2Научно-исследовательский институт биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича Российской академии медицинских наук, Москва, 119121 3Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук Москва, 117997 Поступила в редакцию 25.09.2012 г.
Принята к печати 14.01.2013 г.
В представленном обзоре кратко описаны современные представления о механизмах регуляции активности теломеразы (преимущественно теломеразы человека). Рассмотрены локализация компонентов теломеразного комплекса в клетке и проявления активности фермента, не связанные с удлинением те-ломер. Описаны заболевания человека, связанные с пониженной активностью теломеразы, короткими теломерами и ускоренным укорачиванием теломер. Детально обсуждаются возможности активации транскрипции гена АТЖДТразличными природными и синтетическими соединениями, а также эффекты трансфекции активного гена hTERT в клетки. Экзогенная активация транскрипции гена hTERT приводит к повышению пролиферативного потенциала клеток, что может использоваться в клеточной терапии. Необходимо отметить, что повышенная экспрессия гена hTERT, особенно при его трансдукции, может приводить к малигнизации клеток, что необходимо учитывать при выборе способа активации тело-меразы в лечебных целях.
Ключевые слова: теломераза человека, активаторы теломеразы, ген hTERT.
POSSIBILITIES AND EFFECTS OF TELOMERASE ACTIVATION, by N. A. Kovalenko1*, D. D. Zhdanov2, T. F. Kovalenko3 (1Sechenov First Moscow State Medical University, Moscow, 119992 Russia; *e-mail: vartala@yandex.ru; 2Institute of Biomedical Chemistry, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow, 119121 Russia; 3Shemyakin—Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117997 Russia). In this review we briefly describe recent knowledge of telomerase (predominately human telomerase) activity regulation mechanisms. We also point telomerase complex components localization in cells and discuss the enzyme activities that are independent of telomere elongation. The paper includes the overview of human diseases correlating with reduced telomerase activity, short telomeres and rapid telomeres shortening. We describe in details the possibilities of exogenous hTERT gene transcription activation by different natural and synthetic compounds as well as hTERT gene transfection effects. Such exogenous activation cause increasing proliferative potential of the cells and might be used in cell therapy. It must be noticed that elevated hTERT gene expression, especially in the case of hTERT gene transfection, might be the cause of cell malignesation. In this regard strict constraining criteria in medical application of different methods of telomerase activation must be developed.
Keywords: human telomerase, telomerase activators, hTERT gene. DOI: 10.7868/S0026898413040071
ВВЕДЕНИЕ
На концах хромосом всех эукариотических и некоторых прокариотических организмов с линейной ДНК расположены ДНК-белковые комплексы — теломеры. У позвоночных животных, в
том числе и у человека, теломеры имеют длину 2— 30 т.п.н. и состоят из двухцепочечных гексанук-леотидных повторов 5'-(ТТЛООО)и-3', которые заканчиваются на З'-конце одноцепочечной последовательностью из 50—300 н. [1, 2]. За каждый цикл репликации длина теломер уменьшается на
Принятые сокращения: TR — теломеразная РНК (telomerase RNA); HSP — белок теплового шока (Heat Shock Protein); siPHK — короткие интерферирующие РНК (short interfering RNA).
*Эл. почта: vartala@yandex.ru
50—200 н., что ограничивает число репликаций, к которым способны те или иные клетки ("предел Хейфлика") [3]. Некоторые клетки могут поддерживать длину теломер с помощью фермента тело-меразы, активность которой увеличивает предел Хейфлика, а, следовательно, и пролиферативный потенциал клетки.
Теломераза — высокомолекулярный (около 1000 кДа у позвоночных) рибонуклеопротеидный комплекс — синтезирует теломерные повторы на концах линейных хромосом и поддерживает структуру теломер в клетках [4]. Для проявления ферментативной активности in vitro достаточно двух основных компонентов теломеразного комплекса: обратной транскриптазы (TERT, telomerase reverse transcriptase) и теломеразной РНК (TR, telomerase RNA), содержащей матричный участок для синтеза теломерных повторов. Активность фермента in vivo обеспечивают также многочисленные дополнительные компоненты теломераз-ного комплекса [5]. Так, белок дискерин (dyskerin, DKC1 — dyskeratosis congenita), участвующий во взаимодействии отдельных компонентов теломе-разы и ДНК, обеспечивает локализацию TR и, возможно, всего теломеразного комплекса в тельцах Кахаля. Шапероны HSP90 (Heat Shock Protein 90), а именно: HSP90a1 [6] и белок P23, необходимы для присоединения TERT к другим компонентам комплекса и поддержания всей структуры теломеразы. Последний из главных компонентов теломеразы — ассоциированный с теломеразой белок ТЕР1 (telomerase-associated protein 1), как полагают, также обеспечивает правильную кон-формацию теломеразы, опосредуя взаимодействия между основными ее компонентами. На уровень теломеразной активности, безусловно, влияют также теломерные белки, или белки шелтеринового комплекса, которые участвуют в образовании и поддержании особой структуры концов теломе-ры — Т- и D-петель, которые защищают хромосомы от распознавания системой репарации ДНК в качестве участка, содержащего повреждение. Белки шелтеринового комплекса участвуют в регуляции синтеза теломер теломеразой [7— 11]. На уровень теломеразной активности влияет РНК, которая синтезируется на теломерных последовательностях (TERRA) [12], а также белки, вовлеченные в репликацию и осуществление других жизненно важных функций в клетке.
Функции каталитической субъединицы теломеразы — TERT — не ограничены удлинением теломер. Установлено, что hTERT (TERT человека) стабилизирует теломеры, вызывает усиление пролиферации клеток и повышение их жизнеспособности, участвует в регуляции экспрессии некоторых генов, а также в регуляции ответа на повреждение ДНК [13, 14]. В опытах in vivo показано,
что для синтеза первой цепи ДНК ТЕЯТ может использовать различные РНК [15], как и для синтеза двухцепочечных РНК (дцРНК) [14], т.е. ИТЕЯТ обладает активностью РНК-зависимой РНК-полимеразы и ИТЯ-независимой обратной транскриптазы. Продуктами РНК-полимеразной активности являются дцРНК, в результате про-цессинга которых образуются малые интерферирующие РНК ^РНК), влияющие на транскрипционную активность генов-мишеней [14]. Митохон-дриальная ИТЕЯТ использует в качестве матрицы РНК-компонент эндорибонуклеазы [14]. Ее активность не связана с удлинением теломер (мтДНК имеет кольцевую структуру и не содержит теломер-ных повторов). В митохондриях нет ТЯ, но они содержат 10—20% клеточной ИТЕЯТ, остальные 80— 90% находятся в ядре. В ИТЕЯТ обнаружены сигналы ядерной и митохондриальной локализации. Митохондриальная ИТЕЯТ связана с ДНК и в обычных условиях защищает ее от воздействия различных повреждающих агентов [15]. Предполагается, что фермент может принимать участие в репарации повреждений мтДНК [15]. На внутриклеточное распределение и активность ИТЕЯТ влияют специфические стимулы и посттрансляционная модификация (фосфорилирование и дефосфори-лирование) [16, 17]. ИТЕЯТ повышает устойчивость клеток к химиотерапевтическим средствам и проапоптотическим стимулам, блокируя, по-видимому, митохондриальный путь апоптоза [14, 18].
Таким образом, в ТЕЯТ имеются структуры, ответственные за ее локализацию и такие функции, как синтез теломерной ДНК, синтез РНК на РНК-матрице, усиление клеточной пролиферации, подавление апоптоза, регуляция ответа на повреждение ДНК, увеличение срока жизни клетки. Механизмы, необходимые для выполнения отдельных функций, изучены не полностью. Особенно интересным представляется сопряжение пролифе-ративного эффекта с продолжительностью жизни клетки и энергообеспечением.
Регуляции уровня теломеразной активности посвящены многие экспериментальные работы и несколько обзоров [5, 19—21].
Активный теломеразный комплекс включает несколько белков, экспрессия генов которых контролируется на уровне транскрипции и эпигенетически. мРНК этих белков могут подвергаться альтернативному сплайсингу, а сами белки — посттрансляционным модификациям. Активность теломеразы зависит и от белков шелтеринового комплекса, например от танкиразы, и белков, участвующих в миграции теломеразы в определенные компартменты клетки. В свою очередь, синтез и активность этих белков также подвергаются регуляции. Однако для проявления теломе-разной активности достаточно экспрессии гена
TERT. Особенно нужно отметить, что TERT модулирует экспрессию многих генов, контролирующих рост [22, 23].
В представленном обзоре мы попытались обобщить данные о возможности активации теломеразы (преимущественно теломеразы человека), а также биосинтеза отдельных компонентов теломеразного комплекса различными экзогенными соединениями.
АКТИВНОСТЬ ТЕЛОМЕРАЗЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЯХ
Теломеры укорачиваются при каждом цикле репликации. Укорачивание длины теломер до 5— 8 т.п.н. вызывает переход клеток в состояние ре-пликативного старения, при котором наблюдается замедление или полная остановка пролиферации, а активация теломеразы увеличивает продолжительность жизни клеток [24]. Нормальные клетки зародыша, эмбриональные и другие стволовые клетки, кроветворные клетки, активированные лимфоциты, клетки базального слоя кожи, волосяных фолликулов и тонкого кишечника способны поддерживать длину теломер с помощью тело-меразы. В большинстве соматических клеток человека теломераза либо вовсе неактивна, либо имеет невысокую активность (в фибробластах, ткани молочной железы, в клетках печени) [4, 13]. Теломе
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.