Молекулярные механизмы плюрипотентности стволовых клеток: структура и функция теломер, теломеры и репликационное старение

Теломеры — необходимые генетические элементы, которые состоят из специ­фических ДНК-повторов и белков, ассоциированных с ними. Теломеры прикры­вают концы хромосом, предотвращают их слипание и генетическую нестабиль­ность.

Теломерная ДНК теряет некоторую свою часть с каждым циклом репликации и по другим причинам, включая вредное действие окисления ДНК. Эта потеря компенсируется удлинением теломеры ферментом обратной транскриптазой — теломеразой. В большинстве гемопоэтических клеток теломеразная активность строго контролируется и присутствует в ограниченном количестве. В результате этого теломеры в лейкоцитах укорачиваются с возрастом как при трансплантации In vivo, так и при культивировании In vitro.

Прогрессивное укорочение теломер приводит не только к дисфункции теломер и апоптозу, но и к стимуляции хро­мосомной нестабильности и гематологическим нарушениям, таким как MDS и хронический миелолейкоз (CML). Таким образом, в клетках гемопоэтической си­стемы теломеразы и теломеры играют важную роль, а именно: укорочение тело — меры — опухолеподавляющий механизм у долгоживущих млекопитающих, кото­рый ограничивает рост большинства (но не всех) стволовых клеток и лимфоци­тов.

Структура и функция теломер.

Теломеры или концы линейных хромосом у всех позвоночных состоят из тандемных повторов TTAGGG/CCCTAA и ассоции­рованных с ними протеинов. Длина повторов колеблется между хромосома­ми внутри вида и между видами. У человека длина теломерных повторов состав­ляет 2-15 т. п. что зависит от типа ткани, возраста индивида и репликативной жиз­ни клетки. Концы индивидуальных хромосом также различаются по длине. Так, хромосома 17р типично имеет самую короткую длину теломерных повторов. Те­ломеры защищают концы линейных хромосом от возникновения разрывов ДНК, деградации и склеивания.

Теломеры также играют роль в процессе мейоза и орга­низации хромосом в ядре. Теломеры содержат ДНК-связывающие белки, спе­цифические для двойных теломерических ДНК, которые включают TRF1 и TRF2, и специфический белок для одиночного нитевидного выступа, который обычно присутствует на 3′-концах хромосом.

Известно также, что многие другие бел­ки не напрямую связывают теломеры (через TRF1 и TRF2). Однонитевые вы­ступы в 3’-конце теломеразных складок возвращаются к двойной теломерической ДНК, формируя защитную Т-петлю. С теломерными повторами 3’-выступ связы­вается через TRF1 путем, который еще не совсем понятен, но является важным для теломерной активности.

Теломеры и репликационное старение.

В отличие от эмбриональных стволовых клеток или опухолевых кле­точных линий гемопоэтические стволовые клетки не бессмертны. Еще 40 лет назад Hayflick предположил, что жизнь большинства нормальных клеток человека не может длиться бесконечно, она запрограммирована на определенное количество клеточных делений. В 1990 г. в нескольких работах была описана потеря те­ломер с возрастом и репликацией.

Было высказано мнение, что прогрессивное теломеразное укорочение может объяснить предположение Hayflick. Эта модель была подтверждена последующим исследованием, показывающим, что перенос гена теломеразы (обратной трансферазы) может предотвратить укорочение теломер и привести к бессмертию клеток, которое Hayflick изучал длительно у нор­мальных диплоидных фибробластов человека.

С тех пор опубликовано много со­общений, совместимых с представлением о том, что укорочение теломеры ограни­чивает количество делений, на которое способно большинство нормальных ди­плоидных клеток. Достигнуто согласие в том, что укорочение теломеры развива­лось как контрольный механизм у долгоживущих млекопитающих, который кон­тролирует неограниченную и опасную для жизни пролиферацию органоспецифических стволовых клеток и лимфоцитов.
Контрольные пункты и геномная интеграция.

ДНК постоянно находятся под дей­ствием как вредных факторов окружающей среды, так и продуктов нормального метаболизма, например, реактивных дериватов кислорода. Для поддержания воспро­изводства точных копий генетической информации следующими поколениями ме­ханизм клеточного цикла перекрывается серией пунктов наблюдения, названных «контрольными пунктами клеточного цикла». Основная функция этих конт­рольных пунктов — определить поврежденную или неправильно построенную ДНК и координировать продвижение клеточного цикла с реставрацией ДНК.

Термин «контрольный пункт» был сначала определен как «контрольный меха­низм, усиливающий зависимость в клеточном цикле». Но в дальнейшем стало ясно, что контрольные пункты повреждения ДНК контролируют восстановление ДНК и репликационные процессы вдобавок к замедлению клеточного цикла. Клет­ки разных организмов имеют различные стратегии ответа на стресс и поврежде­ние ДНК. По сравнению с одноклеточными многоклеточные организмы требуют не только более высокой точности репликации ДНК и ее реставрации, но и боль­шего разнообразия в ответ на повреждение ДНК.

Так, например, у дрожжей ответ может быть описан как двойной между клеточным циркулированием и останов­кой. У млекопитающих он более сложный и включает в себя такие явления, как апоптоз и старение. Более сложный ответ у многоклеточных организмов стал воз­можным благодаря новому регуляторному контрольному модулю, которого нет у дрожжей, и который включает ген опухолевой супрессии р53.

Выясни­лось также, что долгоживущие млекопитающие, как и люди, приобрели добавоч­ный уровень надзора за геномной интеграцией, который не функционирует у мле­копитающих с короткой жизнью, например, у грызунов.Этот дополнительный контрольный пункт связан с длиной и функциями теломер. Термин «теломерный контроль» можно использовать для описания этой опухолеподавляющей функции.