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.