Новая 3-D модель ключевого домена РНК фермента теломеразы
Опубликовано lana в 5 ноября, 2010 - 21:39
Теломераза – фермент, который «охраняет» нашу ДНК на концах хромосом, в так называемых теломерах.
При отсутствии теломеразной активности каждый раз, когда клетка
делится, теломеры становятся короче. Это составная часть естественного
процесса старения, так как в большинстве клеток организма человека
теломераза неактивна. В конечном итоге выполняющие функцию защитных
колпачков на концах хромосом теломеры становятся настолько короткими,
что клетки умирают.
 Модель «ключевого домена» РНК теломеразы, полученная Джули Фейгон, Ци Чжаном и их коллегами
из лаборатории Фейгон в Университете Калифорнии – Лос-Анджелес.
(Credit: Juli Feigon, UCLA Chemistry and Biochemistry/PNAS)
Но в некоторых клетках, таких как раковые, теломераза, состоящая из
РНК и белков, очень активна и постоянно добавляет ДНК к теломерам,
предотвращая их укорачивание и, таким образом, продлевая жизнь клетки.
Биохимики из Университета Калифорнии – Лос-Анджелес (University of
California – Los Angeles – UCLA) получили трехмерную структурную модель
основного домена РНК фермента теломеразы. Так как этот фермент играет
важнейшую роль в процессе старения и развитии рака, понимание его
структуры может привести к разработке новых подходов к лечению
заболеваний.
«Мы до сих пор точно не знаем, как РНК и белки творят это
волшебство – продлевают концы наших теломер – но теперь мы на шаг ближе к
пониманию этого процесса», – говорит профессор кафедры химии и биохимии
UCLA Джули Фейгон (Juli Feigon), главный автор исследования, опубликованного в печатном издании Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
 Член Национальной академии наук США
профессор биохимии Джули Фейгон (Juli Feigon)
(Фото с сайта biochemistry.ucla.edu/biochem/Faculty/Feigon)
«Теломераза – удивительнейший комплекс», – говорит Фейгон, начавшая
изучение структуры ДНК теломер в начале 90-х годов, что и вызвало ее
интерес к теломеразе. «Существует мнение, что, активировав теломеразу,
мы сможем увеличить продолжительность жизни. Однако нам не нужно, чтобы
наши клетки сохраняли способность делиться неопределенно долго. По мере
того, как они все больше и больше стареют, в них происходит накопление
всех возможных видов повреждений и дефектов ДНК. Поэтому в большинстве
клеток нам не нужен высокий уровень активности теломеразы».
Так как раковые клетки делятся быстро, их теломеры укорачиваются
быстрее, чем в нормальных клетках. Но в то время как в большинстве типов
здоровых клеток нашего организма теломераза имеет низкий уровень
активности, высокий уровень ее активности в раковых клетках помогает
восстанавливать их теломеры. Раковые клетки, по словам Фейгон,
«становятся бессмертными» благодаря теломеразе, способствующей раковой
прогрессии.
«Понимание того, как работает теломераза, заключает в себе огромный потенциал для лечения заболеваний», – считает ученый.
Она и сотрудники ее лаборатории изучают структуру теломеразы на очень
глубоком уровне, что позволяет получить представление о ее функции.
Однако Фейгон подчеркивает, что лаборатория проводит фундаментальные
научные исследования и не занимается разработкой методов лечения рака.
Исследование финансируется Национальным институтом здравоохранения
(National Institutes of Health), Национальным научным фондом (National
Science Foundation) США и другими организациями.
 Теломераза – фермент, удлиняющий теломеры. (Фото с сайта allscienceconsidered.wordpress.com)
Ключевой домен РНК теломеразы состоит из трех частей: «псевдоузла»,
необходимого для проявления активности фермента, в центре которого
сходятся три нити РНК, образуя тройную спираль; «внутренней выпуклой
петли», значение которой часто недооценивалось и которая оказалась очень
важной; «спирального расширения» – все из которых Фейгон и ее коллеги
смоделировали, используя разработанный ими новый метод. Определение
структур проводилось с помощью самой современной ядерной
магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии.
Соединив вместе три части РНК-компонента теломеразы – псевдоузел,
внутреннюю выпуклую петлю и спиральное расширение, Фейгон и ее коллеги
создали трехмерную модель.
«Чтобы получить трехмерную модель основного домена, мы сложили
вместе три его части, впервые сделав это с высоким разрешением. С точки
зрения изучения функции теломеразы это было потрясающе, так как впервые
мы получили конструктивную модель формы этой важнейшей части РНК»,–
говорит Фейгон, избранная в 2009 году в Национальную академию наук
(National Academy of Sciences) США.
 Структура псевдоузла РНК-компонента теломеразы человека
(Фото с сайта biochemistry.ucla.edu/biochem/Faculty/Feigon)
«Если мы хотим найти в теломеразе мишени для лекарственных
препаратов, нам нужно знать, как она функционирует на каждом этапе
клеточного цикла», – говорит Фейгон. «Если известна трехмерная структура
каждого белка или нуклеиновой кислоты, участвующих в жизнедеятельности
клетки, вероятность адресно связать их с малыми молекулами или другими
фармацевтическими препаратами, чтобы заблокировать или активировать,
неизмеримо возрастает».
Существуют заболевания, при которых мутация в теломеразной РНК или в теломеразном белке приводит к инактивации фермента.
«Мы пытаемся составить общую картину с точки зрения структурной
биологии, включая функции фермента и то, как его можно
инактивировать», – говорит Ци Чжан (Qi Zhang), постдокторант в лаборатории Фейгон и ведущий автор статьи. «То, о чем мы сообщаем, уже содержит много информации».
Ученые, описавшие, как теломеры защищают хромосомы, получили
Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2009 год. И все же о
структурной биологии фермента известно еще очень немного; его полная
трехмерная структура пока не установлена. При этом почти вся информация о
трехмерной структуре РНК теломеразы позвоночных получена в лаборатории
Фейгон.
 Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 год (слева направо):
Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак.
(Фото с сайтов nihrecord.od.nih.gov, chronicle.pitt.edu, knaw.nl)
«Если о биохимии фермента мы знаем достаточно много, то о том, как
рибонуклеиновый и белковый компоненты взаимодействуют друг с другом в
трехмерной структуре, почти ничего неизвестно», – комментирует Фейгон.
«Мы решили изучить структуру внутренней петли и ее динамику. Определив
структуру, мы обнаружили совершенно неожиданную сборку, приводящую к
большому изгибу РНК. Тогда мы провели биохимическое исследование,
показавшее, что этот изгиб и его пластичность важны для активности
теломеразы. Оказалось, что внутренняя выпуклая петля очень важна для
определения топологии домена».
Структура и динамика внутренней выпуклой петли важны для каталитической активности фермента.
«Мы изучили базу данных всех структур РНК, которые были определены к
тому моменту, и оказалось, что существует еще одна структура, имеющая
тот же тип петли из пяти нуклеотидов. Вторая структура принадлежала
РНК-домену вируса гепатита С. Это оказалось для нас большим сюрпризом.
Еще больше удивило нас то, что нуклеотидная последовательность вирусной
петли была совершенно другой, а структура почти идентичной. Она также
очень важна для функции вируса: если ее разрушить, вирус гепатита С
становится менее патогенным», – объясняет Фейгон.
Чтобы активировать теломеразу, необходимы теломеразная РНК и белок, называемый теломеразной обратной транскриптазой
(telomerase reverse transcriptase – TERT). Хромосомы состоят из
последовательностей нуклеотидов, представленных буквами A, C, G и Т. С
всегда связывается с G, в то время как А – с Т. Соединившись, нуклеотиды
составляют трехбуквенный код, в котором зашифрованы аминокислоты.
Соответствующие аминокислоты объединяются при синтезе белков.
«Теломераза содержит РНК-шаблон, являющийся кодом повторов ДНК
теломер», – объясняет Фейгон. «Вместо буквы А такой шаблон содержит Т, а
вместо G – C. Копирование ДНК с шаблона РНК вместо копирования РНК с
ДНК называется обратной транскрипцией. Основной домен теломеразы
включает в себя шаблон, позволяющий осуществлять такую транскрипцию.
Вирус ВИЧ также имеет обратную транскриптазу, копирующую шаблон РНК в
ДНК. Обратные транскриптазы обычно копируют РНК в ДНК, но не содержат
РНК; в теломеразе для функционирования белка необходим РНК-компонент».
Теломераза уникальна, так как ее РНК-шаблон является частью самого
фермента и используется для копирования сначала одного теломерного
повтора, затем другого и так далее. Все синтезированные повторы
соединяются друг с другом. Таким образом, теломераза восстанавливает
теломеры. Теломераза имеет свою собственную внутреннюю РНК, используемую
для копирования в ДНК, но этот шаблон имеет длину всего около 10–451
нуклеотидов.
Теломеразу чрезвычайно трудно охарактеризовать с точки зрения
структуры из-за ее размера и сложности, а также из-за низкого уровня
содержания в нормальных клетках.
Лаборатория Фейгон занимается изучением 3-D структуры ДНК и РНК и
проблемой взаимного распознавания ДНК, РНК и белков, регулирующего
активность генов. Фейгон первой использовала ядерную
магнитно-резонансную спектроскопию для определения структуры ДНК и РНК. В
своих исследованиях она использует широкий диапазон
молекулярно-биологических, биохимических и биофизических методов.
Интуиция часто играет важную роль в науке. Когда в начале 90-х годов
Фейгон начала свои исследования на теломерах и теломеразе, она даже не
думала о раке. Ее интересовала структура ДНК.
По материалам New 3-D model of RNA ‹core domain› of enzyme telomerase may offer clues to cancer, aging
Пожалуйста, оцените статью:
- Источник(и):
LifeSciencesToday
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/novaya-3-d-model-klyuchevogo-domena-rnk-fermenta-telomerazy
|
