Активация теломеразы

Структура теломер и проблема концевой репликации

Теломеры хромосом человека состоят из тандемных гексануклеотидных повторов TTAGGG, в среднем составляющих 10–15 килобаз у молодых взрослых, но сокращающихся до 5 килобаз у пожилых людей и в клетках, приближающихся к репликативному старению. 3'-нить теломеры формирует одноцепочечный выступ (G-overhang) длиной приблизительно 100–200 нуклеотидов, который загибается обратно и внедряется в двухцепочечную теломерную ДНК, образуя защитную петлевую структуру (t-петля). ДНК-полимераза нуждается в РНК-праймере и матричной нити для репликации ДНК; на 3'-конце линейной хромосомы после удаления РНК-праймера не остаётся вышележащей ДНК, которая могла бы заполнить образующийся разрыв. Это структурное ограничение, проблема концевой репликации, означает, что каждый цикл полуконсервативной репликации ДНК оставляет конец хромосомы несколько короче исходного.

Комплекс теломеразы, TERT, TERC и дискерин

Теломераза, это рибонуклеопротеиновый комплекс, решающий проблему концевой репликации путём de novo синтеза новых теломерных повторов на 3'-конце хромосомы. Его два основных компонента: TERT (теломеразная обратная транскриптаза), каталитическая белковая субъединица, осуществляющая реакцию обратной транскрипции, и TERC (РНК-компонент теломеразы, также известный как hTR), РНК-матрица, содержащая последовательность 3'-AAUCCC-5', комплементарную теломерному повтору TTAGGG. TERT использует TERC в качестве внутренней матрицы для удлинения G-выступа, итеративно добавляя повторы TTAGGG. В состав комплекса также входят вспомогательные белки, включая дискерин (стабилизирующий TERC), а также компоненты шелтерина, POT1, TPP1, RAP1, TIN2 и другие, регулирующие доступ теломеразы к теломере. Мутации дискерина вызывают врождённый дискератоз, синдром преждевременного старения с критически короткими теломерами,, что подтверждает ключевую роль надлежащей стабильности TERC в поддержании теломер.

Регуляция экспрессии TERT, почему большинство клеток взрослого организма лишены теломеразы

Лимитирующим компонентом функциональной активности теломеразы в соматических клетках взрослого организма является экспрессия TERT. В то время как TERC конститутивно экспрессируется в большинстве типов клеток, TERT в подавляющем большинстве дифференцированных соматических клеток взрослого человека молчит благодаря эпигенетическим механизмам, прежде всего метилированию промотора и репрессивным гистоновым модификациям в локусе гена TERT. Значимые уровни TERT экспрессируются лишь в клетках, нуждающихся в постоянной пролиферативной способности: эмбриональных стволовых клетках, взрослых тканевых стволовых клетках (кроветворных, кишечных), клетках зародышевой линии, а также, патологически, примерно в 85–90% раковых клеток человека, в которых TERT реактивируется. Эволюционная логика состоит в том, что подавление TERT в соматических клетках снижает онкологический риск, ограничивая репликативный потенциал клеток, приобретающих онкогенные мутации; платой за это является прогрессирующее укорочение теломер и в конечном итоге клеточное старение как функция возраста.

Предполагаемый механизм Epitalon, пинеальная регуляция TERT

Epitalon (Ala-Glu-Asp-Gly), синтетический тетрапептид, разработанный Владимиром Хавинсоном в Институте биорегуляции и геронтологии в Санкт-Петербурге. Предполагаемый механизм его действия основан на роли шишковидной железы, небольшой эндокринной структуры головного мозга, секретирующей мелатонин,, в качестве посредника. Группа Хавинсона предположила, что Epitalon стимулирует шишковидную железу к усиленной секреции мелатонина и что это усиленное мелатониновое сигналирование способствует экспрессии гена TERT в различных типах клеток посредством путей, опосредованных рецепторами мелатонина. Исследования in vitro, выполненные данной научной группой, сообщали о том, что обработка соматических клеток человека (включая клетки фетальных почек и клетки пожилых доноров) препаратом Epitalon приводила к измеримому увеличению экспрессии TERT и ферментативной активности теломеразы, а обработанные клетки проходили большее количество удвоений популяции по сравнению с контрольными. В работе 2003 года сообщалось об удлинении теломер в клетках, обработанных Epitalon, по сравнению с контрольными. Независимое воспроизведение этих конкретных результатов остаётся ограниченным.

Клеточное старение, SASP и последствия атриции теломер

Когда теломеры клетки укорачиваются до критически малой длины, структура t-петли больше не может поддерживаться, и незащищённый конец хромосомы распознаётся ответом на повреждение ДНК (DDR) как двухцепочечный разрыв. Это активирует киназы ATM/ATR, которые фосфорилируют и стабилизируют p53, запускающий экспрессию p21, ингибитора циклинзависимых киназ, блокирующего прохождение клеточного цикла и устанавливающего постоянную остановку роста: репликативное старение. Стареющие клетки не погибают; вместо этого они остаются метаболически активными и развивают секреторный фенотип, ассоциированный со старением (SASP),, секретируя провоспалительные цитокины, протеазы и факторы роста в окружающие ткани. Накопление стареющих клеток с возрастом, по имеющимся данным, поддерживает хроническое вялотекущее воспаление («инфламэйджинг») и вносит вклад в функциональное снижение тканей, истощение пулов стволовых клеток и повышение онкологической уязвимости. Вмешательства, направленные на поддержание длины теломер, будь то через активацию теломеразы или сенолитические подходы (элиминацию стареющих клеток),, являются центральными направлениями современных исследований в области долголетия.