Теломеры функции: что такое и как влияют на старение?

Telomeres,Telomerase and Shelterin | Molecular Biology

6.12: Теломеры и теломераза

При репликации эукариотической ДНК фрагмент одноцепочечной ДНК остается на конце хромосомы после удаления последнего праймера. Этот участок ДНК не может быть реплицирован так же, как остальная часть нити, потому что нет 3’-конца, к которому может присоединить вновь синтезированная ДНК. Этот нереплицированный фрагмент приводит к постепенной потере хромосомной ДНК во время каждого удвоения клетки. Кроме того, он может вызвать реакцию на повреждение ДНК ферментов, распознающих одноцепочечную ДНК. Чтобы избежать этого, на концах хромосом присутствует буферная зона, состоящая из повторяющейся нуклеотидной последовательности, и белковый комплекс, называемый теломерой, что защищает концы хромосом.

Теломераза, рибонуклеопротеиновый фермент, состоящий как из РНК, так и из белков, может синтезировать и удлинить потерянную ДНК. Компонент теломеразной РНК (TERC) содержит  матричную нуклеотидную последовательность для синтеза теломерных повторов. Длина и последовательность TERC варьируются между организмами. У инфузорий он составляет около 150 нуклеотидов в длину, в то время как у дрожжей он составляет приблизительно 1150 нуклеотидов. Белковый компонент, теломеразная обратная транскриптаза (TERT), синтезирует короткие теломерные повторы, используя матричную цепь, присутствующую в TERC.

У млекопитающих теломера защищена шелтерином, который представляет собой комплекс из шести различных белков: фактора связывания теломерного повтора 1 (TRF1), фактора связывания теломерного повтора 2 (TRF2), защиты теломеры 1 (POT1), взаимодействующего с TRF1 ядерного фактора 2 (TIN2), белка-организатора TIN2-POT1 (TPP1) и белка-репрессора/активатора 1 (RAP1).  Белки, присутствующие в комплексе шелтерина, участвуют в важных функциях, таких как привлечение теломеразы, регуляция длины теломер и обеспечение сайтов связывания для дополнительных белков. 

Экспрессия теломеразы может увеличить продолжительность жизни клетки и позволить ей непрерывно размножаться, что является характерной чертой раковой клетки. Активность теломеразы наблюдалась почти в 90% раковых клеток, что делает их целью текущих исследований для новых методов лечения рака.

Литература для дополнительного чтения

1. Blackburn, Elizabeth H. «Telomeres and telomerase: their mechanisms of action and the effects of altering their functions.» FEBS letters 579, no. 4 (2005): 859-862.
2. Dahse, Regine, Wolfgang Fiedler, and Günther Ernst. «Telomeres and telomerase: biological and clinical importance.» Clinical Chemistry 43, no. 5 (1997): 708-714.
3. Schmidt, Jens C., and Thomas R. Cech. «Human telomerase: biogenesis, trafficking, recruitment, and activation.» Genes & development 29, no. 11 (2015): 1095-1105.
4. De Lange, Titia. «Shelterin: the protein complex that shapes and safeguards human telomeres.» Genes & development 19, no. 18 (2005): 2100-2110.
5. Sandin, Sara, and Daniela Rhodes. «Telomerase structure.» Current Opinion in Structural Biology 25 (2014): 104-110.
6. Cong, Yu-Sheng, Woodring E. Wright, and Jerry W. Shay. «Human telomerase and its regulation.» Microbiol. Mol. Biol. Rev. 66, no. 3 (2002): 407-425.

Управление старением с позиции теломерной теории

Теломеры — «защитные колпачки» хромосом, расположенные на их концах, защищают их от повреждений, связывания с другими хромосомами и потери важной генетической информации. Теломеры состоят из повторяющихся последовательностей ДНК, которые не содержат генов, но выполняют важные функции.

Что такое теломеры?

Исследования теломер начались в 1930-х годах, когда американский генетик Герман Меллер проводил эксперименты на плодовых мухах. Он использовал рентгеновские лучи для индуцирования мутаций в хромосомах мух и обнаружил, что теломеры оставались устойчивыми к действию лучей. Это привело к предположению о том, что теломеры имеют особую функцию в защите хромосом от повреждений. 

Современные исследования подтвердили важность теломер для стабильности генома. Они предотвращают слияние хромосом и потерю генетической информации. Как пластиковые наконечники шнурков, теломеры предотвращают распутывание хромосом и помогают им сохранять свою структуру.

Важным открытием в области теломер было выяснение механизма долговременной стабильности теломер. В 2009 году Нобелевская премия по медицине была присуждена Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за их открытия о роли теломер и фермента теломеразы в защите хромосом. Теломераза является ферментом, способным добавлять недостающие повторы ДНК на концы теломер, что помогает поддерживать их длину и интегритет.

Интерес к теломерам связан не только с их ролью в стабилизации генома, но и с их возможной связью с процессом старения. Сокращение теломер с возрастом является подтвержденным явлением. По мере повторяющихся делений клеток, теломеры постепенно укорачиваются. Когда теломеры становятся слишком короткими, клетка перестает делиться и в конечном итоге умирает. Этот процесс известен как «предел Хейфлика».

Исследования показывают, что укорачивание теломер связано со старением организма и возрастными заболеваниями. Более короткие теломеры наблюдаются у пожилых людей и пациентов с возрастными заболеваниями — болезнь Альцгеймера, высокое кровяное давление, диабет 2-го типа и атеросклероз. Однако, необходимо отметить, что укорачивание теломер является только одним из многих факторов, влияющих на старение организма, и не является его единственной причиной.

Понимание теломер и их связь со старением представляет большой интерес для научного сообщества. Исследования по этой теме продолжаются, и ученые стремятся лучше понять механизмы старения и возможные способы влиять на них. Возможное использование теломер для разработки превентивных и терапевтических стратегий против возрастных заболеваний является одной из перспективных областей исследований.

Что приводит к укорачиванию теломер?

Укорачивание теломер — это процесс, который неизбежно происходит со временем и связан с различными факторами. Ученые провели исследования, чтобы выяснить, какие именно факторы способствуют укорачиванию теломер и преждевременному старению организма. Рассмотрим их далее.

1. 
   Длительный психологический стресс. Исследования показывают, что люди, испытывающие хронический стресс, имеют более короткие теломеры. 

2. 
   Проблемы с сердцем и сосудами. Укорачивание теломер может быть связано с тем, что сердечно-сосудистые заболевания вызывают воспалительные процессы и стресс.

3. 
   Вредные вещества — например, тяжелые металлы — могут способствовать укорачиванию теломер и ускорять процесс старения. Люди могут подвергаться воздействию этих веществ через пищу, воду, загрязненную почву, воздух или другие источники.

4. 
   Еще одним фактором, который может способствовать укорачиванию теломер, является курение. Токсические вещества в табачном дыме могут повредить ДНК и способствовать ускоренному старению клеток.

5. 
   Избыточный вес. Ожирение может вызывать хроническое воспаление и стресс в организме, что может привести к ускоренному укорачиванию теломер.

Ученые отмечают, что длина теломер может зависеть от различных факторов, и она не является постоянной. Некоторые из этих факторов могут контролироваться — например, можно работать со стрессом, отказаться от курения и поддерживать здоровый образ жизни. Однако длина теломер также зависит от генетических предрасположенностей и других неизвестных факторов.

Понимание факторов, которые способствуют укорачиванию теломер, помогает ученым лучше изучать процессы старения организма и возможные пути их замедления. Дальнейшие исследования позволят разработать стратегии для поддержания здоровья и продолжительности жизни путем защиты и сохранения теломер.

Что помогает поддерживать длину теломер?

Теломераза — это особый фермент, ответственный за поддержание длины теломер. Он состоит из белков и РНК и производится внутри клетки. Основная функция теломеразы заключается в удлинении теломер. С помощью компонентов теломеразы теломеры «достраиваются» до нужной длины.

Ученые пришли к выводу, что укорачивание теломер замедляют физическая активность, правильное питание, хорошее настроение и отсутствие хронического стресса. Каждый из нас имеет свой «срок здоровья» — количество лет, в течение которых мы остаемся здоровыми и активными, пока теломеры достаточно длинные. Однако мы сами можем влиять на теломеразу и теломеры, откладывая “переход” своего организма от здоровья к болезненности. Это позволяет нам достичь активного долголетия, а не экстремального увеличения продолжительности жизни.

Физическая активность является одним из факторов, которые поддерживают здоровье и длину теломер. Нет необходимости изнурять себя в спортзале по несколько часов в день или бегать марафоны. Люди, занимающиеся умеренными аэробными упражнениями примерно три раза в неделю по 45 минут, имеют теломеры почти такой же длины, как и у марафонцев. Занятие различными видами спорта также полезно, поскольку данные свидетельствуют, что чем больше разнообразных упражнений выполняют люди, тем длиннее их теломеры. Даже 10-15 минут легких физических упражнений в день могут сгладить эффект хронического стресса, вызванного сидячим образом жизни.

Сбалансированное и умеренное питание также имеет значение для поддержания длины теломер. Потребление клетчатки может увеличить продолжительность жизни. Учеными была также доказана связь между рационом беременной женщины и длиной теломер ее ребенка во взрослом возрасте. 

Как измерить длину теломер?

Существует специальный анализ на теломеры. Для определения средней длины концевых участков определенных клеток крови производится забор крови из вены. Полученный результат сравнивается с нормой, которая должна быть у пациента в соответствующем возрасте. Отклонение результата от нормы может указывать на наличие патологии, болезни или воздействия негативных факторов.

Длина теломер изменяется со временем, поэтому можно регулярно сдавать анализ, чтобы отслеживать эти изменения.

Теломеры и победа над старением

Существует более сотни различных теорий старения, и сторонники теломерной теории считают, что одним из самых перспективных направлений борьбы со старением является разработка способов, которые помогут клеткам производить больше теломеразы и удлинить теломеры. Однако необходимо учесть, что избыточная активация теломеразы может увеличить риск развития раковых опухолей.

Одним из возможных решений может быть теломерная терапия, которая направлена только на стволовые клетки. Она может помочь другим клеткам обновляться, при этом не вызывая рак. Частные исследовательские центры в сотрудничестве с учеными университетов также работают над генной терапией теломеразы для лечения патологий, связанных с укорачиванием теломер и старением.

Ученые пока не уверены, можно ли увеличить продолжительность жизни, сохраняя или восстанавливая длину теломер с помощью теломеразы. Однако были проведены эксперименты с теломеразой, в которых человеческие клетки продолжали делиться далеко за пределами своего нормального предела, не становясь при этом раковыми.

Если станет возможным использовать теломеразу для увеличения жизни клеток, это откроет возможности массового производства клеток для трансплантации, включая те, которые производят инсулин — для лечения диабета, мышечные клетки — для лечения мышечной дистрофии, хрящевые клетки — для лечения артрита и клетки кожи — для заживления ожогов и ран. Неограниченный доступ к здоровым человеческим клеткам, выращенным в лаборатории, также может помочь в тестировании новых лекарств и генной терапии.

Пептиды и витамины для долголетия

Более 40 лет назад было установлено, что короткие пептиды являются ключевыми регуляторами процессов синтеза белка в клетках. Эти пептиды стали основой для развития науки под названием «Геронтология», которая занимается изучением проблем старения и разработкой методов продления активного долголетия человека.

Профессор Хавинсон провел исследования, которые показали, что эти пептиды способны увеличить лимит Хейфлика в хромосомах на 30%. Это означает, что клетки могут делиться не 52 раза, а гораздо больше, что дает дополнительный жизненный ресурс и способствует увеличению продолжительности жизни.

Пептиды также имеют другие полезные свойства. Они помогают в обновлении пула клеток, так как активируют работу стволовых клеток. Это позволяет тканям обновляться на качественно новом уровне. Поэтому прием качественных коротких пептидов гарантирует долголетие, красоту и здоровье.

Дополнительно рекомендуется принимать и коллаген. В организме он составляет около 30% всех белков и участвует в образовании кожи, костей и кровеносных сосудов. Однако с возрастом выработка коллагена снижается, что ведет к появлению морщин, растяжек и ухудшению состояния кожи. Трипептидный коллаген обладает маленькими молекулами, что обеспечивает его хорошую усвояемость организмом и эффективностью в стимуляции собственного выработки коллагена.

Препарат Коллаген ОМ-Х® плюс от Dr.OHHIRA содержит высококачественные коллагены I, II и III типов. Он помогает сохранить молодость и здоровье, обеспечивая организм необходимыми веществами.

Что такое теломеры и как они функционируют?

9 июля 2019 г. 30 января 2020 г. | от RepeatDx | Опубликовано в: Новости

Здесь мы кратко рассмотрим 101: что такое теломеры, как они функционируют и что может произойти, если они не работают должным образом…

Что такое теломеры?

Наши хромосомы имеют защитные структуры, расположенные на их концах, называемые теломерами. Они защищают наши хромосомы, предотвращая их повреждение или слияние с другими хромосомами.

Теломеры состоят из тысяч повторов одной и той же последовательности ДНК, связанных специальным набором белков, называемых шелтерином. Их часто описывают, используя полезную аналогию с аксельбантом шнурка, который предотвращает изнашивание конца шнурка.

С возрастом теломеры укорачиваются – это нормально. У некоторых людей длина аномально короткая или процесс укорочения ускоряется (в некоторых случаях могут возникать обе проблемы).

Что происходит с теломерами во время клеточного деления?

Каждый раз, когда клетка делится, каждая хромосома должна быть продублирована, чтобы обеспечить копию генетической информации для новой клетки. Однако самый конец каждой хромосомы не может быть скопирован. Следовательно, каждый раз, когда хромосома удваивается, теломеры становятся короче.

Таким образом, теломеры действуют как буфер, гарантирующий, что важная генетическая информация, закодированная в хромосоме, защищена и не потеряется во время репликации.

Чтобы защитить генетическую информацию, критически короткие теломеры действуют как сигнал для клетки прекратить деление или умереть.

Как регулируется длина теломер?

Чтобы теломеры не укорачивались слишком быстро, что приводило к ранней гибели клеток (или преждевременному биологическому старению), фермент, называемый теломеразой, воздействует на последовательности повторов ДНК теломер на концах хромосом. Такое поддержание теломер обеспечивает постоянную защиту генетической информации и возможность нормального деления клетки.

Что происходит, когда что-то идет не так?

У некоторых людей этот процесс протекает не так гладко. Возможно, теломеры по своей природе короче. Или может случиться так, что процесс укорочения теломер ускорился. На самом деле это может быть комбинация этих факторов. Возможно, фермент теломераза не работает должным образом, чтобы поддерживать здоровую длину теломер, или защитная структура теломер повреждена.

При нарушениях биологии теломер (или TBD) затрагивается удлинение, репликация или поддержание длины или структуры теломер.

Спектр симптомов ТБД разнообразен, поскольку клетки с короткими теломерами могут поражать любой орган тела. Например, в случае легочного фиброза в первую очередь поражаются легкие. Люди с врожденным дискератозом могут испытывать множество различных симптомов, но недостаточность костного мозга является одним из наиболее распространенных.

Растет число известных генетических мутаций, которые приводят к укорочению теломер и TBD, однако в значительном числе случаев мы до сих пор не знаем основную причину TBD. В частности, в этих случаях определение длины теломер может сыграть жизненно важную роль в диагностике и назначении лечения.

Здесь вы можете узнать больше о нарушениях биологии теломер и о том, почему тестирование теломер может быть важным инструментом диагностики и лечения.

Поделиться:

Метки: недостаточность костного мозга, врожденный дискератоз, теломеры, биология теломер, нарушения длины теломер

Определение, структура, сокращение и роль в старении

Содержание

• Теломеры – Определение
• Теломерная структура
• Функция теломер
• Укорочение и роль в старении и раке
• Репликация теломер
• Важность теломер
• Часто задаваемые вопросы

Теломеры – определение

Что такое теломера?

Теломеры представляют собой повторяющиеся последовательности нуклеотидов, присутствующие на концах хромосом. Он присутствует в эукариотических хромосомах. Это некодирующие области, которые не кодируют какой-либо белок.

Мюллер ввел термин «теломеры». Барбара МакКлинток показала, что сломанные хромосомы имеют липкие концы по сравнению с естественными концами хромосом, которые стабильны и не проявляют тенденции к слиянию. Теломеры гарантируют, что хромосомы не слипаются, и защищают от порчи.

Теломеры содержат некодирующие повторяющиеся последовательности, богатые гуаниновыми нуклеотидами. У человека повторяющаяся последовательность представляет собой 5′-TTAGGG-3′, которая повторяется несколько раз.

Теломерная структура

Теломеры присутствуют на концах хромосом у всех эукариотических организмов. Он состоит из коротких последовательностей нуклеотидов, которые повторяются несколько раз. Они не кодируют ни один белок.

Последовательность, которая повторяется, различается у разных видов. Количество копий повторяющихся единиц отличается от хромосомы к хромосоме или даже в одних и тех же хромосомах разных клеток. В нормальных соматических клетках человека присутствует от 500 до 3000 повторов, которые постепенно укорачиваются. В некоторых клетках, таких как клетки зародышевой линии, раковые клетки, теломеры не укорачиваются с возрастом.

Основной рисунок повторяющейся единицы 5’-T _1-4 A _0-1 G _1-8 -3’ у большинства видов. Теломеры в основном заканчиваются одиночными нитями, богатыми гуанином, на 3′-конце. У людей t-петли образованы на концах 3’ одиночными нитями. Белок Шелтерин защищает теломеры от деградации или модификации.

Повторяющаяся последовательность у человека — 5’-TTAGGG-3’. В растении Arabidopsis thaliana, это TTTAGGG. У большинства видов обнаруживаются дополнительные последовательности, связанные с теломерами.

Теломеры с тандемными повторами TTAGGG очень часто встречаются у позвоночных. Он встречается у более чем ста видов, включая птиц, рептилий, амфибий, рыб и млекопитающих.

У большинства прокариот ДНК кольцевая, поэтому теломеры не обнаружены. У некоторых прокариот с линейной ДНК обнаружены теломеры, но структура их отличается от структуры эукариотических клеток. Они имеют форму шпильки-петли, образованной одной нитью или связанной с белками.

Читайте также: Структура хромосомы

Функция теломер – роль теломер

Теломеры образуются в результате неполной репликации на концах хромосом. В каждом цикле репликации часть ДНК теряется. Эти защитные концевые заглушки гарантируют, что генетическая информация будет сохранена и не будет потеряна в процессе. Они играют жизненно важную роль в старении.

Они необходимы для привлечения механизма репликации теломеразы к концам хромосом и для регуляции их функции там. Кроме того, теломеры необходимы для стабилизации эукариотических хромосом несколькими способами. Теломеры защищают хромосомные окончания от идентификации клеточной системой ответа на повреждение ДНК. Он закрывает концы хромосом, предотвращая их деградацию или их слияние. Есть вероятность того, что слитые хромосомы будут неправильно сегрегированы в мейозе или митозе. Часто теломеры расположены под ядерной оболочкой, и их особая ассоциация с телом полюса веретена у делящихся дрожжей необходима для нормального проведения мейотической рекомбинации.

Также проверьте: есть ли у прокариот теломеры?

Укорочение и роль в старении и раке

Теломеры играют жизненно важную роль в старении клеток. С каждой репликацией теломеры становятся все короче и короче, а когда они становятся слишком короткими, репликация клеток прекращается, что приводит к старению и апоптозу. Поэтому он играет роль биологических часов клеточного старения. Это также приводит к онкогенной трансформации клеток.

Скорость укорочения теломер можно уменьшить, если улучшить образ жизни, диету и активность. Он задерживает начало возрастных заболеваний, а также увеличивает продолжительность жизни.

Особый фермент, известный как «теломераза», может увеличивать длину теломер. Он присутствует в клетках, которые делятся неограниченное количество раз, напр. одноклеточные эукариоты, яйцеклетки и сперматозоиды, клетки крови, а также раковые клетки.

Ученые заметили, что в раковых клетках теломеры слишком короткие, и когда они достигают критической точки, теломераза реактивируется, в результате чего раковые клетки размножаются неконтролируемым образом. Большинство раковых клеток, т.е. грудь, простата, легкие, поджелудочная железа и т. д. содержат теломеразу, которая поддерживает длину теломер и предотвращает апоптоз. В настоящее время исследуется противораковый препарат, нацеленный на теломеразу.

Исследовать: Хромосомные нарушения у человека

Репликация теломер

Теломеры — это окончания линейных хромосом. Это повторяющиеся последовательности, кодирующие не конкретный ген. Теломеры участвуют в защите жизненно важных генов от удаления во время клеточного деления и укорочения нитей ДНК во время репликации.

Некоторые из теломерных последовательностей после каждого раунда репликации теряются на 5′-конце синтезированной нити на каждой из дочерних ДНК. Поскольку это некодирующие последовательности, их потеря не оказывает серьезного влияния на клетку. Однако эти последовательности не безграничны. После адекватных раундов репликации теломерные повторы теряются. Существует риск потери ДНК кодирующих последовательностей в следующих раундах.

Таким образом, теломеры играют важную роль в сохранении генов ДНК и клеточном старении. Он защищает геном от деградации, ненужной репарации, рекомбинации и слияния двух хромосом.

Важность теломер

• Функционирует как митотические часы клетки, поскольку она укорачивается с каждым раундом клеточного деления
• У человека это отдельные хромосомные концевые структуры, состоящие из повторяющихся последовательностей
• Необходим для поддержания целостности хромосом. Его избыточное укорочение связано с нестабильностью ДНК

Заключение

• Теломеры представляют собой отдельные последовательности, обычно присутствующие на концах хромосом
• Он состоит из тех же коротких последовательностей ДНК, которые повторяются по своей природе
• TTAGGG — последовательность теломер человека
• Повторяется примерно 3000 раз и может увеличивать свою длину до 15000 пар оснований
• Концы хромосомы кепки теломер функционируют, предотвращая идентификацию их клеткой как случайные разрывы ДНК
• Они предотвращают эрозию хромосом на ее концах, участвуя в традиционной репликации ДНК.