ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 14

გაკვეთილი 3: დნმ-ის რეპლიკაცია

ტელომერები და ტელომერაზა

ტელომერები დამცავი "ქუდებია", რომლებიც ეუკარიოტების ქრომოსომებზეა წამოცმული. როგორ აგრძელებს ტელომერაზა ტელომერებს.

შესავალი

რომ შეგეძლოთ თქვენი ერთ-ერთი ქრომოსომის გამოსახულების ძლიერ გადიდება და მის ბოლოზე არსებული დნმ-ის დათვალიერება, რას დაინახავდით? ალბათ გგონიათ, რომ იქ გენები იქნებოდა ან გენთა რეგულაციაში ჩართული დნმ-თანმიმდევრობები მაინც. სულაც არა. სინამდვილეში, თქვენ ნახავდით სულ ერთ თანმიმდევრობას –TTAGGG – გამეორებულს რამდენიმე ასეულჯერ ან ათასეულჯერ.

ქრომოსომების ბოლოებზე მდებარე განმეორებად უბნებს ტელომერები ეწოდება და ისინი ეუკარიოტთა მრავალ სახეობაში გვხვდება, დაწყებული ადამიანებიდან, დამთავრებული ერთუჯრედიანი უმარტივესებით. ტელომერები ქრომოსომების ბოლოებზე თავსახურებივითაა, რომლებიც შიდა ნაწილებს იცავენ და დნმ-ის თითოეული რეპლიკაციისას ისინი სიგრძეში ოდნავ მოკლდება.

ამ სტატიაში დეტალურად განვიხილავთ, რატომაა ტელომერები საჭირო, რატომ მოკლდება ისინი დნმ-ის რეპლიკაციისას და როგორ გამოიყენება ფერმენტი ტელომერაზა მათ დასაგრძელებლად.

ქრომოსომის ბოლოს რეპლიკაციის პრობლემა

ბაქტერიული ქრომოსომებისგან განსხვავებით, ეუკარიოტების ქრომოსომები ხაზოვანია (წრფივი), ანუ მათ ორი ბოლო აქვთ, რაც პრობლემას წარმოშობს დნმ-ის რეპლიკაციისას. ქრომოსომის ბოლოზე, უკიდურეს ნაწილში მდებარე დნმ ვერ ორმაგდება რეპლიკაციის თითოეულ ჯერზე, რის გამოც ქრომოსომა ნელ-ნელა მოკლდება.

რატომ ხდება ასე? დნმ-ის გაორმაგების დროს რეპლიკაციის ჩანგალთან ორი ახალი ჯაჭვიდან ერთი უწყვეტად წარმოიქმნება და მას წამყვანი ჯაჭვი ეწოდება. მეორე, ჩამორჩენილი ჯაჭვი ნაწილ-ნაწილ, ოკაზაკის ფრაგმენტებად იწყობა და თითოეული მათგანის წარმოქმნას რნმ-პრაიმერი სჭირდება (მეტის გასაგებად იხ. სტატია დნმ-ის რეპლიკაცია).

უხშირესად, ოკაზაკის ფრაგმენტების პრაიმერები მარტივად შეიძლება, ჩანაცვლდეს დნმ-ით და ფრაგმენტებიც შეწებდეს ერთიანი ჯაჭვის წარმოსაქმნელად, თუმცა როცა რეპლიკაციის ჩანგალი ქრომოსომის ბოლოს აღწევს (ბევრ სახეობაში, მათ შორის ადამიანებშიც), რჩება დნმ-ს პატარა ნაწილი, რომლის კომპლემენტარული ოკაზაკის ფრაგმენტიც არ წარმოიქმნება —ამ ფრაგმენტის პრაიმერი ქრომოსომის ბოლოს იქით, ჰაერში ხომ ვერ მოთავსდება?!

^{1}

. ამასთანავე, ბოლოს წარმოქმნილი ოკაზაკის ფრაგმენტის პრაიმერიც ვერ ჩანაცვლდება დნმ-ით, სხვა პრაიმერებისგან განსხვავებით.

ზოგადად, დნმ-პოლიმერაზები დნმ-ის ახალი ჯაჭვის წარმოქმნას ნულიდან ვერ ახერხებენ, მაშინაც კი, თუ ნიმუში აქვთ და მასზე უნდა ააწყონ ახალი მოლეკულა. ეს იმიტომ, რომ მათ მიერ წარმართული პოლიმერიზაციის რეაქცია გულისხმობს ახალი ნუკლეოტიდის ფოსფატის ჯგუფის რეაგირებას ძველი ნუკლეოტიდის (რომელიც უკვე ჯაჭვშია) ჰიდროქსილის ჯგუფთან, რაც მარჯვნივ ჩანს. ამ ჰიდროქსილის ჯგუფის, „კაუჭის", გარეშე დნმ-პოლიმერაზა ახალ ნუკლეოტიდებს ვერაფერს მიუმაგრებს და ახალი დნმ-ის სინთეზის კატალიზაცია არ შეუძლია.

ოკაზაკის ფრაგმენტების პრაიმერთა უმრავლესობა უპრობლემოდ ჩანაცვლდება. ეს იმიტომ, რომ მეზობელი ფრაგმენტების ჰიდროქსილის ჯგუფების გამოყენება შეუძლია დნმ-პოლიმერაზას საწყის „კაუჭად" და მისი მეშვეობით პრაიმერის დნმ-ით ჩანაცვლება, თუმცაღა ქრომოსომის ბოლოზე მეზობელი ოკაზაკის ფრაგმენტი აღარაა თავისი ჰიდროქსილის ჯგუფით, რის გამოც ბოლო სრულად ვერ ორმაგდება.

ამ პრობლემების გამო ეუკარიოტული ქრომოსომის დნმ-ის ნაწილი თითოეული რეპლიკაციის დროს გაუორმაგებელი რჩება (მეორე ჯაჭვის შესაბამისი ბოლო კი - ერთმაგი და „გარეთ გადმოკიდებული"). უჯრედის მრავალჯერ გაყოფისას ქრომოსომა უფრო და უფრო მოკლდება, რადგან ყველა ჯერზე ეს მეორდება.

ნამდვილ ეუკარიოტულ ქრომოსომას რეპლიკაციის მრავალი საწყისი წერტილი და მრავალი რეპლიკაციური ბუშტი ექნებოდა, მაგრამ ბოლოების გაორმაგების პრობლემა მაინც არ შეიცვლებოდა. სახეცვლილი სურათის თავდაპირველი ვერსიაა „ტელომერების დამოკლება," ავტორი Zlir'a, საჯარო დომენი.

ზედა დიაგრამის ქვედა ნაწილში ქრომოსომის წამყვანი ჯაჭვისეული ბოლო ბლაგვია (ერთმაგი ჯაჭვი არაა მისგან „გამოცრილი"). ეს ბოლო თავიდან მართლაც ბლაგვია, მაგრამ შემდეგ მას ფერმენტები ამუშავებენ და დაახლოებით

30

ფწ სიგრძის ერთმაგი, გამოშვერილი უბანი მიიღება

^{1}

ეს მნიშვნელოვანია ქრომოსომის ბოლოს დასაცავად, რასაც ქვემოთ განვიხილავთ. ერთმაგჯაჭვიანი ბოლოს წარმოქმნა ხელს უწყობს ტელომერების თანდათან დამოკლებასაც უჯრედის მრავალჯერ გაყოფის შემდეგ.

ადამიანის უჯრედებში ბოლო რნმ-პრაიმერი ქრომოსომის ბოლოდან სულ

70

100

ნუკლეოტიდით შეიძლება იყოს დაშორებული

^{2}

შესაბამისად, ქრომოსომების ბოლოების არასრული რეპლიკაციის გამო წარმოქმნილი ერთმაგი ბოლოები საკმაოდ გრძელია და თითოეული ქრომოსომაც მნიშვნელოვნად მოკლდება უჯრედის თითოეული გაყოფისას.

ტელომერები

ქრომოსომების ბოლოების გაცვეთასთან ერთად გენების დაკარგვის თავიდან ასაცილებლად, ეუკარიოტების ქრომოსომებს ბოლოებზე დნმ-ის სპეციალური თავსახურები, ტელომერები, აქვთ. ტელომერებში რამდენიმე ასეულჯერ ან ათასეულჯერაა გამეორებული ერთი და იგივე, მოკლე დნმ-თანმიმდევრობა, რომელიც განსხვავებულია ორგანიზმებში, მაგრამ ადამიანებსა და სხვა ძუძუმწოვრებში არის: 5'-TTAGGG-3'.

ტელომერები აუცილებლად უნდა იყოს დაცული უჯრედის დნმ=ის რეპარაციის სისტემისგან, რადგან მათ ერთჯაჭვიანი, „გამოშვერილი" ბოლოები აქვთ, რაც „საეჭვოდ მიაგავს" დაზიანებულ დნმ-ს. ეს ერთმაგი ბოლოები ჩამორჩენილი ჯაჭვის ბოლოს არასრული რეპლიკაციის შედეგია (იხ. ილუსტრაცია ზემოთ). წამყვანი ჯაჭვის ბოლოზე ასეთივე „გამოშვერილ ჯაჭვს" ფერმენტები სპეციალურად წარმოქმნიან დნმ-ის ნაწილის მოჭრით

^{1}

ზოგ სახეობაში (მათ შორის ადამიანებშიც) ეს ერთმაგი ბოლოები მახლობლად მდებარე ორჯაჭვიანი დნმ-ის კომპლემენტარულ უბნებს უკავშირდება და ტელომერი დამცავ მარყუჟს წარმოქმნის.

^{3}

ტელომერების ბოლოებთან დაკავშირებული ცილებიც იცავს ამ ნაწილს და ხელს უშლის დნმ-ის შემკეთებელი გზების ჩართვას.

ტელომერების ეს გამეორებები უჯრედის ყოველ ციკლში, ყოველი გაყოფისას თანდათან ცვდება და ერთგვარ „ბუფერს" ქმნის, რომელიც ქრომოსომის შიგნითა, გენებიან ნაწილს იცავს (დროებით მაინც). ტელომერების დამოკლებას უკავშირებენ უჯრედების დაბერებას და სწორედ ამით შეიძლება ავხსნათ ისიც, რომ უჯრედის გაყოფის რიცხვი ლიმიტირებულია.

ტელომერაზა

ზოგ უჯრედს შეუძლია ტელომერების დამოკლების პროცესის შებრუნება, რადგან მათ აქვთ ქრომოსომების ტელომერების დამგრძელებელი ფერმენტი ტელომერაზა. ტელომერაზა რნმ-დამოკიდებული დნმ-პოლიმერაზაა, ანუ ფერმენტი, რომელიც რნმ-ს იყენებს ნიმუშად დნმ-ის წარმოსაქმნელად.

როგორ მუშაობს ტელომერაზა? იგი უკავშირდება რნმ-ის სპეციალურ მოლეკულას, რომელიც ტელომერების განმეორებადი თანმიმდევრობების კომპლემენტარულია. ტელომერაზა ტელომერის დნმ-ს, ერთმაგ, „გამოშვერილ" ჯაჭვს აგრძელებს (ნუკლეოტიდებს უმატებს), რისთვისაც ნიმუშად ამ რნმ-ს იყენებს. ერთი ჯაჭვის საკმარისად დაგრძელების შემდეგ მისი კომპლემენტარული ჯაჭვის აწყობაც ადვილია დნმ-ის რეპლიკაციის ჩვეულებრივი მექანიზმით (ანუ რნმ-პრაიმერებითა და დნმ-პოლიმერაზათი) და საბოლოოდ ორმაგი დნმ წარმოიქმნება.

პრაიმერი შეიძლება სწორად ვერ განთავსდეს ქრომოსომის ბოლოზე და ვერც დნმ-ით ჩანაცვლდეს, ამიტომ გამოშვერილი ბოლო მაინც დარჩება, თუმცა ტელომერის ჯამური სიგრძე მაინც გაიზრდება.

ტელომერაზა სომატური (სხეულის) უჯრედების უმრავლესობაში აქტიური არ არის, მაგრამ იგი ფუნქციონირებს ჩანასახოვან უჯრედებში (რომლებისგანაც შემდეგ სპერმატოზოიდები ან კვერცხუჯრედები წარმოიქმნება) და მოზრდილთა ზოგ ღეროვან უჯრედში. ამ უჯრედებს მრავალჯერ გაყოფა ესაჭიროებათ, ხოლო ჩანასახოვანმა უჯრედებმა დასაბამი უნდა მისცეს ახალ ორგანიზმს, რომელსაც თავისი ტელომერული „საათი" ექნება

^{5}

საინტერესოა, რომ მრავალ სიმსივნურ უჯრედს მოკლე ტელომერები აქვს და ტელომერაზა მათში აქტიურია. თუ სიმსივნის მკურნალობისას მედიკამენტებით შევძლებდით ტელომერაზას გამორთვას, ზედმეტი გაყოფა (და ავთვისებიანი სიმსივნის ზრდა) თეორიულად, შეწყდებოდა.

ატრიბუცია:

სახეცვლილი სტატიის თავდაპირველი ვერსიაა „დნმ-ის რეპლიკაცია ეუკარიოტებში," ავტორი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია CC BY 4,0. გადმოწერეთ თავდაპირველი სტატია უფასოდ ვებსაიტიდან: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10,53.

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC BY-NC-SA 4,0.

ციტირებული შრომები:

Chow, T. T., Zhao, Y., Mak, S. S., Shay, J. W., and Wright, W. E. (2012). Early and late steps in telomere overhang processing in normal human cells: The position of the final RNA primer drives telomere shortening. Genes Dev., 26(11), 1168. http://dx.doi.org/10,1101/gad.187211,112.
Chow, T. T., Zhao, Y., Mak, S. S., Shay, J. W., and Wright, W. E. (2012). Early and late steps in telomere overhang processing in normal human cells: The position of the final RNA primer drives telomere shortening. Genes Dev., 26(11), 1167.
Vega, L. R., Mateyak, M. K., and Zakian, V. A. (2003). Getting to the end: Telomerase access in yeast and humans. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 4, 951. http://dx.doi.org/10,1038/nrm1256.
Bartlett, Z. (14 ნოემბერი, 2014). The Hayflick limit. In The embryo project encyclopedia. წყარო https://embryo.asu.edu/pages/hayflick-limit.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Shortening of the ends of linear DNA molecules. In Campbell biology (10th ed., p. 327). San Francisco, CA: Pearson.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია:

Bartlett, Z. (14 ნოემბერი, 2014). The Hayflick limit. In The embryo project encyclopedia. წყარო https://embryo.asu.edu/pages/hayflick-limit.

Bonetti, D., Martina, M. Falcettoni, M., and Longhese, M. P. (2014). Telomere-end processing: Mechanisms and regulation. Chromosoma, 123, 57-66. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24122006.

Chow, T. T., Zhao, Y., Mak, S. S., Shay, J. W., and Wright, W. E. (2012). Early and late steps in telomere overhang processing in normal human cells: The position of the final RNA primer drives telomere shortening. Genes Dev., 26(11), 1167-1178. http://dx.doi.org/10,1101/gad.187211,112.

Cong, Y.-S., Wright, W. E., and Shay, J .W. (2002). Human telomerase and its regulation. Microibol. Mol. Biol. Rev., 66(3), 407-425. http://dx.doi.org/10,1128/MMBR.66,3.407-425,2002.

Cooper, G.M. (2000). Telomeres. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. წყარო http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9863/#_A634_.

Davis, G. T. (22 თებერვალი, 2010). Forming telomeres in Tetrahymena. წყარო http://facstaff.bloomu.edu/gdavis/telomerase.jpg.

Eskandari-Nasab, E., Dahmardeh, F., Rezaeifar, A., and Dahmardeh, T. (2015). Telomere and telomerase: From discovery to cancer treatment. Gene, Cell, and Tissue, 2(3), e28084. http://dx.doi.org/10,17795/gct28084.

Hodes, R. J. (1999). Telomere length, aging, and somatic cell turnover. In J. Exp. Med., 190(2), 153-156. http://dx.doi.org/10,1084/jem.190,2.153.

ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია. (29 სექტემბერი, 2015). DNA replication in eukaryotes. In OpenStax CNX (section 14,5). წყარო http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,87:71/DNA-Replication-in-Eukaryotes.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2004). Telomeres are not fully replicated. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 226-227). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

ტელომერაზა. (10 იანვარი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 23 იანვარი, 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Telomerase.

ტელომერი. (3 იანვარი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 23იანვარი, 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Telomere.

Vega, L. R., Mateyak, M. K., and Zakian, V. A. (2003). Getting to the end: Telomerase access in yeast and humans. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 4, 948-959. http://dx.doi.org/10,1038/nrm1256.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.