Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крус определили структуру ключевой части фермента теломеразы, который активен при большинстве видов рака и позволяет раковым клеткам бесконечно размножаться. Новые результаты, опубликованные 5 октября в журнале Nature Structural & Молекулярная биология, раскрыть, как фермент выполняет важную функцию, связанную с защитой концов хромосом.
Повторяющиеся последовательности ДНК на концах хромосом, называемые теломерами, служат защитными колпачками (часто по сравнению с пластиковыми наконечниками на шнурках). По мере деления клетки их теломеры становятся все короче, пока в конце концов клетки не перестанут делиться. Фермент теломераза удлиняет теломеры, добавляя больше повторяющейся последовательности ДНК. Он активен в клетках, которым необходимо бесконечно делиться, таких как стволовые клетки, и примерно в 90 процентах злокачественных опухолей.
"С момента открытия теломеразы и ее чрезмерной активации при раке люди осознали огромный терапевтический потенциал противораковых препаратов, нацеленных на теломеразу. Но в клинике до сих пор нет такого препарата, и отчасти причина заключается в нашем непонимании детальной структуры фермента," сказал Майкл Стоун, доцент химии и биохимии Калифорнийского университета в Санта-Крус и старший автор статьи.
Теломераза – необычный фермент, состоящий из белкового компонента и компонента РНК. Белок представляет собой тип фермента, называемого обратной транскриптазой, который делает ДНК-копии последовательностей РНК. Компонент РНК обеспечивает матрицу, которую фермент копирует для создания последовательности ДНК теломер.
"Шаблон – это дорожка, по которой движется ферментный поезд, и уникальность теломеразы заключается в том, что дорожка является неотъемлемым компонентом самого фермента," Стоун сказал.
Фермент копирует один и тот же короткий сегмент матрицы РНК снова и снова, чтобы генерировать повторяющуюся ДНК теломер. Одна из загадок заключалась в том, как точно определяется скопированная последовательность, поскольку это относительно небольшой сегмент гораздо более крупной теломеразной РНК. Группа Стоуна решила структуру области, называемой связывающим доменом РНК, и их результаты объясняют, как граница матрицы определяется взаимодействием между белком и компонентами РНК теломеразы.
По сути, связывающий домен связывает один конец РНК, так что только определенная последовательность может перемещаться через активный сайт фермента, где происходит копирование. По мере того, как фермент копирует матричную последовательность, он протягивает РНК через активный сайт до тех пор, пока не исчезнет провисание, и в этот момент молекулярная "перетягивание каната" между связывающим доменом и обратной транскриптазой останавливает движение РНК в активный сайт.
"Обратная транскриптаза притягивает РНК, но структурная устойчивость РНК-связывающего домена запрещает перемещение большего количества РНК, и именно так определяется граница матрицы," Стоун сказал.
Затем фермент возвращается к началу последовательности матрицы и запускается заново. Группа Стоуна показала, что участок РНК, связанный с белком, образует структуру, известную как петля стебля РНК, а структура белка в связывающем домене вклинивается в основание стебля РНК, закрепляя его на месте.
"Наша модель согласуется с результатами других исследований теломеразы и напрямую раскрывает задействованный функциональный механизм," Стоун сказал. "Что делает это интересным для рационального дизайна лекарств, так это то, что определение границ шаблона является очень специфической особенностью теломеразы. Наши клетки полны других видов ферментов полимеразы, поэтому важно разработать лекарство, которое нацелено только на теломеразу."