Рак, болезни, связанные со старением, и другие болезни тесно связаны с важным ферментом, который называется "теломераза." Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщают в журнале Cell о самом глубоком научном понимании этого когда-то загадочного фермента, каталитическое ядро которого – где происходит большая часть его активности – теперь можно увидеть с почти атомным разрешением.
"Теперь мы видим не просто циферблат, мы видим, как компоненты внутри взаимодействуют, чтобы заставить его работать," сказала Джули Фейгон, профессор химии и биохимии в колледже Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и старший автор исследования. "На каждом этапе мы увеличиваем масштаб и видим все больше и больше деталей, и теперь можем начать делать выводы не только о том, как выглядит фермент, но и о том, как он функционирует. Знание этого может привести к разработке новых лекарств, нацеленных на определенные части фермента."
В дополнение к сообщению о самом высоком уровне детализации структуры каталитического ядра теломеразы, показанном на анимации ниже, исследователи впервые сообщают, что они захватили теломеразу в процессе создания ДНК.
"Впервые у нас есть структура или план теломеразы," сказал Лукас Сусак, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в лаборатории Фейгона и со-ведущий автор. "Мы знаем, что у людей есть мутации теломеразы и они болеют, но мы не понимаем, как это произошло, кроме того, что знаем, что их теломераза не работает. Теперь мы можем сказать, что проблема связана с определенным участком теломеразы, и, возможно, понять, почему фермент иногда не работает должным образом. Чтобы вылечить болезнь, сначала мы должны определить, где возникает проблема, и теперь это возможно. Конечно, впереди еще несколько шагов."
Основная задача теломеразы – поддерживать ДНК в теломерах, структурах на концах хромосом человека. Когда теломераза неактивна, каждый раз, когда клетки делятся, теломеры становятся короче. Когда это происходит, теломеры в конечном итоге становятся настолько короткими, что клетки перестают делиться или погибают.
Клетки с аномально активной теломеразой могут постоянно восстанавливать свои защитные хромосомные шапки и не погибнут, сказал Фейгон, который также является членом Института молекулярной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ассоциированным членом Института геномики и протеомики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Со временем это вредно, потому что ошибки ДНК накапливаются и повреждают клетки. Теломераза особенно активна в раковых клетках, что позволяет раку расти и распространяться.
Исследовательская группа Фейгона провела исследование с использованием одноклеточных микроорганизмов, называемых "Tetrahymena thermophila," которые обычно встречаются в пресноводных прудах. Компоненты теломеразы относительно хорошо известны в Tetrahymena, и это организм, в котором теломераза и теломеры были впервые обнаружены. Центральное каталитическое ядро теломеразы одинаково у всех организмов, включая человека.
Теломераза содержит специализированный "обратная транскриптаза," или класс белков, который имеет четыре основных региона и несколько субрегионов. В этом исследовании ученые выявили большой, ранее не изученный субрегион, названный "ЛОВУШКА" в обратной транскриптазе фермента. Вместо копирования ДНК в РНК – обычно ДНК создает РНК, которая создает белки, – обратные транскриптазы используют РНК для создания ДНК; особенно хорошо известна обратная транскриптаза ВИЧ, мишень многих лекарств.
В то время как другие обратные транскриптазы могут копировать любую произвольную последовательность РНК и создавать из нее ДНК, обратная транскриптаза теломеразы копирует только конкретную шестинуклеотидную РНК и делает это столько раз, чтобы образовать длинную цепь ДНК. (Нуклеотиды – это строительные блоки ДНК и РНК.) TRAP играет решающую роль в добавлении небольших кусочков ДНК к концам хромосом, чтобы они не укорачивались каждый раз, когда клетки делятся.
Исследователи впервые сообщают о структуре, форме и значении TRAP, а также о регионе, с которым он взаимодействует.
"Радость науки – это момент, когда вы первым в мире видите что-то важное," сказал Фейгон, член Национальной академии наук. "Я помню, как смотрел на эту структуру, когда мы ее получили, и думал, что мы решили значительную часть головоломки и были единственными людьми, которые это видели. Это очень волнительно."
Исследовательская группа Фейгона изучает, как регионы взаимодействуют и общаются друг с другом. В исследовании 2015 года, опубликованном в журнале Science, Фейгон и его коллеги сообщили о местонахождении крупного региона под названием "10." Теперь исследователи сообщают о структурах TEN и TRAP и о том, как они взаимодействуют друг с другом и с теломеразной РНК. Многие мутации, которые ученые приписывают области TEN, на самом деле нарушают взаимодействие TEN с TRAP, сообщают исследователи в Cell.
Это первый раз, когда исследователи увидели теломеразу в процессе создания ДНК. Исследователи захватили теломеразу сразу после того, как она добавила нуклеотид к растущей цепи ДНК в каталитическом ядре. (Каталитическое ядро состоит из обратной транскриптазы теломеразы и РНК.)
Каковы последствия исследования для борьбы с раком? Раковые клетки продолжают воспроизводиться, и для этого теломераза должна быть очень активной, чего нет в здоровых клетках. Чтобы уменьшить это, было бы полезно знать, как нацелить активность фермента. Это новое исследование приближает эту цель к реальности, давая подсказки о том, на какие части нужно ориентироваться.
"У нас есть очень глубокое понимание того, как работает теломераза и как компоненты работают вместе," Susac сказал. "Каждое из этих взаимодействий может быть точкой для нацеливания и, возможно, нарушить или усилить функцию теломеразы. Точность будет очень важна; просто ударить по теломеразе молотком не получится. Теломераза является центральным и уникальным ферментом многих организмов. Теперь у нас есть места, к которым нужно стремиться."
Ученые использовали технику под названием "криоэлектронная микроскопия" что позволяет им увидеть фермент с необычайной детализацией и использовать компьютерное моделирование для интерпретации своих данных. Команда исследователей имеет опыт работы в нескольких областях, включая биохимию, молекулярную биологию, вычислительную биологию и биофизику.