Рак, болезни, связанные со старением, и другие заболевания тесно связаны с важным ферментом под названием «теломераза». Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщают в журнале Cell о глубочайшем научном изучении этого когда-то загадочного фермента, каталитическое ядро которого, где происходит большая часть его активности, теперь можно увидеть с разрешением, близким к атомному.
«Теперь мы видим не только циферблат часов, мы видим, как компоненты внутри взаимодействуют, чтобы заставить их работать», - сказала Джули Фейгон, профессор химии и биохимии в колледже Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и старший автор исследования.«С каждым шагом мы приближаемся и видим все больше и больше деталей, и теперь мы 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 тела». фермента."
В дополнение к отчету о самом высоком уровне детализации структуры каталитического ядра теломеразы, показанной на анимации ниже, исследователи сообщают, что впервые они захватили теломеразу в процессе создания ДНК.
«Впервые у нас есть структура или план теломеразы», - сказал Лукас Сусак, докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в лаборатории Фейгона и соавтор. «Мы знаем, что у людей есть мутации теломеразы и они заболевают, но мы не понимали, как это могло произойти, кроме того, что знали, что их теломераза не работает. Теперь мы можем сказать, что проблема связана с определенным участком внутри теломеразы, и, возможно, понять, почему фермент иногда не работает должным образом. Чтобы вылечить болезнь, мы должны сначала определить место возникновения проблемы, и теперь это возможно. Конечно, впереди еще много шагов."
Основная работа теломеразы заключается в поддержании ДНК в теломерах, структурах на концах хромосом человека. Когда теломераза не активна, каждый раз, когда клетки делятся, теломеры становятся короче. Когда это происходит, теломеры становятся настолько короткими, что клетки перестают делиться или умирают.
Клетки с аномально активной теломеразой могут постоянно восстанавливать свои защитные хромосомные колпачки и не погибнут, сказал Фейгон, который также является членом Института молекулярной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ассоциированным членом Института геномики Департамента энергетики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. и протеомика. 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 под названием «Tetrahymena thermophila», которые обычно встречаются в пресноводных прудах. Компоненты теломеразы относительно хорошо известны у Tetrahymena, и это организм, в котором теломераза и теломеры были впервые обнаружены. Центральное каталитическое ядро теломеразы одинаково во всех организмах, включая человека.
Теломераза содержит специализированную «обратную транскриптазу» или класс белков, который имеет четыре основных участка и несколько подучастков. В этом исследовании ученые обнаружили большую, ранее не изученную субобласть, называемую «TRAP», в обратной транскриптазе фермента. Вместо копирования с ДНК на РНК - обычно ДНК создает РНК, которая создает белки - обратные транскриптазы используют РНК для создания ДНК; особенно хорошо известна обратная транскриптаза ВИЧ, мишень для 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 создать длинную цепочку ДНК.(Нуклеотиды являются строительными блоками ДНК и РНК.) TRAP играет решающую роль в добавлении небольших фрагментов ДНК к концам хромосом, чтобы предотвратить их укорачивание при каждом делении клетки.
Исследователи впервые сообщают о структуре, форме и значении TRAP, а также о регионе, с которым он взаимодействует.
«Радость науки - это момент, когда вы первый человек в мире, который видит 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 важную часть головоломки и были единственными людьми, которые видели это. Это очень захватывающе».
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 «TEN». 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 размножаться, 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», - сказал Сусак. «Каждое из этих взаимодействий может быть целью и, возможно, нарушить или усилить функцию теломеразы. Точность будет очень важна; просто ударить теломеразу молотком не получится. Теломераза является очень важным и уникальным ферментом во многих организмах. Теперь у нас есть места, к которым нужно стремиться."
Ученые использовали технику под названием «криоэлектронная микроскопия», которая позволяет им увидеть фермент в необычайных деталях, и применили компьютерное моделирование для интерпретации полученных данных. Исследовательская группа обладает опытом в нескольких областях, включая биохимию, молекулярную биологию, вычислительную биологию и биофизику.