Теломераза является сложным рибонуклеопротеидным комплексом, обладающий обратно-транскриптазной активностью и удлиняющий в клетках эукариот концы хромосом - теломеры. Основным объектом исследования является теломераза Saccharomices cerevisiae. С помощью генетических методов и иохимических подходов исследуется белковый состав теломеразного комплекса, взаимодействие компонентов между собой и регуляция теломеразной активности. Проводятся структурные исследования компонентов теломеразы методом ЯМР.
Зачем нужна теломераза? Преемственность генетического материала в поколениях обеспечивается процессом удвоения молекул ДНК, а именно репликацией. "Проблема концевой репликации" заключается в том, что все известные ДНК-полимеразы неспособны реплицировать концы линейных молекул ДНК. ДНК-полимераза не способна начать синтез. Она может лишь наращивать уже имеющуюся полинуклеотидную нить, последовательно присоединяя дезоксирибонуклеотиды к её 3'-ОН концу. Откуда же берётся начальный 3'-ОН конец? РНК-полимераза, называемая праймазой, синтезирует небольшую рибонуклеотидную затравку. Ее размер невелик (< 20 нуклеотидов) по сравнению с размером всей цепи ДНК. В последствии РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при этом брешь заделывается ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки 3'-ОН конец рядом стоящего фрагмента. Удаление крайних РНК-затравок, комплементарных 3'-концам обеих цепей линейной "материнской" молекулы ДНК, приводит к тому, что "дочерние" цепи оказываются короче. В этом и заключается проблема репликации концов линейных молекул. Для того, чтобы клетки не теряли при делении часть генетического материала, 3'-концы ДНК хромосом эукариот наращиваются перед каждым раундом репликации короткими повторяющимися последовательностями теломеразой. Таким образом теломераза решает "проблему концевой репликации".
Как работает теломераза? Что же представляет собой этот фермент? В 1985 году он был обнаружен у равноресничной инфузории Tetrahymena thermophila, а впоследствии - в дрожжах, растениях и животных, в том числе в половых клетках человека и иммортализованных линиях раковых клеток HeLa. Теломераза является обратной транскриптазой, так как матричный синтез куска ДНК идёт по участку теломеразной РНК. То есть помимо белковых субъединиц теломераза содержит РНК. Длина теломеразной РНК колеблется от 150 нуклеотидов у простейших до 1400 нуклеотидов у дрожжей; у человека - 450 нуклеотидов. После каждой репликации "дочерние" цепи ДНК оказываются короче "материнских" на размер первого РНК-праймера. Теломераза узнает не спаренный 3'-конец, который последовательно наращивает, используя 3'-ОН конец в качестве затравки, а РНК, входящую в состав фермента, в качестве матрицы. Образующиеся более длинные одноцепочечные концы, в свою очередь, служат матрицами для синтеза по традиционному репликативному механизму. Поскольку последовательности нуклеотидов, добавляемые теломеразой, не являются кодирующими, то они выступают как защита от потери генетической информации. Укорочение ДНК в ходе каждого раунда репликации лишь сокращает нетранскрибируемый текст теломеры, но не приводит к утрате смысловых последовательностей. Схема удлинения концов линейных молекул ДНК представлена на рисунке.
Что мы умеем и наши планы? На настоящий момент в нашей лаборатории разработаны методы, позволяющие выделять теломеразный комплекс из Saccharomices cerevisiae, а так же проводить оценку активности выделенных препаратов. Клонированны и экспрессированы отдельные компоненты теломеразы. Предстоит выяснить, как эти компоненты взаимодействуют между собой, зачем они нужны и как происходит регуляция теломеразной активности у дрожжей по клеточному циклу.