Թելոմերներ և թելոմերազներ

Եթե կարողանայիր խոշորացնել և ուսումնասիրել քո քրոմոսոմների ծայրի ԴՆԹ-ն, ապա ի՞նչ կտեսնեիր: Երևի ակնկալում ես, որ այդ տեղամասերում կգտնես գեներ կամ միգուցե գեների աշխատանքը կարգավորող ԴՆԹ-ի հատվածներ: Իրականում դու կգտնես 100-1000 անգամ կրկնվող ԴՆԹ-ի հաջորդականություն՝ ԹԹԱԳԳԳ:

Քրոմոսոմների ծայրերում տեղակայված կրկնվող տեղամասերը կոչվում են թելոմերներ, որոնք հայտնաբերվել են կորիզավոր մի շարք տեսակներում՝ մարդկանցից մինչև միաբջիջ պրոտիստներ: Թելոմերները գործում են որպես պաշտպանիչ գլխարկներ, որոնք պաշտպանում են քրոմոսոմների միջանկյալ տեղամասերը: ԴՆԹ-ի յուրաքանչյուր ռեպլիկացիայի արդյունքում թելոմերների մի փոքր քանակ կրճատվում է քրոմոսոմից:

Այս հոդվածում մենք ավելի խորությամբ կուսումնասիրենք, թե ինչու են անհրաժեշտ թելոմերները, ինչու են դրանք կարճանում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի արդյունքում, և ինչպես է թելոմերազ ֆերմենտը կիրառվում՝ թելոմերների հատվածները երկարացնելու համար:

Ի տարբերություն բակտերիաների քրոմոսոմների՝ կորիզավորների քրոմոսոմները գծային են (ցուպիկաձև), ինչը նշանակում է, որ դրանք ունեն ծայրային հատվածներ: Այս հատվածները խնդրահարույց են ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի համար: Քրոմոսոմների ծայրի ԴՆԹ-ն չի կարող ամբողջովին պատճենվել ռեպլիկացիայի ժամանակ, ինչը հանգեցնում է քրոմոսոմի դանդաղ, աստիճանաբար կարճացման:

Իսկ ինչո՞ւ է դա այդպես: Երբ ԴՆԹ-ն պատճենվում է, ԴՆԹ-ի նոր շղթաներից մեկը ռեպլիկացիոն եղանում շարունակաբար սինթեզվում է և կոչվում է առաջատար շղթա: Մյուս շղթան կազմված է մի շարք փոքր հատվածներից, որոնք կոչվում են Օկազակիի հատվածներ, որոնցից յուրաքանչյուրը սկսվում է իր սեփական ՌՆԹ-ի պրայմերով: Այս շղթան հայտնի է որպես հետ մնացող շղթա: (Հավելյալ տեղեկատվության համար տես DNA replication հոդվածը)

Սովորաբար Օկազակիի հատվածների պրայմերները հեշտությամբ փոխարինվում են ԴՆԹ-ով և միավորվում են շարունակական ԴՆԹ առաջացնելով: Բայց երբ ռեպլիկացիոն եղանը հասնում է քրոմոսոմի ծայրին, ԴՆԹ-ի մի փոքր հատված չի ծածկվում Օկազակիի հատվածով; Այս հատվածի սինթեզը սկսելու ոչ մի տարբերակ չկա, քանի որ քրոմոսոմի վերջնահատվածում պրայմերը չէր կարողանա գործել (այս գործընթացն ընթանում է մի շարք տեսակներում՝ ներառյալ նաև մարդկանց օրգանիզմում)${}^1$‍: Բացի այդ, առաջացած վերջին Օկազակիի հատվածի պրայմերը չի կարող փոխարինվել ԴՆԹ-ով:

Հենց այս խնդիրների պատճառով էլ կորիզավորների քրոմոսոմի ծայրային ԴՆԹ-ն ռեպլիկացիայի յուրաքանչյուր շրջանից հետո չի պատճենվում՝ թողնելով միաշղթա ավելցուկային տեղամաս: Այս գործընթացի կրկնությամբ մի քանի շրջաններից հետո քրոմոսոմն ավելի ու ավելի կկարճանա:

Մարդկանց բջիջներում հետ մնացող շղթայի վերջին ՌՆԹ պրայմերը կարող է քրոմոսոմի ծայրից $70$‍-$100$‍ նուկլեոտիդ հեռու տեղակայված լինել${}^2$‍: Հետևաբար միաշղթա ավելցուկային տեղամասերը, որոնք առաջանում են ոչ լրիվ ռեպլիկացիայի արդյունքում, բավականին երկար են, և բջջի կիսման յուրաքանչյուր շրջանից հետո քրոմոսոմը բավականին կարճանում է։

Քրոմոսոմների ծայրային հատվածի գեների կորստից խուսափելու համար կորիզավորների քրոմոսոմների ծայրերում առկա են ԴՆԹ-ի հատուկ «գլխարկներ», որոնք կոչվում են թելոմերներ: Թելոմերները կազմված են ԴՆԹ-ի միևնույն կարճ հատվածներից, որոնք կրկնվում են հարյուրավոր կամ հազարավոր անգամներ: Այս հատվածների հաջորդականությունը տարբեր է տարբեր օրգանիզմների համար, բայց մարդկանց և կենդանիների շրջանում հետևյալն է՝ 5'-ԹԹԱԳԳԳ-3':

Թելոմերները պետք է պաշտպանվեն բջջի ԴՆԹ-ի նորոգման մեխանիզմներից, քանի որ դրանք ունեն միաշղթա հավելյալ տեղամասեր, որոնք վնասված ԴՆԹ են հիշեցնում: Հետ մնացող շղթայի ծայրի հավելյալ կտորն առաջանում է ոչ լրիվ ռեպլիկացիայի արդյունքում (տես վերոբերյալ նկարը): Առաջատար շղթայի հավելյալ հատվածն առաջացնում են ֆերմենտները, որոնք կտրում են ԴՆԹ-ի մի հատվածը${}^1$‍:

Որոշ տեսակներում (ներառյալ նաև մարդկանց շրջանում) միաշղթա հավելյալ կտորները հարևան երկպարույր շղթայով կապվում են ԴՆԹ-ի կոմպլեմենտար հատվածներին, ինչի արդյունքում թելոմերային ծայրերն առաջացնում են պաշտպանական օղակներ${}^3$‍: Թելոմերային ծայրերի հետ կապված սպիտակուցները ևս պաշտպանում են այն և կանխարգելում են ԴՆԹ-ի նորոգման եղանակների ակտիվացումը:

Թելոմերը կազմող կրկնվող հատվածները կիսման բազմաթիվ շրջանների արդյունքում կարճանում են՝ ապահովելով բուֆեր, որը պաշտպանում է քրոմոսոմի գեներ կրող միջանկյալ տեղամասերը (գոնե որոշակի ժամանակով): Թելոմերների կարճացումը կապվում է բջիջների ծերացման հետ, և թելոմերների պրոգրեսիվ կորուստը կարող է բացատրել՝ ինչու են բջիջներն ունակ բաժանվելու միայն մի քանի անգամ${}^4$‍:

Որոշ բջիջներ կարող են հակադարձել թելոմերի կարճացումը՝ թելոմերազ սինթեզելով: Վերջինս ֆերմենտ է, որը երկարացնում է քրոմոսոմների թելոմերները: Թելոմերազը ՌՆԹ կախյալ ԴՆԹ պոլիմերազ է, ինչը նշանակում է, որ այն ֆերմենտ է, որը կարող է ԴՆԹ արտադրել՝ ՌՆԹ-ի մատրիցա օգտագործելով:

Ինչպե՞ս է գործում թելոմերազը: Այս ֆերմենտը կապվում է թելոմերի կրկնվող տեղամասերին կոմպլեմենտար ՌՆԹ-ի հատվածին: Եվ վերջինս որպես մատրիցա օգտագործելով՝ այն երկարացնում է թելոմերի ԴՆԹ-ի հավելյալ հատվածը: Եթե այդ հատվածը բավականին երկար լինի, ԴՆԹ-ի նորմալ ռեպլիկացիայի մեխանիզմով (ՌՆԹ պրայմեր և ԴՆԹ պոլիմերազ օգտագործելով) կարող է սինթեզվել դրան համապատասխանող շղթա՝ առաջացնելով երկպարույր ԴՆԹ:

Պրայմերը տեղակայված չի լինի քրոմոսոմի ծայրի հենց կողքին և չի կարողանա փոխարինվել ԴՆԹ-ով, ինչի արդյունքում դեռևս կպահպանվի հավելյալ կտորը: Այնուամենայնիվ, թելոմերի ընդհանուր երկարությունն ավելի մեծ կլինի:

Թելոմերազը սովորաբար մարմնական բջիջների հիմնական մասում ակտիվ չէ, բայց այն ակտիվ է սեռական բջիջների նախորդ հանդիսացող բջիջներում և որոշ հասուն ցողունային բջիջներում: Սրանք բջիջների այն տեսակներն են, որոնք մի քանի անգամ կիսման պետք է ենթարկվեն, իսկ սեռական բջիջների նախորդները նույնիսկ պետք է նոր օրգանիզմ առաջացնեն՝ դրա թելոմերային «ժամացույցի» զրոյացմամբ${}^5$‍:

Հետաքրքրիր է, որ շատ քաղցկեղային բջիջներ ունեն կարճ թելոմերներ, և այս բջիջներում թելոմերազն ակտիվ է: Եթե թելոմերազը որևէ դեղորայքով հնարավոր լիներ արգելակել՝ որպես քաղցկեղի բուժման եղանակ, կարող էր արգելակվել այդ բջիջների անընդհատ կիսումն ու, հետևաբար, քաղցկեղային ուռուցքի աճը: