Хотя антивозрастные препараты на основе теломеразы, рекламируемые как «источник молодости», и противораковые препараты еще не появились, сегодняшняя публикация учеными Калифорнийского университета в Беркли первой подробной картины молекулярной структуры теломеразы человека должна послужить толчком для этого. усилия, позволяющие более целенаправленно проверять наркотики и разумно разрабатывать новые лекарства.«Это было давно.
Потребовалось много настойчивости», — сказала Кэтлин Коллинз, профессор молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли, работавшая над ферментом 26 лет.Коллинз и Ева Ногалес, также профессор молекулярной и клеточной биологии, являются старшими авторами статьи, описывающей трехмерную молекулярную структуру фермента теломеразы человека, опубликованной на этой неделе в журнале Nature.
Одним из узких мест было получение чистых образцов этой сложной молекулы, которая состоит из остова РНК, украшенного шестью типами белков, которые перемещаются по мере добавления ДНК к концам хромосом. В лабораториях по всему миру ведутся споры о том, действует ли фермент по отдельности или в виде сиамских близнецов, а также как и сколько белков украшает основу РНК.Без согласия по этим вопросам оказалось трудным разработать лекарство, которое нацелено на молекулярную машину и либо разрушит активность теломеразы, что могло бы остановить рак, увеличивший уровень теломеразы, либо перезапустить теломеразу, возможно, чтобы подготовить организм к быстрому действию. деление клеток после трансплантации костного мозга.
«Недавно обнаруженной структуре все еще не хватает мелких деталей, но в сочетании со знанием последовательности генов теломеразы человека она дает достаточно информации, чтобы начать думать о потенциальных мишенях для лекарств», — сказал первый автор Тхи Хоанг Зыонг «Келли» Нгуен, научный сотрудник Института Миллера. в Калифорнийском университете в Беркли.«Лучшие предыдущие изображения человеческой теломеразы имели разрешение всего 30 Ангстрем; мы смогли получить разрешение от 7 до 8 Ангстрем с помощью криоэлектронной микроскопии», — сказал Келли. «Когда я дошел до точки, где я мог видеть все субъединицы — всего у нас было 11 белковых субъединиц — это был момент:« Вау, вау, вот как они все подходят друг к другу »».Нгуен, Коллинз и Ногалес активно работают над улучшением разрешения до 3 или 4 Ангстремов — размером примерно с два атома углерода — чего достаточно для создания лекарств.
Теломераза заполняет теломерыТеломеры были впервые обнаружены на молекулярном уровне в конце 1970-х годов Элизабет Блэкберн, затем в Калифорнийском университете в Беркли, а ныне почетным президентом Института биологических исследований Солка в Ла-Хойя, Калифорния. Работая с мерцательным простейшим Tetrahymena, она и ее коллеги показали, что концы хромосом закрыты повторяющимися последовательностями ДНК.
Вооруженные знаниями о последовательности теломер, исследователи затем показали, что теломеры в тканях многоклеточных организмов становятся короче с каждым делением клетки. Теломеры защищают нити ДНК от истирания и повреждения на концах, подобно пластиковому наконечнику шнурка. Считается, что тот факт, что они выпадают с каждым делением клетки, защищает нас от рака, когда клетка захватывается и непрерывно размножается.
В 1985 году в Калифорнийском университете в Беркли Блэкберн и тогдашняя аспирантка Кэрол Грейдер открыли теломеразу, фермент, который добавляет ДНК обратно к концам хромосом, удлиняя их и увеличивая продолжительность жизни клетки. Блэкберн, Грейдер и другой коллега Джек Сосак разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2009 года за открытие теломеразы.
С тех пор ученые обнаружили, что у людей и других многоклеточных организмов теломераза экспрессируется только в эмбрионе, а не в большинстве взрослых клеток. Это означает, что большинство клеток при рождении имеют предопределенную способность расти и делиться, после чего они умирают.
Многие ученые считают, что истощение теломер — основная причина старения.Коллинз пыталась определить структуру теломеразы с тех пор, как в 1997 году был открыт первый белок теломеразы человека, и она и ее коллеги обнаружили и всесторонне охарактеризовали многие белки в большом ферменте, а также разрушенную структуру шпильки. РНК-основы теломеразы. Тем не менее, как все они сочетаются друг с другом, оставалось загадкой из-за противоречивых результатов, полученных в разных лабораториях.
Нгуен смог выделить активный фермент и очистить его намного лучше, чем кто-либо прежде, и использовал новый современный криоэлектронный микроскоп, чтобы однозначно определить структуру активной теломеразы. Крио-ЭМ — это метод определения молекулярных структур соединений, которые нельзя кристаллизовать и отобразить с помощью рентгеновских лучей, и его разработчики получили Нобелевскую премию по химии 2017 года.По словам Нгуена, после того, как команда Калифорнийского университета в Беркли разработала структуру, стало ясно, почему генетические мутации в некоторых белках теломеразы мешают ферменту вызывать заболевание.
В 1999 году Коллинз обнаружил первое известное заболевание человека, вызванное мутацией теломеразы: мутацию в белке теломеразы, называемом дискерином, который отвечает за редкое заболевание, называемое врожденным дискератозом. У пациентов развивается анемия, проблемы с кожей и кишечником, и чаще всего они умирают от недостаточности костного мозга.Причина, по словам Коллинза, в том, что есть две молекулы дискерина, связанные с остовом РНК, которые должны не только достигать сети других белков, но и соприкасаться друг с другом, а болезнетворные мутации предотвращают эти связи, нарушая способность каркас РНК, чтобы выжить в клетках.
У некоторых детей с врожденным дискератозом уровень теломеразы составляет около 25 процентов от нормы, а продолжительность жизни составляет менее двух десятилетий. Те, у кого уровень теломеразы вдвое ниже нормального, обычно достигают кризиса здоровья в среднем возрасте.
Коллинз в восторге от того, что наконец-то получил окончательную структуру для теломеразы, и с нетерпением ждет возможности узнать больше о сложном процессе сборки одного из самых сложных ферментов в организме: полимеразы, столь же сложной, как рибосома, которая считывает РНК для производства белков.«Я не думала, что это будет так сложно, когда решила изучить эту молекулу», — сказала она. «Мне стало любопытно, как работает теломераза в 1991 году, когда я только заканчивал аспирантуру, и я искал действительно простую систему полимеразы, чтобы понять взаимодействия нуклеиновых кислот.
И я подумал, боже мой, ты не можешь быть проще, чем это. Это было супер наивно ".