Теперь, ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и УК Беркли произвели изображения теломеразы в намного более высокой резолюции чем когда-либо прежде, дав им главное новое понимание о ферменте. Их результаты, изданные онлайн сегодня журналом Science, могли в конечном счете привести к новым направлениям для лечения рака и предотвращения преждевременного старения.
«Много деталей, которые мы могли только предположить прежде, мы можем теперь видеть однозначно, и у нас теперь есть понимание того, где различные компоненты теломеразы взаимодействуют», сказала Джули Фейгон, преподаватель химии и биохимии в Колледже Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ведущем авторе исследования. «Если теломераза была кошкой, прежде чем мы видели ее общую схему и местоположение конечностей, но теперь мы видим глаза, бакенбарды, хвост и пальцы ног».Исследование примирило экспертов в структурной биологии, биохимии и биофизике и широком спектре ультрасовременных методов исследования.
Основная работа теломеразы состоит в том, чтобы поддержать ДНК в теломерах, структурах в концах наших хромосом, которые действуют как пластмассовые подсказки в концах шнурков. Когда теломераза не активна, каждый раз, когда наши камеры делятся, теломеры становятся короче. Когда это происходит, теломеры в конечном счете становятся столь короткими, что клетки прекращают делиться или умирают.
С другой стороны, клетки с неправильно активной теломеразой могут постоянно восстанавливать свои защитные хромосомные заглавные буквы и становиться бессмертными. Создание бессмертных клеток могло бы походить на многообещающую перспективу, но это на самом деле вредно, потому что ошибки ДНК накапливаются со временем, который повреждает клетки, сказал Фейгон, который также является исследователем в Институте Молекулярной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ассоциированным членом Института КАЛИФОРНИЙСКОГО УНИВЕРСИТЕТА В ЛОС-АНДЖЕЛЕСЕ-МИНИСТЕРСТВА ЭНЕРГЕТИКИ Геномики и Протеомики.Теломераза особенно активна в раковых клетках, который помогает сделать их бессмертными и позволяет раку вырасти и распространиться.
Ученые полагают, что управление длиной теломер в раковых клетках могло быть способом препятствовать тому, чтобы они умножились.Когда Feigon начал ее исследование в области теломеразы немного больше чем десятилетие назад, она просто хотела изучить, как теломераза работает; борьба с раком и замедление процесса старения даже не были позади ее ума.«Наше исследование может сделать те вещи достижимыми, даже при том, что они не были нашими целями», сказала она. «Вы никогда не знаете, куда фундаментальное исследование пойдет.
Когда теломераза и теломеры были обнаружены, ни у кого не было идеи, каково воздействие того исследования будет. Вопрос был, ‘Как концы наших хромосом сохраняются?’ Мы знали, что должна была быть некоторая деятельность в клетке, которая делает это».Более раннее исследование во главе с преподавателем Сан-Франциско UC Элизабет Блэкберн показало, что теломераза была ответственна за эту деятельность, но исследование не соединило теломеразу с раком, и это предоставило мало информации о своей структурной биологии. Исследование проводилось, используя крошечные, одноклеточные микроорганизмы под названием Tetrahymena thermophila, которые обычно находятся в пресноводных водоемах.
Блэкберн получила Нобелевскую премию в 2009 для открытия.С тех пор Feigon и ее коллеги заполняли части загадки теломеразы, также используя Tetrahymena. Их последнее исследование нашло, что теломераза микроорганизма больше походит на человеческую теломеразу, чем ранее мысль.«Это – первый раз, когда целая теломераза, непосредственно изолированная от ее естественного рабочего места, визуализировалась в резолюции подмиллимикрона, и все компоненты определены в структуре», сказали Цзяньсэнь Цзян, автор co-лидерства исследования и Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе постдокторский ученый. (Миллимикрон эквивалентен миллионному из метра.)
Среди нового понимания сообщила команда:Ученые думали, что теломераза содержит восемь субблоков: семь белков и РНК, Но Feigon и ее коллеги обнаружили два дополнительных белка, Teb2 и Teb3, ту деятельность теломеразы увеличения. «Знание, мы были первыми людьми в мире, которые знали об этих новых белках, было удивительно», сказала она. «Дни как этот – то, о чем научное открытие – все, и это волнующее».
Исследовательская группа Фейгона знала, что берег РНК взаимодействует с белками, но не точно, где это взаимодействовало. Новое исследование нашло, что в «каталитическом ядре фермента», которое сформировано РНК и ее белками партнера TERT и p65, РНК формирует кольцо вокруг белка TERT, имеющего форму пончика.Ученые ранее знали, что теломераза содержит три белка, p75, p45 и p19, но их структуры и функции были плохо поняты. Новое исследование определило структуры белков и показало, что они подобны белкам, найденным в человеческих теломерах.
Исследователи показали, что ключевой белок, названный p50, взаимодействует с несколькими компонентами теломеразы, включая TERT, Teb1 и p75, и эта сеть взаимодействий имеет важные последствия для функции теломеразы.Фейгон знал, что каталитическое ядро фермента Tetrahymena, где большинство деятельности теломеразы происходит, было близким аналогом каталитическому ядру в человеческом ферменте, но она ранее не знала, были ли у других белков человеческие копии.
«Оказывается, что почти все, если не у всех, белков теломеразы в Tetrahymena есть подобные белки в людях», сказал Фейгон. «Теперь мы можем использовать нашу образцовую систему, чтобы узнать больше, как теломераза взаимодействует в теломерах».Feigon и ее коллеги работают, чтобы заполнить еще больше деталей загадки теломеразы. Их исследование могло привести к развитию фармацевтических препаратов, которые предназначаются для определенных субблоков теломеразы и разрушают взаимодействия между белками.«Есть такой потенциал для того, чтобы лечить заболевание, если мы понимаем глубоко, как теломераза работает», сказал Фейгон.
Среди технологий исследователи, используемые, чтобы произвести инновационные изображения, были криоэлектронными микроскопами Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которые размещены в лаборатории Цз. Хун Чжоу, директора Электронного Центра Отображения Наномашин в Институте NanoSystems Калифорнии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и соавторе бумаги. Исследователи также использовали ядерную спектроскопию магнитного резонанса, кристаллографию рентгена, масс-спектрометрию и биохимические методы.Генри Чан, аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, был автором co-лидерства статьи.
Другие соавторы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе были постдокторским ученым Дэриэном Кэшем, бывшим постдокторским ученым Эдвардом Миракко, научным сотрудником Рэйчел Огорзэлек Лу, старшим научным сотрудником Дуилио Кассио и аспирантом Ридом О’Брайеном Джонсоном, всем Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе; и аспирант УКА Беркли Хизер Аптон. Ведущими авторами был Чжоу, преподаватель биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джозеф Лу и преподаватель УКА Беркли Кэтлин Коллинз.
Исследование финансировалось Национальными Институтами Здоровья (предоставляет GM048123, GM071940, GM103479, R01GM054198) и Национальный научный фонд (предоставьте MCB1022379).