Рост опухолей можно остановить с помощью блокирования теломеразы

Группе ученых медицинского института Говарда Хьюза, возглавляемой директором института Томасом Чечем (Thomas R. Cech), удалось установить детализированную структуру активного участка фермента теломеразы, играющего не последнюю роль в развитии многих злокачественных заболеваний. Понимание физической структуры белка позволило лучше разобраться в механизмах, используемых им для придания клеткам способности к неограниченному делению.

Теломераза представляет собой фермент, повышенная активность которого повинна в неконтролируемом росте 90% злокачественных опухолей. Он необходим для жизнедеятельности некоторых быстро делящихся клеток, например, клеток эмбриона. В таких клетках ее функция заключается в удлинении теломер – регионов ДНК с высоким содержанием повторяющихся последовательностей, располагающихся по краям хромосом. В большинстве нормальных клеток взрослого организма ген, кодирующий теломеразу, находится в неактивном состоянии, и теломеры понемногу укорачиваются с каждым последующим делением клетки. Этот процесс необходим для контроля за продолжительностью жизни клетки. Злокачественные клетки, однако, обычно находят способ включения гена теломеразы, и, таким образом, обретают небезопасное для организма бессмертие.

Идея о создании ингибиторов теломеразы в качестве противоопухолевого препарата возникла уже очень давно, однако ее осуществление было очень затруднено из-за полного отсутствия информации о структуре фермента.

Многие лаборатории работали над решением этой проблемы, однако она долгое время оставалась неразрешимой из-за того, что молекула белка слипается в неструктурированный комок при ее выделении из клетки. Исследователи лаборатории Томаса Чеча пытались получить результат с помощью кристаллизации отдельных частей молекулы фермента, однако они слипались точно так же, как это проделывала целая молекула.

В итоге одному из сотрудников лаборатории, Стивену Якобсу (Steven A Jacobs), удалось разработать принципиально новый подход к решению поставленной задачи. С помощью бактерий и белка, испускающего флуоресцентное свечение, он провел скрининг десятков тысяч различных фрагментов молекулы фермента на предмет последовательности, поддающейся структурному анализу. В основу его стратегии лег тот факт, что, при слипании нескольких молекул флуоресцентного протеина его свечение гаснет.

Якобс создал генетически модифицированных бактерий, синтезирующих фрагменты теломеразы с прикрепленным к ним флуоресцирующим белком. Далее он производил отбор бактериальных колоний, флуоресцирующих ярко-зеленым светом, так как производимые ими неслипающиеся фрагменты теломеразы являлись наиболее перспективными претендентами на удачный анализ.

Якобс осуществил подобные эксперименты с фрагментами теломераз различных организмов и обнаружил, что единственным поддающимся структуральному анализу фрагментом является часть теломеразы тетрахимены – одноклеточного организма, в котором этот фермент был идентифицирован впервые. Соответственно положению идентифицированного фрагмента в молекуле фермента, он получил название «главный N-терминал теломеразы». С помощью нескольких биохимических приемов белковый фрагмент удалось кристаллизовать и анализировать с помощью рентгенодифракции.

В результате исследователи получили очень детализованную трехмерную карту, демонстрирующую положение каждого индивидуального атома в изучаемом домене. Этот домен характеризовался глубоким желобком на своей поверхности, однако структура белкового фрагмента не очень информативна в отсутствие информации о строении соседних фрагментов. Поэтому ученые продолжили свои поиски.

Для того, чтобы удлинить хромосому, теломераза должна к ней прикрепиться. Исходя из ряда предпосылок, исследователи решили, что изучаемый ими фрагмент белка содержит "якорный" участок, обеспечивающий это взаимодействие. И в самом деле, в пробирке N-терминал проявил способность прикрепляться к ДНК. В серии экспериментов по изменению входящих в его состав аминокислот было обнаружено, что изменение трех из них нарушает его способность взаимодействовать с хромосомой, причем все они находятся на дне желобка.

Дальнейшая работа показала, что эта же самая мутация нарушает способность целой теломеразы удлинять теломеры в клетке.

Таким образом, ученым удалось воссоздать часть теломеразы, формирующую якорный участок, и идентифицировать на поверхности молекулы желобок, который непосредственно соединяется с хромосомой (на модели молекулы фермента он окрашен зеленым цветом). Самый крайний участок хромосомы при этом должен оставаться свободным, чтобы предоставить возможность ферменту надстраивать его, а N-терминал при этом как бы придерживает хромосому ближе к ее центру.

Авторы уверены, что открытая ими структура N-терминала теломеразы существенно ускорит процесс разработки препаратов, способных ингибировать ее функции. Для этого достаточно создать молекулу, которая блокировала бы желобок и, таким образом, обезоруживала теломеразу и прекращала неконтролируемый рост клетки.

Статья Steven A Jacobs et al. «Crystal structure of the essential N-terminal domain of telomerase reverse transcriptase» опубликована 5 февраля в допечатной on-line версии журнала Nature Structural & Molecular Biology.

Интернет-журнал "Коммерческая биотехнология" http://www.cbio.ru/