G-квадруплекси теломерів хромосом як потенційні мішені протипухлинної терапії

На сьогодні існує багато відомостей про роль теломерази в розвитку злоякісних новоутворень. Цей ензим, як відомо, задіяний в подовженні теломерних ділянок, які захищають кінці хромосом від руйнування та втрати генетичної інформації. Із кожним поділом клітини теломерна ділянка на кінцях кожної хромосоми укорочується через особливості роботи ДНК-реплікуючої машинерії. Приблизно за 50 поділів теломери досягають критичного вкорочення і клітини проходить через цикл подій, що сукупно називаються фізіологічне старіння (senescence), та помирає шляхом апоптозу. Злоякісні клітини мають необмежений проліферативний потенціал внаслідок активації експресії теломерази. Є свідчення на користь того, що більшість сигнальних каскадів, які регулюються онкогенами, ведуть до активації генів теломерази (вона в своїй структурі має дві великі субодиниці, кодовані різними генами, та РНК молекулу довжиною до 150 п.о., що використовується як матриця для синтезу послідовностей теломерної ДНК).

Процес реконструкції теломерних послідовностей в неопластичних клітинах давно розглядається як ймовірна мішень для терапії злоякісних новоутворень. Активно вивчається можливість інгібування теломерази різними фармакологічними препаратами, розроблюється підходи дестабілізації теломерази із застосуванням методів генної терапії (аденовірусний вектор, що несе змінену РНК матрицю для теломерази, яка порівняно із нативною має вищу спорідненість до теломерази, тому виміщає нормальну матрицю і змушує теломеразу синтезувати хибні теломерні послідовності, результатом чого є колапс теломерів, вивільнення теломеразних білків та апоптоз клітини).

Вчені University of California, Santa Cruz, вирішили підійти до даної проблеми з іншого боку: вони звернули свою увагу не на теломеразу, а на самі теломерні повтори. Відомо, що теломерні послідовності мають схильність утворювати так звані G-квадруплексні фолди   – специфічні структури ДНК, характернині для послідовностей, збагачених на гуанін (довгі полігуанінові тракти існують на кінцях теломерних TTAGGG повторів). В G-квадруплексах чотири залишки гуаніну формують стабільну планарну структуру через послідовне утворення водневих зв’язків між собою  та координаційних зв’язків із одновалентним катіоном (зазвичай натрієм). В одному G4-фолді може бути дві або три такі планарні структури, розташовані одна під одною. Тож, G-квадруплекси зацікавили каліфорнійських вчених своєю здатністю блокувати активність теломерази. Відомо, що G4-фолди є дуже нестабільними і тому зазвичай не перешкоджають діяльності згаданого ензиму. Дослідники розробили метод, за допомогою якого можна безпосередньо виміряти граничну силу, яку треба прикласти для руйнування квадруплексу (простіше кажучі, вирішили перевірити його на міцність). Більшість відомих методів структурної біології не підходять для їхніх задач, оскільки вони не володіють достатньою роздільною здатністю для вимірювання надмалих сил. Перевагою створених ними підходу є те, що він дозволяє вимірювати сили менші від 1 рН (піко-Ньютон, не плутати із від’ємним десятковим логарифмом концентрації протонів). Суть підходу полягає в поєднанні методу резонансного переносу енергії за Фьорстером для однієї молекули (single-molecule Förster resonance energy transfer – smFRET) та методу магнітних щипців (принцип дії методу подано під рисунком ).

Окрім суто фундаментального результату (яка точна енергія ізомеризації і/або руйнування G-квадруплексної структури), автори розробили дуже чутливий метод, який придатний для дослідження динаміки G-квадруплексів під дією різних агентів білкової та небілкової природи. Розробка сполук, які б набагато збільшували б механічну міцність зазначених теломерних структур, а відтак перешкоджала б утворенню нових теломерів у злоякісних пухлинах, сьогодні є одним із пріоритетних напрямків розвитку терапії пухлин. Проте, навіть якщо такі агенти будуть розроблені, то їхнє застосування обмежуватиметься принаймні ризиком пошкодження мезенхімальних та епітеліальних стовбурових клітин, що підтримують оновлення зношуваних тканин (зокрема клітини системи гемопоезу та епітеліїв слизових оболонок і шкіри). З експериментів in vivo відомо, що умовний нокаут миші, генетично сприйнятливої до розвитку пухлин, за генами теломерази убезпечує її клітини від неопластичної трансформації, але одночасно із цим така миша гине від множинної органопатії. Тому будь-які агенти, спрямовані на зупинку активності теломерази, додатково потребуватимуть  систем цілеспрямованої доставки в клітини пухлини. На додачу, дані останніх досліджень засвідчують, що дефектність теломерази в злоякісних клітинах може мати не протипухлинний ефект, а навпаки стимулювати прогресію неоплазій. Нестабільні теломери можуть провокувати об’єднання хромосом з утворенням дицентриків та розірвання таких структур у випадкових сайтах. Цей процес може повторюватися неодноразово і призводити до множиннх делецій та ампліфікацій різних сегментів хромосом (в англомовній літературі цей феномен відомий під назвою breakage-fusion-bridge cycle), що безперечно робитиме вагомий  внесок в генетичну нестабільність та пришвидшуватиме клональну еволюцію та прогресію пухлин. Також, нещодавне дослідження виявило присутність G4-фолдів в промоторах багатьох генів в геномі людини. Відтак, стабілізація квадруплексів може призвести до глобальної зміни профілю експресії в клітині, наслідки якої неможливо спрогнозувати. Тож, до сьогодні теломераза і теломери залишають жаданою, проте досі нереалізованою ціллю в протипухлинній терапії.

pic

Принцип дії методу, розробленого науковцями University of California, Santa Cruz. Створюється спеціальна ДНК-конструкція, яка складається із G-квадруплексу та бокових тяжів ДНК канонічної будови: один тяж приєднується до адгезивної поверхні, якою в даному разі слугує біотин стрептавідинова система, а до другого ковалентно приєднується магнітна часточка. Вільний кінець ДНК-конструкції притягується магнітом, положення магніту та сила електромагнітного поля фіксуються плидами і на основі цього вираховується сила, з якою дослідники діють на ДНК-конструкцію. Для отримання інформації про конфірмаційні переходи G-квадруплексу в режимі реального часу використовується метод smFRET – флюорохроми, між якими відбувається переніс енергії показані зірочками. Зліва представлена схематична будова G-квадруплексу (вище – планарна структура з чотирьох залишків гуаніну та одновалентного катіону; нище – просторова орієнтація трьох G-квадруплексів один відносно одного)

 

 

 

 

Посилання

ScienceDaily

Nucleic Acid Research

 

Advertisements

Залишити відповідь

Заповніть поля нижче або авторизуйтесь клікнувши по іконці

Лого WordPress.com

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис WordPress.com. Log Out / Змінити )

Twitter picture

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Twitter. Log Out / Змінити )

Facebook photo

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Facebook. Log Out / Змінити )

Google+ photo

Ви коментуєте, використовуючи свій обліковий запис Google+. Log Out / Змінити )

З’єднання з %s