Репликация, определение, принципы                 

Definition and principles of replication

6.4.5. ДНҚ репликациясының лидерлік және ілесуші тізбектерінің ерекшеліктері.

6.4.6. Репликацияға қатысатын негізгі ферменттердің қызметтері.

6.4.5. Репликация қателіктерінің себептері, пайда болу және түзетілуі механизмдері

6.4.6. Репликация қателіктерінің пайда болуы мен жоюдың механизмдері

6.4.7. Репликация қателіктерінің медициналық маңызы.

                               Ақпараттық –дидактикалық блок:

Тұқым қуалау ақпаратының   тасмалдануы молекулалық биологияның орталық догмасы  деп аталады. Ол Ф. Криктің көзқарасына сай іске асырылатындықтанда оны  Крик постулаты деп те атайды.

Крик тұқым қуалау ақпаратының биологиялық жүйеде іске асырылу бағытын және берілу типтерін анықтады.

Крик постулаты бойынша  тірі жүйедегі тұқым қуалау ақпараты тек бір бағытта беріледі: нуклеинқышқылдарынан ақуызға, кері бағытта ешқашанда берілмейді (тыйым салынған).

Тұқым қуалау ақпаратының берілуінің 2 типін ажыратады:

1) жалпыға бірдей берілуі, кез-келген жасушада өтеді;

2) арнайы берілуі, вирустармен зақымданған жасушаларда жүреді.

Ақпараттың жалпыға бірдей берілу жолы:

1. ДНҚ → ДНҚ(репликация).

2. ДНҚ→ а-РНҚ (транскрипция).

3. а-РНҚ → ақуыз (трансляция). 

Арнайы берілуі:

1. РНҚ → РНҚ(репликация РНҚ).

2. РНҚ→ ДНҚ (кері транскрипция).

3. ДНҚ → ақуыз (трансляция ДНҚ). 

Вирустардың генетикалық материалы РНҚ. Оларға темекі теңбілінің мозаикалық вирустары (ТТМВ), басқа да өсімдіктердің вирустары, РНҚ – бактериофагтар, жануарлардың кейбір вирустары, мысалы, полиовирустар жатады. 

Вирустардың геномдық РНҚ-сы бір немесе екі тізбекті болуы мүмкін және міндетті түрде матрицалық РНҚ-дан комплементарлы РНҚ молекуласының түзілуін бақылайтын РНК – репликаза ферментінің гендері болады. Жаңа синтезделген РНҚ молекулалары  қайта синтезделетін РНҚ көшірмелеріне қалып (матрица) болады.

Ақпараттың РНҚ-дан ДНҚ берілуі тек вирустардың белгі бір түрімен зақымдалған жасушаларда ғана болады. Оларға ретровирус, гепатит В вирутары және т.б. жатады.

Ретровирустартардың зақымдалған бөлігінде кері транскриптаза ферменті болады, ол фермент ДНҚ-ң қомплементарлы тізбегін синтездеу үшін бір тізбекті вирустық РНҚ-ын қалып ретінде пайдаланады. Вирустық РНҚ тізбегіндегі ақпаратты бар ДНҚ кері транскриптаза ферментінің көмегімен еселеніп қос спиральды ДНҚ молекуласын түзеді. Бұл қос тізбекті ДНҚ егесінің хромосомасының ДНҚ-на еніп провирусқа айналады. Мұндай жасушалар, мысалы, тауық эмбрионының жасушаларың ДНҚ молекуласының құрамындағы вирустық ДНҚ көшірмесі (провирус) ісік жасушаларына трансформацияланады.

Ақпараттың тікелей ДНҚ-дан ақуызға берілуі тек лабораториялық жағдайда, жасушаға кейбір антибиотиктермен (стрептомицин, неомицин) әсер ету in vitro экспериментінде байқалады. Бұл кезде антибиотиктер әсерінен өзгеріске ұшыраған рибосомалар ДНҚ тізбегінің біреуін ақуыз синтезіне қалып ретінде пайдалана бастайды. Табиғатта (табиғи жағдайда) ақпараттың арнайы берілу типі сипатталмаған.

Ақпараттың ақуыздан ДНҚ-ға немесе РНҚ-ға берілу болмайды және тыйым салынған түріне жатады.

                                Репликация

       Генетикалық ақпараттың ДНҚ-дан ДНҚ-ға берілуін репликация деп атайды.

Репликация – ДНҚ өздігінен еселенуі, жасушаның бөлінуінің алдында, интерфазаның S кезеңінде өтеді және жасушадағы хромосомалар санының тұрақтылығын қамтамасыз етеді.  Хромосомалық ДНҚ мөлшерінің өте үлкен болуына байланысты ДНҚ репликациясы бірден бірнеше жерден басталады (полирепликонды) және екі бағытта көршіліс репликациялық айырдың бірігуіне дейін жүреді. Прокариот ДНҚ-да және органоидтарында  (митохондриялар және  пластидтер) бір ғана инициациялық нүкте, бір репликон (монорепликонды) болады. Репликон-ДНҚ репликациясының бірлігі.

Репликация үдерісі мына ұстанымдардың негізінде іске асырылады:

- жартылай консервативті – ДНҚ-ның бастапқы тізбектерінің әрқайсысы жаңа тізбекке матрица (қалып) болады

- комплементарлық – ДНҚ молекуласының жаңа тізбегі комплементарлық ұстанымға негізделеді, аденин тиминмен, гуанин цитозинмен және керісінше байланысу   арқылы түзіледі

- антипараллельдік – ДНҚ-ның жаңа тізбектері бастапқы матрицалық тізбектерге қарама-қарсы бағытта синтезделеді

- униполярлығы - комплементарлы жаңа тізбектердің синтезделуі тек 5¢-3¢бағытында іске асырылады

- үзілмелігі – репликация ДНҚ молекуласының бірнеше жерінде бір уақытта басталады да артынан бір тізбекке тізбектеледі.

Репликация сатылары: инициация, элонгация, терминация.

Репликация инициациясы – ерекше нуклеотидтер қатары бар, инициация нүктесінен, «репликациялық көзшеден» басталады. Сол жерден бастап хеликаза ферментінің көмегімен қосарланған ДНҚ тізбектері тарқатылады, топоизомераза  репликацияланбаған ДНҚ бөлігінің алдындығы суперспиральды ажыратады, ал SSB ақуыздары –   ажыраған бір тізбекті ДНҚ бөліктерін тұрақтандырады. ДНҚ синтезі тек бір 5’®3’ бағытында жүреді, ал ДНҚ тізбектері  антипараллельді, сондықтанда ДНҚ бір тізбегі үздіксіз синтезделеді және оны  лидерлік (бастаушы), екінші тізбекті ілесуші (артта қалушы) тізбек, қысқа кесінділер (Оказаки фрагменттері), түрінде синтезделеді, соңынан бұл кесінділер тізбектеліп жалғанады.

       Элогация - ДНҚ репликациясының ұзару үдерісі, ДНҚ жаңа тізбегінің синтезіне бастама беретін РНҚ праймазаның қысқа фрагментті РНҚ праймерлерінің синтезделуінен басталады. Содан кейін РНҚ праймерлерге ДНК-полимераза байланысады да үздіксіз лидерлік тізбек синтезделеді. Ілесуші тізбектің лидерлік тізбектен синтезделу ерекшелігі ДНҚ қысқа, Оказаки фрагменттері түрінде синтезделеді. Ілесуші тізбектің синтезіне бірнеше праймерлер қажет, кейін  олар эндонуклеаза көмегімен алынып тасталынады, орны бос қалады. Бос қалған орындар ДНК-полимеразамен көмегімен комплементарлы нуклеотидтермен толықтырылады да тізбектеліп лигаза ферментімен тігіледі.

       Терминация -   репликация ДНҚ бөлігінің терминациялық сайт деп аталатын арнайы нуклеотидтер қатармен аяқталады. Терминация tus  генімен бақыланады, tus генінің өнімі болып табылатын tus ақуызы терминациялық сайтты танып байланысып үдерісті тоқтатады.

Репликация –көптеген ферменттердің қатысуымен жүретін күрделі үдеріс.

Репликацияның негізгі ферменттері:

- ДНҚ-полимераза – ДНҚ тізбегін синтездейді

- топоизомераза – репликациялық айыр алдындағы ДНҚ-ың суперспирализациясын босаңсытады, тарқатады

- хеликаза -ДНҚ тізбектерін ажыратады

- SSB ақуыздары – ажыраған бір тізбекті ДНҚ бөліктерін тұрақтандырады

- лигаза – ДНҚ фрагменттерін тізбектеп тігеді

- РНҚ-праймаза - ДНҚ- полимераза үшін РНҚ-бастаушты (праймерлер) синтездейді

           Репликациялық айыр аймағындағы ДНҚ репликацииясының сызбасы

Репликацияның өте жоғары дәлділігі қосымша ДНК-полимеразамен қамтамасыз етіледі. Бұл ферменттің қызметі ДНҚ комплементарлық ұстанымдарын және дұрыс емес нуклеотидтерді алып тастайды түзету және жөндеу жүргізеді.

Прокариоттарда секундына 3000 жұпқа жуық нуклеотидтер, ал эукариоттарда - секундына 100-300 жұп  нуклеотидтер  синтезделеді.

Дегенмен де репликация кезіндегі гендік (нүктелік) мутациялар – азотты негіздердің алмасуы,  репликация қателіктеріне әкеледі. Уотсон және  Крик  қос спиральды ДНҚ моделінің негізінде ДНҚ-ң азоттық негіздерінің алмасуының алғашқы механизмін ұсынған. Олардың көз қарастары бойынша нуклеотидтер арасындаға комплементарлы A-T және G-C жұптары арасында таутомеризаця жүруі де мүмкін, бұл жағдайда комплементарлық конформациясы өзгереді, аденин гуаниннің қызметіне, гуанин-аденинге, цитозин-тиминге, тимин-цитозинге ауысады. Сонымен қатар репликацияның бұзылу себептеріде әртүрлі болуы мүмкін. Мысалы, ультракүлгін сәуленің әсерінен нуклеотидтер концентрациясының өте жоғары немесе өте төмен болуы, пуриндік негіздердің спонтанды түсіп қалуы, цитозиннің дезаминденуі себебінен урацилге айнала алады. Пайда болған қателіктер мен бұзылыстар репарациялық үдеріспен және ДНҚ-полимеразаның жөндеу және түзету жүргізе алу қабілетіне байланысты қателіктер түзетіліп отырады, ал кейбір жағдайларда ДНҚ молекуласындаға қателіктер түзетілмей қалып қояды. Егер зақымданулар ДНҚ-ң функциональды активті емес аймағында өтетін болса, онда ондай қателіктер фенотиптік көрініс бермейді және ешқандай зілді қауіптер байқалмайды, бірақ қандайда бір генде нуклеотидтер қатарының жұптасуында қателіктер кететін болса, онда фенотиптік өзгерістің көрініс беру мүмкіндігі көбее түседі де гендік аурулардың пайда болуына әкеледі.

Репликация үдерісіне әртүрлі сыртқы орта факторлары, соның ішінде дәрілік заттарда әсер етеді. Мысалы, дауномицин  және ісікке қарсы препараттар ДНҚ құрылысын өзгертеді, нәтижесінде репликация ферменттері жұмыстарын тоқтатады. Мысалы, топоизомераза ДНҚ босаңсыту (деспиралдандыру) мүмкіндігінен айырылады. Алкилдеуші заттар тиофосфамидтер де ДНҚ молекуласындағы азотты негіздердің модификациясын тудырады да репликация ферменттерінің жұмысын тоқтатады.  ДНК-топоизомеразасының ингибиторы-новобиоцин ферменттер жұмысына араласып ДНҚ деспиральдануын тоқтатады.

Сонымен репликация үдерісі генетикалық ақпараттың берілуінің негізгі кезеңі, ондағы  бұзылыстар жасушаның ары қарай бөлінуін тоқтатуы мүмкін. Сол сияқты репликация жылдамдығының (төмендеуі) өзгеруі мүшелердің дамымай қалуына, эмбриогенезде репликацияның жоғарлауы мүшенің гиперплазиясына және гендік аурулардың пайда болуына себепші болады.

6.5. Оқыту әдістері:студенттердің сабақтың мәнін, мақсатын және міндеттерін; түсінгенін қысқа, анық, ойын жүйелі жеткізу және түсінген материалын сызба нұсқа, кесте, сурет түрінде көрсету; тест қателіктерімен топпен жұмыс; есептер шығаруды көрсету және түсіндіру,сызбалар толтыруға бағыттай отырып ауызша сұрау, тақырып бойынша бейнефильмдер көру.

6.6. Әдебиеттер:

Негізгі:

6.6.2. Муминов Т.А., Куандыков Е.У. Молекулалық биология негіздері (дәрістер жиынтығы). Алматы: Эверо, 2009. С.21-34.

6.6.3. Медициналық биология  және генетика. Оқу құралы ред. проф. Куандыкова Е.У. Алматы, 2004. С.29-31.

6.6.4. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М., 2003. С. 17-27.

Қосымша:

6.6.5. Генетика. Под ред. Иванова В.И. М.: Академкнига, 2006. С. 52-53,147-157.

6.6.6. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб.унив. изд-во, 2007. С.110-122.

6.6.7. Щипков В.П., Кривошеина Г.Н. Общая и медицинская генетика. М.: Академия, 2003. С. 11-16.

6.6.8. Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э. и др. Общая и медицинская генетика. Ростов-на- Дону. 2002. С. 106-116.

6.6.9. Медицинская генетика: учеб. пособие/ Роберт Л.Ньюссбаум, Родерик Р. Мак-Иннес, Хантингтон Ф. Виллард: пер. с англ. А. Ш. Латыпова; под ред. акад. РАМН Н. П. Бочкова.- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. С. 203-205.

6.7. Бақылау:

6.7.1. Когнитивті (білім) құзыреттілікті бағалау

6.7.1.1. Тақырып сұрақтары бойынша ауызша сұрау.

6.7.1.2. Тест бақылау – 3 нұсқа 10 сұрақтан.

6.7.1.3. Тақырып бойынша кәсіби терминдерді ағылшын және екінші тілде игеруін тексеру

6.7.2. Тәжірибелік дағды құзыреттілігін бағалау:

6.7.2.1. Сызбалар сызу:

1) - тұқым қуалау ақпаратының жалпы тасмалдануы

- тұқым қуалау ақпаратының арнайы тасмалдануы

2) - ДНҚ репликациясының ұстанымдары

3) -  ДНҚ лидерлік және ілесуші тізбектерінің синтезі

6.7.2.2. Есеп шығару.

ДНҚ бөлігі келесі нуклеотидтерден тұрады:

1) 3  .. АГТАЦГГЦАТГЦАТТАЦАТГЦЦГЦ.... 5  .Бастапқы ДНҚ бөлігінің репликациялану нәтижесінде пайда болған ДНҚ – ның екінші тізбегінің нуклеотидтік құрамын жазыңыз. Полинуклетидтік тізбектің қайсысы бастапқы, қайсысы жаңа тізбек екенін көрсетіңіз.

2) ДНҚ молекуласының репликациясы үшін қанша және қандай бос нуклеотидтер қажет етіледі: егер аденин саны 600000, ал гуанин саны 2400000 болса.

3) Адамның  бір дене жасушасындағы 46 хромосомаларының ДНҚ массасы6⋅10−96·10−9мг. Репликация соңынан ДНҚ молекуласының  массасы нешеге тең болады?

4) ДНҚ репликациясын қамтамасыз ететін ферменттердің жылжу жылдамдығы 0,6 мкм/мин. Егер әр репликон ұзындығы 60 мкм болатын болса, 500 репликоннан тұратын ДНҚ-ның екі еселенуіне қанша уақыт жұмсалады,.

5) ДНҚ молекула тізбектері ажырады, тізбектің біреуі ТАГ АЦТ ГГТ АЦА ЦГТ ГГТ ГАТ ТЦА –дан тұрады, екінші тізбек құрылымдарын табыңыз.

6.7.2.3. Ғаламторды пайдалана, сызба сұрақтарын табыңыз

Используя интернет найдите ответы на вопросы в схеме

ДНҚ зақымдайтын факторлар

ДНҚ құрылысының бұзылысы

ДНҚ қызметінің бұзылысы

Репликация бұзылысы

?              ?                ?                        ?                                              ?      

6.7.3. Бақылау сұрақтары:

6.7.3.1. Генетикалық ақпараттың жалпыға бірдей тасмалдануы

6.7.3.2. ДНҚ репликациясының лидерлік және ілесуші тізбектерінің синтезделу ерекшеліктері

6.7.3.3. Репликация қателіктерінің пайда болу және түзетілуі механизмдері

Үш тілдегі түсіндірме сөздер:

Разработчик: Преп. КакишеваГ.Т.

№21

6.1. Тақырыбы: Тұқым қуалау ақпаратының іске асырылу механизмі. Сызықты ДНК молекуласының репликацияланбауы

6.2. Мақсаты: Студенттерге тірі ағзалардағы тұқым қуалайтын ақпараттардың  репликация үдеріснде іске асырылуының заңдылықтары мен молекулалық механизмдері,  сызықты ДНҚ молекуласының ұштарының репликацияланбай қалуының себептерімен механизмдері жайлы заманауи түсініктері мен білімдерін қалыптастыру.

6.3. Оқытудың міндеттері:

- студенттерге сызықты ДНҚ молекуласының репликациясының ерекшеліктері жайлы білім қалыптастыру

- жаңа түзілген  ДНК молекуласының ұшының репликацияланбай қалу мәселелерінің мәнін түсіндіру

- студенттерге ДНК молекуласының ұшының репликацияланбай қалуының биологиялық және  медициналық маңызын түсіндіру  

- студенттерге ДНҚ теломерлік бөліктерінің ұзаруындағы теломеразаның ролін және маңызын түсіндіу

- студенттерге  қартаю және онкогенез үдерістеріндегі теломеразаның ролін және маңызын түсіндіу.

6.4. Тақырыптың негізгі сұрақтары:

*6.4.1. Сызықты ДНҚ молекуласының репликацияланбай қалуы

        Недорепликации линейных молекул ДНК

6.4.2. Теломерлердің құрылысы мен қызметі.

6.4.3. Теломерлік ДНҚ репликациясының ерекшелігі.

6.4.4.Теломераза  және оның әсер ету  механизмі.

6.4.5. Теломерлерді ұзартудың альтернативті механизмдері.

6.4.6.Теломеразалардың қартаю және онкогенез үдерістеріндегі маңызы.

                                     Ақпараттық - дидактикалық блок

Сызықты ДНК молекуласының репликациясы кезінде хромосома ұштарының репликацияланбау мәселелері туындайды. ДНҚ полимеразалар тек РНҚ-праймерлерді пайдалану арқылы ғана тізбекті синтездейді және соңында праймерлер алынып тасталатындықтанда тізбектің 5¹ ұшы праймердің ұзындығына 10-30 нуклеотидке қысқарып отырады. Біртіндеп  хромосома ұштарының қысқаруы міндетті түрде гендердің жойылуына әкелуі мүмкін.

Теломерлер – хромосома ұштары, онда генетикалық ақпарат болмайды, ол керісінше репликация кезінде хромосоманың ақпаратты бөліктерінің түсіп қалуынан және эндонуклеазаның әсерінен қорғайды. Е. Блакберн  мен Дж.Голл теломерлік ДНҚ бөліп алды және оның құрылысын анықтады. Барлық зерттелген ағзалардың теломерлерінің құрлысының ұқсастықтары анықталған: олар көп қайталынатын нуклеотидтердің фрагменттері, мысалы адамда бұл – ТТАГГГ тұрады. Қалыпты сома жасушаларының бөліну кезінде теломерлер 5-тен 20-ға дейін фрагменттерін жоғалтады және әрбір бөліну сайын олардың ұзындығы қысқара береді. Қысқару өзінің белгілі бір шегіне жеткенде бөліну тоқтайды. Сома жасушаларының бөліну саны шектеулі. Жаңа туылған балалардан алынған жасшаларды жасанда ортада өсіргенде олардың жасушалары 80-90 рет бөлінетіндігі, ал 70 жастаға адамның жасушалары тек 20-30 рет бөлінетіндігі анықталған. Жасшаның бөліну саны шектелген оны «ХЕЙФЛИК лимиті» деп атайды. Ісік және ұрық жасушалары шексіз бөлінеді, олардан теломераза ферменті анықталынды, ол әрбір репликация циклының алдында қайталынатын  ТТАГГГ нуклеотидтер қатарын теломерлерге жалғап отыратындықтанда қысқаруды болдырмайды. Теломераза  қайталанатын нуклеотидтерді бірінің артына бірін 3¹ ұшына жалғап отырады. Бұл кезде бастапқы ДНҚ матрица ретінде пайдаланылмайды. Теломераза – бұл рибонуклеопротеинді кешен, РНҚ қатарындағы қайталанатын нуклеотидтер ТТАГГГ синтезі үшін матрица ролін атқарады.

«Хромсома ұштарының репликациясы» немесе «сызықты ДНК молекуласының  ұштарының репликацияланбай»  қалу мәселесінің мәні репликацияның негізгі ферменті болып табылатын репликациялық ақуызды кешен ДНҚ-полимераза сызықты ДНҚ молекуласының  ұштарының толық репликациянуын аяқтай алмайды.

Хромсома ұштарының репликацияланбай қалу мәселесі ілесуші тізбектің репликациясының ерекшелігімен байланысты. Ілесуші тізбектің репликация үдерісі қысқа РНҚ– праймерлерінің (қоздырғыштарының) синтезделуінен басталады, 3^/ұшында ДНҚ кесінділері-Оказаки фрагменттері синтезделеді. Оказаки фрагменттерінің синтезделуі басталғаннан кейін қоздырғыштар алынып тасталынады да бос орындар «ГЭПЫ»  қалады. Бос орындар - «ГЭПЫ» ДНҚ фрагменттерімен толықтырылады.(сурет.1.).

Сурет 1. ДНҚ ілесуші тізбегінің репликациясы

 Бастапқы ілесуші тізбектен түзілетін жаңа тізбектің ұзындығы 5¹ ұшынан бір праймердің шамасына  (10-20 нуклеотидке) қысқа болады. Шын мәнінде  ДНҚ – полимеразалық кешені (комплекстің) кеңістіктегі матрицалық тізбектің бірнеше ондаған нуклеотидтерін ғана синтездей алатындықтан да 10-20 нуклеотидке емес 50-65 нуклеотидтерге қысқарып отырады.

Жаңа тізбекте бос орынның қалуы ДНҚ- полимеразамен байланысты, өйткені ДНҚ – полимераза ферменті жаңа тізбек синтездеу үшін өзінің алдындағы РНҚ – праймердің 3¹ұшын пайдалануы тиіс. Соңғы праймер алып тасталынатындықтанда оның 3^{1 -} ұшы бос болмайды. Сондықтан РНҚ – праймер жоқ жерде ДНҚ – полимераза жаңа фрагмент (Оказаки) синтездей алмайды, нәтижесінде, түзілген тізбек қысқалау болып, репликацияның толық жүрмегенін сипаттайды.

Айта кету керек ілесуші тізбектің толық репликацияланбауы гендері жоқ теломерлік аймақта болады, сондықтанда геномның кодталатын бөлігінің қызмтіне әсер етпейді. Сонымен теломерлер ДНҚ функциональдық маңызды бөліктерінің, генетикалық ақпараты жазылған бөліктерінің репликацияланбай қалуынан сақтайды.

Жасушаның әрбір бөлінуінен кейін хромосомалардың теломерлері біртіндеп қысқара беретін болса оның жойылуына және кодталатын (құрылымдық және реттеуші) гендердің де репликацияланбай қалу үдерісі жасушаның жойылуына әкеледі. Теломеразаның белсенділігі репликация кезінде хромосомалардың қысқарған теломерлік бөліктерінің қайта қалпына келуін қамтамасыз етеді.

Прокариоттарда ДНҚ ұшының репликацияланбай қалу мәселелері болмайды. Эукариотты ағзаларда сызықты ДНҚ молекуласының 5^/- ұштарының репликацияланбай қалу мәселесі арнай теломераза ферментінің көмегімен шешіледі. Бұл фермент әрбір репликацияның аяқталуының алдында жаңа түзілген, репликацияланбай қалған ДНҚ тізбегінің 5^/- ұштарын қысқа қайталынатын нуклеотидтермен немесе теломерлерді  ұзартып тоықтырады.

Сурет 2. Теломерлер митоздық хромосомалардың ұштарында болады.

Қысқа теломерлер құрамында нуклеосомалық глобулалар түзбейтін арнай ақуыздар болады. Ұзын теломерлер (тышқандарда) нуклеосомалық құрылымды болады. Теломерлердің тығыз тығыздалуы хромосомалардың құрылысындағы гетерохроматиндік бөлігін құрайды.

Теломерлердің қызметі:

1. Хромосомалардың ядролық матрикске бекініп, ядро ішінде дұрыс бағытта қозғалысына қатынасады.

2. Жасушалық циклдің S – кезеңінен кейін түзілген екі еселенген хромосома хроматидаларының ұштарын бір-бірімен жалғайды. Бірақ теломерлер анафаза кезінде хроматидалардың ажырауына кедергі болмайды. Теломеразалық РНҚ гені мутацияға ұшырап теломерлердегі нуклеотидтік жүйелер өзгерсе, хроматидалардың ажырауы жүрмейді.

3. Теломераза ферменті жоқ кезде ДНҚ-ның генетикалық ақпараты бар учаскелерінің репликацияланбай қалуынан сақтайды.

4. Теломераза ферментінің қатынасуымен ұштары үзіліп қалған хромосомаларға жалғанып, олардың қызметін қалпына келтіреді. Мысалы α – талассемиямен ауру адамдарда 16-хромосоманың ұзын иінінің үзіліп қалған ұшына теломердің жалғану арқылы α – глобиндік геннің қызметі қалпына келтіріледі.

5. Гендер активтілігіне әсер етеді. Теломерлермен қатар орналасқан гендердің белсенділігі әдетте төмен болады. Бұл жағдай – транскрипциялық үнсіздік немесе сайленсинг деп аталады. Теломерлердің қысқарылуы, оларға жақын орналасқан гендердің активтілігін жоғарылатады.

6. Теломерлер арқылы жасушалардың бөлінуінің саны реттеледі. Жасушаның әр бөлінуі теломерлердің 50-65 жұп нуклеотидке қысқаруымен аяқталады. Жасушалардың одан арғы бөліну саны хромосомадағы қалған теломераның ұзындығына байланысты болады.

Көпшілік ағза түрлерінде теломерлердің нуклеотидтік қайталану жүйелері ұқсас келеді. Олардың құрамында Г мен Ц нуклеотидтерінің мөлшері көбірек болып, барлық ағзаларда біркелкі ретпен орналдасады.

Теломеразалар әрекетінің механизмі

1985 ж. Грейдер және Блэкберн хромосомалардың ұшындағы теломерлік учаскелерді айрықша фермент – теломеразаның көмегімен ұзартудың табиғи механизмін ұсынды.

Теломераза алғаш рет 1985 ж. тең кірпікшелі инфузорияларда (Tetrahymena thermophila) табылған. Кейінірек бұл фермент ашытқы саңырауқұлағында, өсімдіктер мен жануарларда және адамның жұмыртқа безінде және иммортализацияланған (ажалсыз) Hela ісік жасушаларынан т.б. табылды.

Теломераза сызықтық ДНҚ-ның 3^/ - ұшының қысқа (6-8) нуклеотидтерге қайталанатын қатарын (омыртқалылардағы нуклеотидтер қатары ТТАГГГ) толықтыратын ДНҚ – полимераза. Теломераза ДНҚ-ның нуклеотидтерінің қайталануын ұзарту үшін матрицалық роль атқаратын ақуыздар мен РНҚ-дан тұрады. Теломеразалық РНҚ-ның ұзындығы қарапайымдыларда 150 нуклеотид шамасында болса, ашытқы саңырауқұлағында 1400, ал адамда 450 нуклеотидке тең келеді.

Теломеразалық РНҚ-ны матрица ретінде пайдаланып ДНҚ - молекуласының синтезделуі кері транскриптаза үдерісі ретінде қарастыртырылады.

Теломеразаның әрекеті жаңадан синтезделген тізбектерді емес, ДНҚ-ның бастапқы тізбектерін ұзартуға бағытталған.

ДНҚ теломеразаның бастапқы тізбекті ұзарту үдерісі эндонуклеазаның жаңа түзілген тізбектің ұшының нуклеотидтерін алып тастағанға дейін жүреді.

ДНҚ теломерлерінде теломерлік қайталану жүйелерінің құрамына байланысты Г- тізбекті (гуаниндік тізбекті) және Ц- тізбекті (цитозиндік тізбекті) ажыратады. Бұлардың екеуі де қос тізбекті ДНҚ молекуласының құрамына кіреді. Теломераза теломердің әрқайсысындағы Г- тізбекті ұзартады.

Теломеразалық РНҚ-ның матрицалық учаскесінің көмегімен теломераза ДНҚ молекуласындағы теломерлік қайталануды танып онымен байланысады. Теломераза одан ары қарай РНҚ – полимеразадағы нуклеотидтердің мына ретіне: 5^/ - ЦААЦЦЦЦАА - 3^/сәйкес теломерлік қайталануда кері бағытта комплементарлы нуклеотидтер жүйесін: 5^/ - ТТГГГГ - 3^/синтездейді.Теломеразалық РНҚ-ғы ААЦ нуклеотидтері жұпсыз қалғандықтан оларға ДНҚ-ның ТТГ нуклеотидтері жалғанады. Бұл процесс теломеразаның жылжып ДНҚ нуклеотидтік жүйесінің ең соңына ауысуымен іске асырылады. Мұның нәтижесінде бастапқы ДНҚ-ның ұшы – ТТГГГГТТГ – нуклеотидтер ретіне ұзарады.Осы жаңа теломерлік қайталанудың түзілуі үдерісін элонгация деп атайды.

Келесі теломерлік қайталанудың түзілуі теломеразаның (РНҚ – мен бірге) ұзарып жатқан ДНҚ тізбегінің 3^/- ұшына қарай бір қайталануға жылжуы арқылы жүреді.

Сурет.3. теломерлік қайталанатын бөліктердің  теломераза ферментінің көмегімен ұзаруы [Telomeras, 1995].

Теломеразаның қайта айнланып кері бағытта жылжып қозғалуын транслокация деп атайды.

Олай болса алғашқы хромосоманың теломерлік учаскесінің ұзарып өсу үдерісі теломеразаның элонгация және транслокация кезеңдерін қамтиды. Қорыта айтқанда теломераза ДНҚ тізбегін бірнеше ондаған немесе жүздеген теломерлік қайталануларға ұзарта алады. Нуклеотидтердің қайталану саны ағзаның түрлік ерекшелігіне және жасушаның өткен бөліну санына байланысты болады. Ұзартылған бастапқы ДНҚ бөлігінде ДНҚ-ның жаңа тізбегі синтезделіп толықтырылады.

Ескертетін жай, теломерлік РНҚ-ғы мутация нуклеотидтердің қате синтезделуіне әкелмейді керісінше барлық теломеразаның белсенділігінің жойылуына себепші болады.

Теломерлік ДНҚ рекомбинация жолымен ұзаруы

Табиғатта теломерлерді ұзартудың басқа да альтернативтік механизмдері - (ALT – Alternative Lengthening of Telomeras) теломеразаның қатысуынсыз-ақ жүреді. ALT механизмі мысалы, дрозофилада, кейбір ісік жасушаларының түрлерінде байқалады.

Осындай механизмдердің бірі – түрлі хромосомалардың теломерлік учаскелеріндегі рекомбинацияға байланысты будан теломерлердің түзілуі. Рекомбинацияның тиімді жүруіне қажетті негізгі жағдай бір ДНҚ молекуласындағы тізбектің басқа ДНҚ-ғы тізбектен ұзындау болуы. Бұл кезде ДНҚ полимеразалық жүйе ДНҚ-ның ұзын тізбегін матрица ретінде пайдаланып соған комплементарлы етіп ДНҚ-ның екінші қысқа тізбегін ұзартады. Түзілген будандық теломераларда ұзарушы тізбек бастаушы, ал екіншісі – артта қалған тізбек болып табылады. (сурет. 4.).

Сурет 4. Теломерлік ДНҚ рекомбинация жолымен ұзаруы

Олай болса, әр репликация сайын ДНҚ молекуласы бірнеше нуклеотидке қысқарып отырады. Қысқару хромосомалардың (ДНҚ-ның) мағыналы учаскелерін немесе гендерін жанап өтіп, транскрипцияланбайтын теломерлік учаскелерінде жүреді.

Ерекше мән беретін жәй теломеразаның жаңадан синтезделген ДНҚ молекулаларын қалпына келтіріп қызмет атқаруы тек генеративті және ісік жасушаларында, сонымен қатар жасанды ортада өсірілген жасушаларда жүреді.

Сомалық жасушаларда теломераза активті болмайды. Сондықтан әр репликациядан кейін сомалық жасушалардың теломерлері біртіндеп қысқарады. Хромосомалардың теломерлік ұштарының қысқаруын жасушаның бөліну санын жасушаның қартаюы емес оың молекулалық индикаторы ретінде қарау қажет.

Көптеген дифференцияланған сомалық жасушалардағы теломераза жұмысының тоқтауы, ол жасушалардың толық жетіліп, есеюінің және табиғи өлімге (апоптозға) алып келетін үдерістердің басталуының арнайы белгісі (сигналы) болып табылады.

Қартаю және онкогенез үдерістеріндегі теломеразаның маңызы

Ісік жасушаларының теломерлік бөліктерінің теломеразаның көмегімен ұзаруы қартаю және онкогенез үдерістеріне қатысатындығына болжам жасалынды.

Алғаш хромосомалар ұштарының репликацияланбай қалу мәселесіне көңіл аударған А.М. Оловников, жасушалардың бөліну санының шектелуі екеніне болжау жасалынды, жасушаның бөліну шегін «Хейфлик лимиті» деп атап маргинотомия (теломеразалық қартаю теориясы) теориясын ұсынды. Мұның мәні ДНҚ ұштарының түсіп қалуы олардың репликацияланбай қалу себебінен сома жасушаларының қартаюына әкеледі. Сонымен қатар қартаймайтын жасушаларда (ұрық, бағаналы, генеративті және ісік) жасушасының бөлінуі шектелмеген, теломерлік ДНҚ ұзындығын сақтап бақылап отыратын ферменттік жүйе бар. Соңынан жасушаның активтілігінде маңызыды роль атқаратын теломераза ферменті анықталды. Қазіргі кезде жасушаның қартаюын тек теломеразаның жоқтығымен ғана емес геномның гипометилденуіменде түсіндіреді.

Ісік жасушаларынан теломеразаның анықталуы теломераза экспрессиясы ісіктің пайда болуына әкеледі деген болжам бар. Әртүрлі зерттеулер теломеразада онкогендік қасиет жоқ екендігін көрсетеді. Теломеразаның негізгі қасиеті жасушаның бөлінуіне бақылау жасау, ал ісіктің пайда болып, өсуі үшін қосымша митоздық циклды реттейтін гендерде мутация болу керек. Қалыпты жасушалардың р53 ақуызының қызметінен айырылуынан жасушаның геномын тұрақсыздандыруда ерекше орын алады және мутантты фенотиптің қалыптасуын тудырады. Соңынан нәтижесінде адам ағзасының жасушаларында жаңа генетикалық өзгерістердің жинақталуы жүреді де ажалсыз (иммортализация) жасушалар пайда болады.

Сонымен қатар жасушаның қартаюының реттелуі мен өмір сүру ұзақтығында р53 ақуызының тағы жаңа бір ролі ашылды, р53 қызметінің жойылуы мен промотордың гиперметилденуі жасушаның қартаюына әкелмейді деген болжам бар.

ДНҚ гиперметилденуін талдау феномені тағы бір қартаюмен ісік жасушалар арасында байланысты көрстеді. Жасушаның ісікке трансформациялануы тек теломеразаның белсенділігіне ғана емес ДНҚ-метилаза белсенділігіне тәуелді, жас ұлғайған сайын 5-МЦ көбейетіндігін көрсетеді.

6.5. Оқыту әдістері:студенттердің сабақтың мәнін, мақсатын және міндеттерін; түсінгенін қысқа, анық, ойын жүйелі жеткізу және түсінген материалын сызба нұсқа, кесте, сурет түрінде көрсету; тест қателіктерімен топпен жұмыс; есептер шығаруды көрсету және түсіндіру, сызбалар толтыруға бағыттай отырып  ауызша сұрау, тақырып бойынша бейнефильмдер көру.

6.6. Әдебиеттер:

Негізгі:

6.6.1. Муминов Т.А., Куандыков Е.У. Молекулалық биология негіздері (дәрістер жинағы).  Алматы: Эверо, 2009. С.38-41.

6.6.2. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М., 2003. С. 27-65.

6.6.3. Медициналық биология және генетика. Оқу құралы ред. проф. Куандыков Е.У. Алматы, 2004. С.32-35.

Қосымша:

6.6.4. Генетика. Под ред. Иванова В.И. М.: Академкнига, 2006. С.157-158.

6.6.5. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб.унив. изд-во, 2007. С.110-122.

6.6.6. Щипков В.П., Кривошеина Г.Н. Общая и медицинская генетика. М.: Академия, 2003. С. 11-16.

6.6.7. Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э. и др. Общая и медицинская генетика. Ростов-на- Дону. 2002. С. 106-116.

6.6.8. Медицинская генетика: учеб. пособие/ Роберт Л.Ньюссбаум, Родерик Р. Мак-Иннес, Хантингтон Ф. Виллард: пер. с англ. А. Ш. Латыпова; под ред. акад. РАМН Н. П. Бочкова.- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. С. 203-205.

6.7. Бақылау:

6.7.1. Когнитивті (білім) құзыреттілікті бағалау

6.7.1.1. Тақырып сұрақтары бойынша ауызша сұрау.

6.7.1.2. Тест бақылау – 3 нұсқа 10 сұрақтан.

6.7.1.3. Тақырып бойынша кәсіби терминдерді ағылшын және екінші тілде игеруін тексеру

6.7.2. Тәжірибелік дағды құзыреттілігін бағалау:

6.7.2.1. Сызбалар сызу:

- теломераза  ферментінің көмегімен теломерлердің ұзаруы  

- теломерлік ДНҚ рекомбинациялық жолмен ұзаруы  

6.7.3. Бақылау сұрақтары:

6.7.3.1 Теломердің қызметі мен құрылысы.

6.7.3.2. Жаңа түзілген ДНҚ репликациялану механизмдері.

Үш тілдегі түсіндірме сөздер:

Құрастырушы: оқыт. Какишева Г.Т.

№22

6.1. Тақырыбы: Транскрипция

6.2. Мақсаты: студенттерде прокариот және эукариоттардыңтранскрипция деңгейіндегі тұқым қуалау ақпаратының іске асырылуының молекулалық механизмі жайлы білімдерін қалыптастыру.

6.3. Оқытудың міндеттері:

- студенттерде транскрипцияның маңызы туралы білім қалыптастыру;

- транскрипцияның әр кезеңінің молекулалық механизмі мен маңызын оқыту;

- транскрипция үдерісіне қатысатын негізгі ферменттердің ролін оқыту;

- про- және эукариот ағзалардардағы транскрипция ерекшелігін түсіну және оқыту;

- тірі ағзаның тіршілігін қамтамасыз етудегі транскрипция ролін оқыту.

6.4. Тақырыптың негізгі сұрақтары:

* 6.4.1. Транскрипция, анықтамасы, кезеңдері