Инициация цепей ДНК. ДНК-полимеразы не могут начинать синтеза ДНК на матрице, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3 -концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Такую заранее образованную цепь, к которой добавляются нуклеотиды, называют затравкой.
Короткую РНК- затравку синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент, не обладающий корректирующей активностью и называемый ДНК-праймазой от англ. primer - затравка. Праймазная активность может принадлежать либо отдельному ферменту, либо одной из субъединиц ДНК-полимеразы.
Затравка, синтезированная этим неточным ферментом, не умеющим исправлять ошибки, отличается от остальной новосинтезированной цепи ДНК, поскольку состоит из рибонуклеотидов, и далее может быть удалена.
Размер рибонуклеотидной затравки невелик менее 20 нуклеотидов в сравнении с размером цепи ДНК, образуемой ДНК-полимеразой. Выполнившая свою функцию РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при этом брешь заделывается ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки 3 -ОН-конец соседнего фрагмента.
Удаление крайних РНК-праймеров, комплементарных 3 -концам обеих цепей линейной материнской молекулы ДНК, приводит к тому, что дочерние цепи оказываются короче на 10-20 нуклеотидов у разных видов размер РНК-затравок различен. В этом заключается так называемая проблема недорепликации концов линейных молекул. В случае репликации кольцевых бактериальных ДНК этой проблемы не существует, так как первые по времени образованиЯ РНК-затравки удаляются ферментом, который одновременно заполняет образующуюся брешь путем наращивания 3 -ОН-конца растущей цепи ДНК, направленной в хвост удаляемому праймеру.
Проблема недорепликации 3 -концов линейных молекул ДНК решается эукариотическими клетками с помощью специального фермента - теломеразы. В 1985 году он был обнаружен у равноресничной инфузории Tetrahymena thermophila, а впоследствии - в дрожжах, растениях и животных, в том числе в яичниках человека.
Теломераза является ДНК-полимеразой, достраивающей 3 -концы линейных молекул ДНК хромосом короткими 6-8 нуклеотидов повторяющимися последовательностями у позвоночных TTAGGG . Согласно номенклатуре, этот фермент называют ДНК- нуклеотидилэкзотрансферазой или теломерной терминальной трансферазой. Помимо белковой части теломераза содержит РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами. Длина теломеразной РНК колеблется от 150 нуклеотидов у простейших до 1400 нуклеотидов у дрожжей, у человека - 450 нуклеотидов.
Сам факт наличия в молекуле РНК последовательности, по которой идет матричный синтез куска ДНК, позволяет отнести теломеразу к своеобразной обратной транскриптазе, то есть ферменту, способному вести синтез ДНК по матрице РНК. В результате того что после каждой репликации дочерние цепи ДНК оказываются короче материнских на размер первого РНК-праймера 10-20 нуклеотидов, образуются выступающие однонитевые 3 -концы материнских цепей. Они-то и узнаются теломеразой, которая последовательно наращивает материнские цепи у человека на сотни повторов, используя 3 -ОН-концы их в качестве затравок, а РНК, входящую в состав фермента, в качестве матрицы.
Образующиеся длинные одноцепочные концы, в свою очередь, служат матрицами для синтеза дочерних цепей по традиционному репликативному механизму. Постепенное укорочение ДНК хромосом во время репликации является одной из теорий старения клеточных колоний. Еще в 1971 году отечественный ученый А.М. Оловников в своей теории маргинотомии от лат. marginalis -краевой, tome - сечение предположил, что это явление лежит в основе ограниченного потенциала удвоения, наблюдаемого у нормальных соматических клеток.
Американский ученый Леонард Хейфлик в начале 60-х годов показал, что если для культивирования взять клетки новорожденных детей, то они могут пройти 80-90 делений, в то время как соматические клетки от 70-летних делятся только 20- 30 раз. Ограничение на число клеточных делений и называют лимитом Хейфлика. 8.2.