Первая атомная модель человеческой теломеразы построена методом криоэлектронной микроскопии

Теломеры — это крупные нуклеопротеиновые структуры, защищающие концы хромосом в эукариотических клетках. При делении клетки небольшая часть теломеры теряется из-за изначально неполного процесса репликации генома. Без компенсации теломеры со временем достигают критически короткой длины, что приводит к геномной нестабильности, деградации или гибели клетки. Чтобы противодействовать этому укорочению, фермент теломераза восстанавливает теломеры, синтезируя новые повторы теломерной ДНК на концах хромосом. Группа Келли Нгуен из Отдела структурных исследований LMB решила первую полную атомную модель этого фермента и обнаружила гистоновый димер в качестве новых субъединиц теломеразы.

Теломеры защищают генетическую информацию от прогрессирующей деградации из-за неполной репликации ДНК. Кроме того, они отличают естественные концы хромосом от двунитевых разрывов ДНК, предотвращая нежелательный ответ на повреждение ДНК и внутрихромосомные слияния. Это делает теломеры необходимыми для сохранения стабильности генома и хромосом. В предыдущих исследованиях Келли обнаружила архитектуру и состав холофермента человеческой теломеразы с разрешением 8 Å (ангстрем) с помощью крио-ЭМ. Однако для понимания молекулярного механизма поддержания теломер требовалась высокоразрешающая структура комплекса.

Для этого исследования группа Келли в сотрудничестве с Кэтлин Коллинз из Калифорнийского университета в Беркли и Риджу Дасом из Стэнфордского университета выделила теломеразу из культивируемых человеческих клеток и визуализировала её методом крио-ЭМ, собрав почти 44 000 изображений. Данные были проанализированы с помощью RELION — сложной компьютерной программы, разработанной в LMB, — для получения структуры теломеразы с разрешением 3.4-3.8 Å. На основе этого Келли и члены её группы Джордж Ганим, Адам Фаунтин и Марике ван Рун смогли построить первую полную атомную модель теломеразы, включающую 12 белковых субъединиц и теломеразную РНК. Благодаря высокому разрешению группа не только выявила, как взаимодействуют общие мотивы РНК и белка, но и обнаружила новые взаимодействия.

В ходе исследования команда подтвердила новое присутствие гистонового димера — белков, которые обычно связывают ДНК в единицы, называемые нуклеосомами, для упаковки нашей ДНК. Однако в структуре теломеразы гистон H2A-H2B связан с важным доменом теломеразной РНК. Это указывает на ранее неизвестную роль гистонов в сворачивании и функционировании теломеразной РНК и является редким примером взаимодействия гистона с РНК.

У человека мутации теломеразы связаны с заболеваниями преждевременного старения, такими как легочный фиброз, врожденный дискератоз и апластическая анемия, которые вызваны мутациями, снижающими функцию теломеразы. Благодаря этой высокоразрешающей структуре теперь можно начать понимать молекулярную патологию некоторых из этих генетических заболеваний. С другой стороны, повышенная активность теломеразы позволяет раковым клеткам неограниченно реплицироваться. В настоящее время терапии на основе теломеразы отсутствуют, однако эта новая атомная модель предоставляет основу для разработки таких методов лечения.