Теория недорепликации теломер

После открытия структуры ДНК и механизмов ее репликации А. М. Оловников в России заинтересовался загадкой организации репликации на конце молекулы ДНК. Дело в том, что каждая хромосома содержит единственную непрерывную молекулу ДНК, и концы этой молекулы совпадают с концами хромосомы. В соответствии со стандартной моделью репликации ДНК процесс удвоения отстающей цепи ДНК начинается с синтеза коротких РНК-праймеров, или затравок, с З'-концов которых синтезируются отрезки ДНК — фрагменты Оказаки. Затем РНК-праймер удаляется, образовавшиеся бреши (гэпы) заполняются фрагментами ДНК. Последние синтезируются, используя в качестве праймеров З'-концы предыдущих фрагментов Оказаки. Поскольку для синтеза крайнего фрагмента нет соответствующего фрагмета (а, следовательно, и праймера), вновь образованная цепь оказывается на 8-12 нуклеотидов (длина РНК-праймера) короче исходной. В результате после каждого цикла репликации молекула ДНК должна становиться все короче: одна из четырех цепей укоротилась на 8-12 пн, т. е. на одном из концов хромосомы средняя длина цепей ДНК (двух материнских и двух вновь синтезированных) уменьшилась на 2-3 пи.

Поэтому А. М. Оловников пришел к выводу, что если в клетке нет особых механизмов, компенсирующих потери нуклеотидов с каждого конца нити ДНК, то хромосома начнет укорачиваться: сначала должны исчезнуть теломерные районы, затем ближайшие к теломерам гены, потом более удаленные гены и т. д. Очевидно, что этот процесс должен в конце концов привести к гибели клетки.

Действительно, у клеток, например, человека, растущих в культуре (in vitro ), есть лимит на число делений. Американским ученым Л. Хейфликом в 1965 г. было покачано, что, если для культивирования взять клетки у новорожденных, они могут пройти 80-90 делений, клетки, взятые у 70-летних, делятся только 20-30 раз. Ограничение числа клеточных делений называют лимитом Хейфлика. Обычно клетки не преодолевают лимит из 20-90 делений, а в среднем, по мнению Хейфлика, он составляет 50 +10. А. М. Оловников в 1971 г. предложил следующую формулу для расчета продолжительности жизни любого клона клеток in vitro

Т= k(lt/lm – n),

где Т — срок предстоящей жизни клеток; k — коэффициент корреляции между срокам жизни клона клеток и числом репликаций ДНК ; lt — длина теломерного участка; lm — длина фрагмента ДНК, утрачиваемого в ходе каждого цикла репликации; п — число уже прошедших репликаций. Размер утрачиваемого фрагмента коррелирует с размером РНК-праймера, инициирующего синтез фрагментов Оказаки при репликации ДНК.

Таким образом, Оловников напрямую связал срок жизни клеточных клонов с длиной теломерной ДНК. Далее он предположил, что «в качестве временной защиты концевых репликонов, локализующихся вблизи торцов хромосомы, клетка должна использовать телогены, которые находятся на торцах теломер», а также что «телоген, функция которого оставалась неясной, — это неинформационный ген, имеющий „буферную" функцию и монотонную нуклеотидную последовательность... он укорачивается в митозах и тем самым защищает информационные гены от усечения при репликации».