В теломерах нашли инструкцию для производства токсичных пептидов

«Бессмысленные» повторы теломерной ДНК, возможно, все же несут в себе информацию — о длинных и токсичных пептидах. Так решили двое американских исследователей, которые обнаружили такой пептид в человеческих клетках. Ученые полагают, что эти пептиды появляются в экстренных ситуациях — например, когда теломеры разрушаются, — и могут повлиять на работу клеточного ядра или запустить воспаление. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Теломеры всегда считались «бессмысленными» участками ДНК: они нужны, чтобы хромосомы не слипались друг с другом. А еще чтобы, когда при делении клеток они укорачиваются, не терялась по-настоящему ценная генетическая информация. К тому же, и нуклеотидный состав теломер не похож на белок-кодирующие участки генома — это много раз повторенная последовательность TTAGGG.

Правда, в какой-то момент выяснилось, что на теломерах все-таки бывает транскрипция — то есть с них считывается нить РНК. Ее назвали TERRA. Судя по всему, она обычно находится в ядре и там регулирует длину теломер и помогает их защищать. Но иногда, в том числе, когда теломеры разрушаются, TERRA выходит в цитоплазму. А значит, можно предположить, что там с нее могли бы считываться пептиды (цепочки аминокислот).

Чтобы доказать, что такое возможно, нужно разрешить еще одно противоречие. Дело в том, что обычно рибосомы работают только с теми РНК, у которых есть старт-кодон — конкретная тройка нуклеотидов (AUG) в начале белок-кодирующей части. В теломерных повторах никакого старт-кодона нет. Тем не менее, в 2011 году генетики выяснили, что это не проблема. Они показали, что в некоторых случаях РНК с длинными вставками из трехнуклеотидных повторов умеют обманывать рибосому, — на них нет старт-кодона, а пептиды все равно производятся.

Более того, эти пептиды получаются токсичными: если цепочки слишком сильно заряжены, то они липнут к ДНК и мешают ей нормально укладываться в ядре. А если цепочки, наоборот, гидрофобные, то они слипаются в амилоиды, — что тоже вредит клеткам (и может, например, убивать нейроны).

Тагрид Аль-Тюрки (Taghreed M. Al-Turki) и Джек Гриффит (Jack D. Griffith) из Медицинской школы университета Северной Каролины предположили, что теломерная РНК TERRA тоже могла бы обмануть рибосому. Во-первых, она несет в себе много повторов. Во-вторых, в предыдущих работах биологи заподозрили, что обмануть рибосому можно с помощью сложных структур РНК — например, шпильки или квадруплекса, то есть квадрата из четырех гуанинов (посмотреть на шпильки, квадруплексы и другие необычные формы на примере ДНК можно в нашем материале «Как все закручено»). А в теломерной РНК гуанинов достаточно: в каждом повторе по три штуки — то есть она умеет образовывать квадруплекс и, вероятно, могла бы обойтись без старт-кодона.

Поскольку старт-кодона в TERRA нет, рассудили исследователи, трансляция теоретически может начаться с любого нуклеотида. То есть на выходе можно построить шесть вариантов пептидных цепей. Ученые выбрали два варианта: сильно заряженный полимер (VR)_n (валин-аргинин) и гидрофобный полимер (GL)_n (глицин-лейцин).

Для начала ученые проверили, правда ли пептиды, которые могут быть закодированы в теломерах, обладают токсическими свойствами. Они искусственно синтезировали оба варианта: с повторами VR и GL. В качестве контроля взяли нить из GA (глицин-аланин) — такой пептид уже находили в нейронах, поэтому известно, что он может слипаться в амилоид. Оказалось, что (GL)_n, который тоже гидрофобный, может образовывать амилоидоподобные нити. (VR)_n, который несет много положительных зарядов, не должен обладать такими свойствами — но в присутствии фосфатного буфера, который эти заряды компенсирует, он тоже слипался в характерные нити. Кроме того, (VR)_n, как и положено, образовывал агрегаты с нуклеиновые кислотами: с ДНК, РНК и теломерной РНК TERRA.

Дальше исследователям нужен был способ выяснить, встречаются ли эти пептиды в реальных клетках. Для этого они ввели эти пептиды кроликам — и у кроликов образовались к ним антитела. Правда, in vitro антитела распознавали только (VR)_n, но не (GL)_n, поэтому дальше эксперименты продолжились только с одним типом пептидов. Ученые взяли обычный человеческий фибробласт, клетку с повышенной экспрессией TERRA и клетку, которая производит и TERRA, и нити (VR)_n. Оказалось, что антитела дают сильный сигнал во всех пробах, кроме содержимого фибробластов. Это значит, что полученное антитело не реагирует ни на какие другие белки в обычных клетках и может работать сенсором для (VR)_n.

Наконец, ученые обработали антителами разные клетки, в которых они ожидали увидеть увеличенную экспрессию TERRA. Например, они взяли культуру клеток от пациентки с ICF-синдромом — редким генетическим заболеванием, при котором сочетаются иммунодефицит и геномная нестабильность. А также клетки, в которых не производится Trf2, — белок, отвечающий за сохранность теломер. И там, и там нашлись агрегаты (VR)_n в повышенном количестве, причем в основном в ядре. То есть, судя по всему, пептиды из цитоплазмы проникают в ядро и там налипают на ДНК, склеиваясь друг с другом.

Аль-Тюрки и Гриффит предположили, что напали на след древнего эволюционного механизма. Они считают, что у многих эукариот в теломерах не просто так закрепилась последовательность TTAGGG. Она помогает им обманывать рибосому и производить свои пептиды — в случаях, когда TERRA оказывается в цитоплазме (а это обычно значит, что с теломерами что-то пошло не так). А пептиды, в свою очередь, могут быть не только токсичными для клеток, но и приносить пользу. 

Если они действительно способны налипать на клеточную ДНК, то тем самым могли бы влиять, например, на деление клетки — что полезно, если с теломерами что-то не так. А если пептиды могут склеиваться в амилоиды, то таким образом можно запустить воспаление — то есть, опять-таки, просигнализировать иммунной системе, что в ткани накопились клетки, у которых с теломерами что-то не так. 

Но пока это остается в рамках предположений — и чтобы показать, что в клетках на самом деле работает этот механизм, понадобится за ним проследить на каждом этапе. А также подробно зафиксировать, что TERRA действительно взаимодействует с рибосомами и на выходе получаются пептиды.

Недавно мы рассказывали еще одну необычную историю из жизни теломер. Оказалось, что иммунные клетки могут ими обмениваться — одна отрывает кусочек своей хромосомы и выбрасывает его наружу, а вторая ловит и надстраивает свою ДНК.