Вчені за допомогою кріоелектронної мікроскопії отримали найбільш детальну на сьогоднішній день структуру теломерази людини - ферменту, який забезпечує безсмертя клітин, в тому числі, пухлинних. Стаття з описом тонкощів будови ферменту в комплексі з його субстратом - ДНК, опублікована в.
Механізм реплікації ДНК вимагає для початку синтезу нового ланцюга наявності короткої «затравки», яка потім знищується. Це призводить до того, що на самому кінці молекули ДНК залишаються недореплікованими короткі шматочки, тобто кінці хромосом з кожним раундом реплікації вкорачуються. Зберегти важливі частини хромосоми від кінцевої недореплікації допомагають теломери - області на кінцях хромосом, що складаються з повторюваних послідовностей, які по суті являють собою «запасну» ДНК. Довжина теломер обмежує число клітинних поділів певним значенням (це значення називають межею Хейфліка). У «безсмертних» клітинних лініях, до яких належать стовбурові та ракові клітини, довжина теломер підтримується на постійному рівні ферментом теломеразою.
Завдяки участі в процесах канцерогенезу теломераза представляє інтерес для вчених як мішені для терапії раку - речовини, що переважають її активність, можуть зупиняти зростання пухлини. Однак для раціональної розробки ефективних інгібіторів ферменту необхідно в деталях представляти його структуру. Загальний план будови теломерази досить добре вивчений - її основним компонентом є суб'єдниця з функцією зворотної транскриптази (TERT), яка синтезує теломірну ДНК на РНК-матриці, роль якої виконує РНК-частина теломерази (TR).
Незважаючи на принципово схожу схему роботи ферменту, у різних організмів теломераза може включати додаткові суб'єдиниці, а TERT може складатися з різних доменів. Досі найкраща структура з роздільною здатністю в дев'ять ангстрем була отримана для теломерази інфузорії тетрахімени, а для людського ферменту, який представляє основний інтерес для медиків, досить якісних даних про структуру не було. Дослідники з університету Каліфорнії в Берклі під керівництвом Кетлін Коллінз (Kathleen Collins) за допомогою кріоелектронної мікроскопії отримали зображення людської теломерази, пов'язаної з субстратом, у субнанометровій роздільній здатності.
Для того, щоб отримати частинки для мікроскопії, вчені надекспресували гени, що кодують TERT і TR в клітинах людини, а потім очистили комплекс білка і РНК таким чином, щоб зберегти допоміжні суб'єднання. Після цього активність комплексу перевірили і. Для детального вивчення взаємодії ферменту з ДНК до препарату додали субстрат - олігонуклеотид, що містить структурну одиницю послідовності теломірної ДНК.
Виявилося, що частинки з активної фракції складаються з двох асиметричних часток, з'єднаних гнучкою перемичкою. Отримані зображення заморожених частинок допомогли з'ясувати точне розташування молекули РНК всередині комплексу. Крім того, вченим вдалося уточнити деталі взаємодії основних компонентів теломерази з допоміжними білками сімейства H/ACA, які вносять модифікації в РНК і беруть участь також у біогенезі рибосом. Мутації в генах цих білків призводять до розвитку низки спадкових синдромів у людини. З'ясувалося, що одна з часток активного ферменту представляє з себе TERT-суб'єдиницю, пов'язану з РНК і ДНК, а друга частина молекули РНК пов'язує допоміжні білки. Для каталітичної і допоміжної частки ферменту були отримані структури з роздільною здатністю 7,7 і 8,2 ангстрем відповідно.
Детальніше про принцип роботи кріоелектронної мікроскопії - методу, за допомогою якого вдалося отримати ряд важливих для біології та медицини даних, наприклад, про будову амілоїдної фібрили, і за розробку якого в 2017 році була присуджена Нобелівська премія з хімії, можна прочитати в нашому матеріалі «Тіні в льоду».