Механизм репликации концов линейных хромосом с участием теломеразы

При репликации линейных хромосом основная проблема – репликация концов. Эукариотические клетки решают это с помощью теломер – обновляемых повторов на концах хромосом, а бактерии используют два механизма, заимствованные, скорее всего, у вирусов и плазмид.

Первый механизм, который встречается у бактерий рода Streptomyces, заключается в присоединении специальных терминальных белков к 5'-концам двухцепочечных теломер. Структуры, похожие на теломеры стрептомицетов, обнаружены как в некоторых бактериофагах, так и в линейных плазмидах митохондрий растений и грибов. Терминальные повторы стрептомицетов различаются по длине – от 500 до 1000 нуклеотидов – и состоят из семи палиндромных последовательностей, которые, находясь в одноцепочечном состоянии, привлекают терминальные белки. Репликация начинается с внутреннего сайта начала репликации (origin of replication) и продолжается до конца хромосомы, оставляя висячие 5'-концы.

Эти концы далее реплицируются через синтез ДНК, опосредованный терминальными белками. Стрептомицеты обладают пятью видами ДНК-полимераз. В то время как синтезом основной цепи занимается полимераза I (PolI), синтез концов осуществляется двумя изоформами PolIV. Похожим образом реплицируются линейные плазмиды стрептомицетов .

Другой способ репликации концов реализуют бактерии рода Borrelia. Хромосомы этих бактерий несут на концах теломеры с ковалентно замкнутыми шпилечными структурами (рис. 1). Теоретически существует два механизма репликации таких хромосом. Первый подразумевает образование внутренних репликативных вилок и дальнейшую репликацию, приводящую к формированию конкатената из двух идентичных хромосом, в который потом вносится два двухцепочечных разрыва в районе теломерных областей. 

На последней стадии ковалентная связь между цепями восстанавливается (рис. 1). Репликация по второму механизму начинается с внесения двух одноцепочечных разрывов на концах хромосом, после чего следует двухстадийная репликация – сначала концов, а затем и всего генома. Завершается этот процесс репарацией одноцепочечных разрывов. Второй способ чаще встречается при репликации вирусов, в то время как первый способ, и это показано экспериментально, используется боррелиями.

На основании сходства механизмов репликации вирусов и плазмид с линейными геномами с механизмами репликации линейных геномов бактерий, а также экспериментальных данных по линеаризации генома Escherichia coli с помощью вирусной системы Cui и соавт. предполагают, что линейные геномы прокариот возникли в результате приобретения репликативных систем вирусов и плазмид.