Telomerase - Telomerase

Tribolium castaneum telomerase katalytisk underenhet, TERT, bundet til antatt RNA -mal og telomerisk DNA (PDB 3KYL )
Et konseptuelt diagram som viser proteinkomponenten i telomerase (TERT) i grått og RNA -komponenten (TR) i gult

Telomerase , også kalt terminal transferase , er et ribonukleoprotein som legger en artsavhengige telomere repetisjonssekvensen til 3'- enden av telomerer . En telomer er et område med repeterende sekvenser i hver ende av kromosomene til de fleste eukaryoter . Telomerer beskytter enden av kromosomet mot DNA -skade eller fra fusjon med nabokromosomer. Bananflue Drosophila melanogaster mangler telomerase, men i stedet bruker retrotransposoner å opprettholde telomerer.

Telomerase er en revers transkriptase- enzym som bærer sin egen RNA-molekyl (for eksempel med sekvensen 3'- C- CC A A U CCC-5 'i Trypanosoma brucei ) som brukes som en mal når den forlenges telomerer. Telomerase er aktiv i kjønnsceller og de fleste kreftceller , men er normalt fraværende fra eller på svært lave nivåer i de fleste somatiske celler .

Historie

Eksistensen av en kompenserende mekanisme for telomerforkortelse ble først funnet av den sovjetiske biologen Alexey Olovnikov i 1973, som også foreslo telomerhypotesen om aldring og telomerens forbindelser til kreft.

Telomerase i ciliate Tetrahymena ble oppdaget av Carol W. Greider og Elizabeth Blackburn i 1984. Sammen med Jack W. Szostak ble Greider og Blackburn tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 2009 for deres oppdagelse.

Rollen til telomerer og telomeraseaktivitet i cellen aldring og kreft ble etablert av forskere ved bioteknologisk firma Geron med kloning av RNA og katalytiske komponenter av human telomerase og utviklingen av en polymerase kjedereaksjon (PCR) basert assay for telomeraseaktivitet kalt TRAP analyse, som undersøker telomeraseaktivitet ved flere typer kreft.

Den negative flekkelektronmikroskopi (EM) -strukturen til humane og Tetrahymena telomeraser ble karakterisert i 2013. To år senere ble den første kryo-elektronmikroskopi ( cryo-EM ) strukturen til telomerase holoenzyme ( Tetrahymena ) bestemt. I 2018 ble strukturen til menneskelig telomerase bestemt gjennom cryo-EM av UC Berkeley-forskere.

Menneskelig telomerasestruktur

Den molekylære sammensetningen av det humane telomerasekomplekset ble bestemt av Scott Cohen og hans team ved Children's Medical Research Institute (Sydney Australia) og består av to molekyler hver av human telomerase revers transkriptase (TERT), telomerase RNA (TR eller TERC), og dyskerin (DKC1). Genene til telomerase -underenheter, som inkluderer TERT, TERC, DKC1 og TEP1, er lokalisert på forskjellige kromosomer. Det humane TERT -genet (hTERT) blir oversatt til et protein med 1132 aminosyrer . TERT polypeptid folder med (og bærer) TERC, et ikke-kodende RNA (451 nukleotider langt). TERT har en 'vante' struktur som gjør at den kan vikle seg rundt kromosomet for å legge til enkeltstrengede telomerrepetisjoner.

TERT er en revers transkriptase , som er en klasse av enzymer som skaper enkeltstrenget DNA ved bruk av enkeltstrenget RNA som mal.

Et bilde som illustrerer hvordan telomerase forlenger telomer slutter gradvis.

Proteinet består av fire konserverte domener (RNA-bindende domene (TRBD), fingre, håndflate og tommel), organisert i en "høyre hånd" ringkonfigurasjon som deler fellestrekk med retrovirale revers transkriptaser, virale RNA-replikaser og bakteriofag B-familie DNA polymeraser.

TERT -proteiner fra mange eukaryoter har blitt sekvensert.

Mekanisme

Ved å bruke TERC kan TERT legge til en seks-nukleotid repeterende sekvens, 5'- T TA G GG (hos virveldyr, sekvensen er forskjellig i andre organismer) til 3'-tråden av kromosomer. Disse TTAGGG -repetisjonene (med sine forskjellige proteinbindende partnere) kalles telomerer. Malområdet til TERC er 3'-CAAUCCCAAUC-5 '.

Telomerase kan binde de første nukleotidene i malen til den siste telomersekvensen på kromosomet, legge til en ny telomerrepetisjon (5'-GGTTAG-3 '), gi slipp, justere den nye 3'-enden av telomerer til malen , og gjenta prosessen. Telomerase reverserer telomerer forkortes .

Kliniske implikasjoner

Aldring

Telomerase gjenoppretter korte biter av DNA kjent som telomerer , som ellers forkortes når en celle deler seg via mitose .

Under normale omstendigheter, hvor telomerase er fraværende, hvis en celle deler seg rekursivt, når avkommet på et tidspunkt Hayflick -grensen , som antas å være mellom 50 og 70 celledelinger. Ved grensen blir cellene eldre og celledelingen stopper. Telomerase lar hvert avkom erstatte den tapte biten av DNA, slik at cellelinjen kan dele seg uten å nå grensen. Den samme ubegrensede veksten er et trekk ved kreftvekst .

Embryonale stamceller uttrykker telomerase, som lar dem dele seg gjentatte ganger og danne individet. Hos voksne uttrykkes telomerase sterkt bare i celler som trenger å dele seg regelmessig, spesielt i mannlige sædceller, men også i epidermale celler , i aktiverte T -celle- og B -cellelymfocytter , så vel som i visse voksne stamceller , men i de store I de fleste tilfeller uttrykker somatiske celler ikke telomerase.

En komparativ biologistudie av pattedyrtelomerer indikerte at telomerlengden til noen pattedyrarter korrelerer omvendt, snarere enn direkte, med levetid, og konkluderte med at telomerlengdenes bidrag til levetiden er uløst. Telomerforkortelse forekommer ikke med alderen i noen postmitotiske vev, for eksempel i rottehjernen. Hos mennesker forblir skjelettmuskeltelomerlengder stabile fra 23–74 år. I baviansk skjelettmuskel, som består av fullt differensierte post-mitotiske celler, inneholder mindre enn 3% av myonuklei skadede telomerer, og denne prosentandelen øker ikke med alderen. Dermed ser det ikke ut til at forkortelse av telomer er en viktig faktor for aldring av de differensierte cellene i hjerne eller skjelettmuskulatur. I menneskelig lever viser kolangiocytter og hepatocytter ingen aldersrelatert telomerforkortelse. En annen studie fant lite bevis på at telomerlengde hos mennesker er en betydelig biomarkør for normal aldring med hensyn til viktige kognitive og fysiske evner.

Noen eksperimenter har reist spørsmål om telomerase kan brukes som en antialdringsbehandling, nemlig det faktum at mus med forhøyede nivåer av telomerase har høyere kreftforekomst og derfor ikke lever lenger. På den annen side viste en studie at aktivering av telomerase hos kreftresistente mus ved å overuttrykke sin katalytiske underenhet forlenget levetid.

En studie som fokuserte på Ashkenazi-jøder fant at langlivede personer arvet en hyperaktiv versjon av telomerase.

For tidlig aldring

For tidlig aldringssyndrom inkludert Werner syndrom , Progeria , Ataxia telangiectasia , Ataxia-telangiectasia som lidelse, Bloom syndrom , Fanconi anemi og Nijmegen brudd syndrom er forbundet med korte telomerer. Imidlertid har genene som har mutert i disse sykdommene alle roller i reparasjonen av DNA -skader, og den økte DNA -skaden kan i seg selv være en faktor i for tidlig aldring (se DNA -skade teori om aldring ). En ekstra rolle for å opprettholde telomerlengden er et aktivt undersøkelsesområde.

Kreft

In vitro, når celler nærmer seg Hayflick -grensen , kan tiden til aldring forlenges ved å inaktivere tumorundertrykkende proteiner - p53 og Retinoblastoma -protein (pRb). Celler som har blitt så endret til slutt gjennomgår en hendelse som kalles en "krise" når flertallet av cellene i kulturen dør. Noen ganger slutter ikke en celle å dele seg når den når en krise. I en typisk situasjon blir telomerer forkortet og kromosomal integritet avtar med hver påfølgende celledeling. Utsatte kromosomender tolkes som dobbeltstrengede brudd (DSB) i DNA; slik skade blir vanligvis reparert ved å feste (degradere) de ødelagte endene sammen igjen. Når cellen gjør dette på grunn av telomerforkortelse, kan endene av forskjellige kromosomer festes til hverandre. Dette løser problemet med mangel på telomerer, men under celledeling anafase blir de sammensmeltede kromosomene tilfeldig revet fra hverandre, noe som forårsaker mange mutasjoner og kromosomavvik. Etter hvert som denne prosessen fortsetter, blir cellens genom ustabil. Til slutt gjøres enten dødelig skade på cellens kromosomer (dreper den via apoptose ), eller det oppstår en ytterligere mutasjon som aktiverer telomerase.

Med telomerase -aktivering blir noen typer celler og deres avkom udødelige (omgå Hayflick -grensen ), og unngår dermed celledød så lenge betingelsene for duplisering er oppfylt. Mange kreftceller regnes som 'udødelige' fordi telomeraseaktivitet gjør at de kan leve mye lenger enn noen annen somatisk celle, noe som kombinert med ukontrollerbar celleproliferasjon er grunnen til at de kan danne svulster . Et godt eksempel på udødelige kreftceller er HeLa -celler , som har blitt brukt i laboratorier som modellcellelinje siden 1951.

Selv om denne metoden for modellering av menneskelig kreft i cellekultur er effektiv og har blitt brukt i mange år av forskere, er den også veldig upresis. De eksakte endringene som tillater dannelse av de tumorigene klonene i eksperimentet ovenfor er ikke klare. Forskere tok for seg dette spørsmålet ved seriell introduksjon av flere mutasjoner som finnes i en rekke kreftformer hos mennesker. Dette har ført til identifisering av mutasjonskombinasjoner som danner tumorigene celler i en rekke celletyper. Mens kombinasjonen varierer avhengig av celletype, er følgende endringer som kreves i alle tilfeller: tert-aktivering, tap av p53 pathway funksjon, tap av pRb bane funksjon, aktivering av Ras eller myc proto-onkogener , og avvik fra den PP2A protein fosfatase . Det vil si at cellen har en aktivert telomerase, som eliminerer dødsprosessen ved kromosominstabilitet eller tap, fravær av apoptose-induksjonsveier og fortsatt mitoseaktivering .

Denne kreftmodellen i cellekultur beskriver nøyaktig rollen til telomerase i faktiske humane svulster. Telomerase -aktivering har blitt observert i ~ 90% av alle humane svulster, noe som tyder på at udødeligheten av telomerase spiller en nøkkelrolle i kreftutviklingen. Av svulstene uten TERT -aktivering, bruker de fleste en egen vei for å opprettholde telomerlengde kalt Alternativ forlengelse av telomerer (ALT). Den eksakte mekanismen bak telomervedlikehold i ALT -banen er uklar, men innebærer sannsynligvis flere rekombinasjonshendelser ved telomeren.

Elizabeth Blackburn et al. , identifiserte oppregulering av 70 gener som er kjent eller mistenkt for kreftvekst og spredt gjennom kroppen, og aktivering av glykolyse , som gjør det mulig for kreftceller å raskt bruke sukker for å lette deres programmerte veksthastighet (omtrent et fosters veksthastighet).

Tilnærminger til å kontrollere telomerase og telomerer for kreftbehandling inkluderer genterapi , immunterapi , småmolekylære og signalvei-hemmere.

Narkotika

Evnen til å opprettholde funksjonelle telomerer kan være en mekanisme som gjør at kreftceller kan vokse in vitro i flere tiår. Telomerase -aktivitet er nødvendig for å bevare mange kreftformer og er inaktiv i somatiske celler , noe som skaper mulighet for at telomerasehemming selektivt kan undertrykke kreftcellevekst med minimale bivirkninger. Hvis et legemiddel kan hemme telomerase i kreftceller, vil telomerene til påfølgende generasjoner forkortes gradvis og begrense tumorvekst.

Telomerase er en god biomarkør for kreftdeteksjon fordi de fleste humane kreftceller uttrykker høye nivåer av den. Telomeraseaktivitet kan identifiseres ved dets katalytiske proteindomene ( hTERT ). Dette er det hastighetsbegrensende trinnet i telomeraseaktivitet. Det er forbundet med mange kreftformer. Ulike kreftceller og fibroblaster transformert med hTERT cDNA har høy telomeraseaktivitet, mens somatiske celler ikke gjør det. Celler som tester positivt for hTERT har positive kjernefysiske signaler. Epitelstamcellevev og dets tidlige datterceller er de eneste ikke -kreftcellene der hTERT kan påvises. Siden hTERT -uttrykk bare er avhengig av antall tumorceller i en prøve, indikerer mengden hTERT alvorlighetsgraden av kreft.

Uttrykket av hTERT kan også brukes til å skille godartede svulster fra ondartede svulster . Maligne svulster har høyere hTERT -uttrykk enn godartede svulster. Sanntids revers transkripsjon polymerasekjedereaksjon (RT-PCR) som kvantifiserer hTERT-uttrykk i forskjellige tumorprøver bekreftet dette varierende uttrykket.

Figur 4: A) Svulstceller som uttrykker hTERT vil aktivt degradere noe av proteinet og prosessen for presentasjon. Det viktigste histokompatibilitetskomplekset 1 (MHC1) kan deretter presentere hTERT -epitoten. CD8-T-celler som har antistoffer mot hTERT vil deretter binde seg til den presenterte epitoten. B) Som et resultat av den antigene bindingen vil T -cellene frigjøre cytotoksiner, som kan absorberes av den berørte cellen. C) Disse cytotoksinene induserer flere proteaser og resulterer i apoptose (eller celledød).

Mangelen på telomerase påvirker ikke cellevekst før telomerene er korte nok til å få cellene til å "dø eller gjennomgå vekststans". Imidlertid er ikke inhibering av telomerase alene nok til å ødelegge store svulster. Det må kombineres med kirurgi, stråling , cellegift eller immunterapi.

Celler kan redusere telomerlengden med bare 50-252 basepar per celledeling, noe som kan føre til en lang forsinkelsesfase .

Immunterapi

Immunterapi behandler vellykket noen typer kreft, for eksempel melanom. Denne behandlingen innebærer å manipulere et menneskes immunsystem for å ødelegge kreftceller. Mennesket har to store antigen identifisere lymfocytter : CD8 + cytotoksiske T-lymfocytter (CTL) og CD4 + hjelper-T-lymfocytter som kan ødelegge celler. Antigenreseptorer på CTL kan binde seg til en 9-10 aminosyrekjede som presenteres av det store histokompatibilitetskomplekset (MHC) som i figur 4. HTERT er et potensielt målantigen. Immunmålretning bør resultere i relativt få bivirkninger siden hTERT -ekspresjon bare er assosiert med telomerase og ikke er avgjørende i nesten alle somatiske celler. GV1001 bruker denne banen. Eksperimentelle medikament- og vaksineterapier rettet mot aktiv telomerase har blitt testet i musemodeller, og kliniske studier har startet. Ett legemiddel, imetelstat , blir klinisk undersøkt som et middel for å forstyrre telomerase i kreftceller. De fleste av de skadelige kreftrelaterte effektene av telomerase er avhengig av en intakt RNA-mal. Kreftstamceller som bruker en alternativ metode for vedlikehold av telomerer blir fortsatt drept når telomerases RNA -mal er blokkert eller skadet.

Telomerase vaksiner

To telomerase -vaksiner er utviklet: GRNVAC1 og GV1001 . GRNVAC1 isolerer dendritiske celler og RNA som koder for telomeraseproteinet og setter dem tilbake i pasienten for å lage cytotoksiske T-celler som dreper de telomerase-aktive cellene. GV1001 er et peptid fra det aktive stedet for hTERT og gjenkjennes av immunsystemet som reagerer ved å drepe de telomerase-aktive cellene.

Målrettet apoptose

Figur 5: A) Human telomerase RNA (hTR) er tilstede i cellen og kan målrettes. B) 2-5 anti-hTR-oligonukleotider er en spesialisert antisense-oligo som kan binde seg til telomerase-RNA. C) Når den er bundet, rekrutterer 2-5 anti-hTR-oligonukleotidet RNase L til sekvensen. Når den er rekruttert, skaper RNase L en enkelt spaltning i RNA (D) og forårsaker dissosiasjon av RNA -sekvensen.

En annen uavhengig tilnærming er å bruke oligoadenylerte anti-telomerase antisense oligonukleotider og ribozymer for å målrette telomerase RNA, redusere dissosiasjon og apoptose (figur 5). Den raske induksjonen av apoptose gjennom antisense -binding kan være et godt alternativ til den langsommere forkortelsen av telomer.

Lite forstyrrende RNA (siRNA)

siRNA er små RNA-molekyler som induserer sekvens-spesifikk nedbrytning av andre RNA. siRNA -behandling kan fungere på samme måte som tradisjonell genterapi ved å ødelegge mRNA -produktene til bestemte gener, og derfor forhindre uttrykk for disse genene. En studie fra 2012 fant at målretting av TERC med siRNA reduserte telomeraseaktiviteten med mer enn 50% og resulterte i redusert levedyktighet for udødelige kreftceller. Behandling med både siRNA og stråling forårsaket en større reduksjon i svulststørrelse hos mus enn behandling med stråling alene, noe som tyder på at målretting av telomerase kan være en måte å øke effekten av stråling ved behandling av strålingsresistente svulster.

Hjertesykdom, diabetes og livskvalitet

Blackburn oppdaget også at mødre som pleier svært syke barn har kortere telomerer når de rapporterer at deres følelsesmessige stress er maksimalt, og at telomerase var aktiv på stedet for blokkeringer i koronarvev, muligens akselererende hjerteinfarkt.

I 2009 ble det vist at mengden av telomerase -aktivitet økte betydelig etter psykologisk stress. På tvers av pasientprøven økte telomeraseaktiviteten i mononukleære celler i perifert blod med 18% en time etter stressens slutt.

En studie i 2010 fant at det var "signifikant større" telomeraseaktivitet hos deltakerne enn kontroller etter en tre måneders meditasjons retrett.

Telomerase-mangel har vært knyttet til diabetes mellitus og nedsatt insulinsekresjon hos mus på grunn av tap av insulin-produserende celler i bukspyttkjertelen.

Sjeldne sykdommer hos mennesker

Mutasjoner i TERT har blitt implisert i å predisponere pasienter for aplastisk anemi , en lidelse der beinmargen ikke klarer å produsere blodceller, i 2005.

Cri du chat syndrom (CdCS) er en kompleks lidelse som involverer tap av den distale delen av den korte armen til kromosom 5. TERT er lokalisert i den slettede regionen, og tap av en kopi av TERT har blitt foreslått som en årsak eller medvirkende faktor av denne sykdommen.

Dyskeratosis congenita (DC) er en sykdom i benmargen som kan skyldes noen mutasjoner i telomerase -underenhetene. I DC -tilfellene er omtrent 35% tilfeller X -koblet - recessive på DKC1 -locus og 5% tilfeller er autosomalt dominerende på TERT- og TERC -loci.

Pasienter med DC har alvorlig beinmargssvikt som viser seg som unormal hudpigmentering , leukoplaki (en hvit fortykning av munnslimhinnen) og negldystrofi , samt en rekke andre symptomer. Personer med enten TERC- eller DKC1 -mutasjoner har kortere telomerer og defekt telomeraseaktivitet in vitro kontra andre individer i samme alder.

I en familie ble autosomal dominant DC knyttet til en heterozygot TERT -mutasjon. Disse pasientene viste også en økt hastighet på forkortelse av telomer og genetisk forventning (dvs. DC-fenotypen forverret for hver generasjon).

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker