Telomerase - Telomerase

Tribolium castaneum katalytische Untereinheit der Telomerase, TERT, gebunden an mutmaßliche RNA-Matrize und telomerische DNA (PDB 3KYL )
Ein Konzeptdiagramm, das die Proteinkomponente der Telomerase (TERT) in Grau und die RNA-Komponente (TR) in Gelb zeigt

Telomerase , auch terminale Transferase genannt , ist ein Ribonukleoprotein , das eine speziesabhängige Telomer-Wiederholungssequenz an das 3'- Ende von Telomeren anfügt . Ein Telomer ist eine Region sich wiederholender Sequenzen an jedem Ende der Chromosomen der meisten Eukaryoten . Telomere schützen das Ende des Chromosoms vor DNA-Schäden oder vor Fusion mit benachbarten Chromosomen. Der Fruchtfliege Drosophila melanogaster fehlt die Telomerase, sondern verwendet stattdessen Retrotransposons , um die Telomere aufrechtzuerhalten.

Telomerase ist ein Reverse - Transkriptase - Enzym , das sein eigenes trägt RNA - Molekül ( zum Beispiel mit der Sequenz 3'- C CC A A U ZK-5 'in Trypanosoma brucei ) , die als Matrize verwendet wird , wenn es Telomere längt. Telomerase ist in Gameten und den meisten Krebszellen aktiv , aber normalerweise nicht oder nur in sehr geringen Mengen in den meisten somatischen Zellen vorhanden .

Geschichte

Die Existenz eines kompensatorischen Mechanismus für die Verkürzung der Telomere wurde erstmals 1973 vom sowjetischen Biologen Alexey Olovnikov entdeckt , der auch die Telomer-Hypothese des Alterns und die Verbindung der Telomere mit Krebs vorschlug .

Telomerase in der ciliate Tetrahymena wurde entdeckt von Carol W. Greider und Elizabeth Blackburn im Jahr 1984 zusammen mit Jack W. Szostak , Greider und Blackburn wurden den 2009 verliehen Nobelpreis in Physiologie oder Medizin für ihre Entdeckung.

Die Rolle von Telomeren und Telomerase in Zellalterung und Krebs wurde von Wissenschaftlern bei etablierten Biotechnologie - Unternehmen Geron mit der Klonierung der RNA und katalytischer Komponenten der menschlichen Telomerase und die Entwicklung einer Polymerase - Kettenreaktion (PCR) basierenden Tests für Telomerase - Aktivität der TRAP genannt Assay, der die Telomerase-Aktivität bei mehreren Krebsarten untersucht.

Die Negativ-Stain- Elektronenmikroskopie (EM)-Strukturen von humanen und Tetrahymena- Telomerasen wurden im Jahr 2013 charakterisiert. Zwei Jahre später wurde die erste Kryo-Elektronenmikroskopie ( Kryo-EM )-Struktur von Telomerase-Holoenzym ( Tetrahymena ) bestimmt. Im Jahr 2018 wurde die Struktur der menschlichen Telomerase durch Kryo-EM von Wissenschaftlern der UC Berkeley bestimmt.

Struktur der menschlichen Telomerase

Die molekulare Zusammensetzung des humanen Telomerase-Komplexes wurde von Scott Cohen und seinem Team am Children's Medical Research Institute (Sydney Australia) bestimmt und besteht aus jeweils zwei Molekülen der humanen Telomerase-Reverse-Transkriptase (TERT), der Telomerase-RNA (TR oder TERC) und Dyskerin (DKC1). Die Gene der Telomerase-Untereinheiten, zu denen TERT, TERC, DKC1 und TEP1 gehören, befinden sich auf verschiedenen Chromosomen. Das menschliche Gen TERT (hTERT) wird übersetzt in ein Protein von 1132 Aminosäuren . Das TERT-Polypeptid faltet sich mit (und trägt) TERC, eine nicht-kodierende RNA (451 Nukleotide lang). TERT hat eine „Fäustling“-Struktur, die es ihm ermöglicht, sich um das Chromosom zu wickeln, um einzelsträngige Telomer-Wiederholungen hinzuzufügen.

TERT ist eine reverse Transkriptase , eine Klasse von Enzymen, die einzelsträngige DNA unter Verwendung von einzelsträngiger RNA als Matrize erzeugt.

Ein Bild, das veranschaulicht, wie Telomerase die Telomer-Enden progressiv verlängert.

Das Protein besteht aus vier konservierten Domänen (RNA-Bindungsdomäne (TRBD), Finger, Handfläche und Daumen), die in einer "rechtshändigen" Ringkonfiguration organisiert sind, die gemeinsame Merkmale mit retroviralen reversen Transkriptasen, viralen RNA-Replikasen und DNA der Bakteriophagen- B-Familie aufweist Polymerasen.

TERT-Proteine ​​aus vielen Eukaryoten wurden sequenziert.

Mechanismus

Durch die Verwendung von TERC kann TERT füge eine sechs Nucleotid wiederholende Sequenz, 5 ' T TA G GG (bei Vertebraten, wobei die Reihenfolge unterscheidet mich in anderen Organismen) an dem 3' - Strang von Chromosomen. Diese TTAGGG-Wiederholungen (mit ihren verschiedenen Proteinbindungspartnern) werden Telomere genannt. Die Matrizenregion von TERC ist 3'-CAAUCCCAAUC-5'.

Telomerase kann die ersten paar Nukleotide der Matrize an die letzte Telomersequenz auf dem Chromosom binden, eine neue Telomer-Wiederholungssequenz (5'-GGTTAG-3') hinzufügen, loslassen, das neue 3'-Ende des Telomers an der Matrize neu ausrichten , und wiederholen Sie den Vorgang. Telomerase kehrt die Telomerverkürzung um .

Klinische Implikationen

Altern

Telomerase stellt kurze DNA-Stücke , die als Telomere bekannt sind, wieder her , die ansonsten verkürzt werden, wenn sich eine Zelle durch Mitose teilt .

Unter normalen Umständen, in denen Telomerase fehlt, erreichen die Nachkommen, wenn sich eine Zelle rekursiv teilt, irgendwann ihre Hayflick-Grenze , von der angenommen wird, dass sie zwischen 50 und 70 Zellteilungen liegt. Am Limit werden die Zellen seneszent und die Zellteilung stoppt. Telomerase ermöglicht es jedem Nachkommen, das verlorene DNA-Stück zu ersetzen, sodass sich die Zelllinie teilen kann, ohne jemals die Grenze zu erreichen. Dieses grenzenlose Wachstum ist ein Merkmal des Krebswachstums .

Embryonale Stammzellen exprimieren Telomerase, die es ihnen ermöglicht, sich wiederholt zu teilen und das Individuum zu bilden. Bei Erwachsenen wird Telomerase nur in Zellen, die sich regelmäßig teilen müssen, stark exprimiert, insbesondere in männlichen Samenzellen, aber auch in epidermalen Zellen , in aktivierten T-Zell- und B-Zell- Lymphozyten sowie in bestimmten adulten Stammzellen , aber im Großen und Ganzen In den meisten Fällen exprimieren somatische Zellen keine Telomerase.

Eine vergleichende Biologiestudie von Säugetier-Telomeren zeigte, dass die Telomerlänge einiger Säugetierarten eher umgekehrt als direkt mit der Lebensdauer korreliert, und kam zu dem Schluss, dass der Beitrag der Telomerlänge zur Lebensdauer ungeklärt ist. In einigen postmitotischen Geweben, wie z. B. im Rattenhirn, kommt es mit zunehmendem Alter nicht zu einer Verkürzung der Telomere. Beim Menschen bleiben die Telomerlängen der Skelettmuskulatur im Alter von 23 bis 74 Jahren stabil. In der Skelettmuskulatur des Pavians, die aus vollständig differenzierten postmitotischen Zellen besteht, enthalten weniger als 3% der Myonuklei beschädigte Telomere, und dieser Prozentsatz nimmt mit dem Alter nicht zu. Somit scheint die Verkürzung der Telomere kein Hauptfaktor bei der Alterung der differenzierten Zellen des Gehirns oder der Skelettmuskulatur zu sein. In der menschlichen Leber zeigen Cholangiozyten und Hepatozyten keine altersbedingte Telomerverkürzung. Eine andere Studie fand wenig Hinweise darauf, dass die Telomerlänge beim Menschen ein signifikanter Biomarker für das normale Altern in Bezug auf wichtige kognitive und körperliche Fähigkeiten ist.

Einige Experimente haben die Frage aufgeworfen, ob Telomerase als Anti-Aging-Therapie eingesetzt werden kann, nämlich die Tatsache, dass Mäuse mit erhöhten Telomerasewerten eine höhere Krebsinzidenz haben und daher nicht länger leben. Andererseits zeigte eine Studie, dass die Aktivierung der Telomerase bei krebsresistenten Mäusen durch Überexpression ihrer katalytischen Untereinheit die Lebensdauer verlängerte.

Eine Studie, die sich auf aschkenasische Juden konzentrierte, fand heraus, dass langlebige Probanden eine hyperaktive Version der Telomerase erbten.

Vorzeitiges Altern

Vorzeitige Alterungssyndrome einschließlich Werner-Syndrom , Progerie , Ataxia Teleangiektasie , Ataxia-Teleangiektasie-ähnliche Störung, Bloom-Syndrom , Fanconi-Anämie und Nijmegen-Bruchsyndrom sind mit kurzen Telomeren verbunden. Die Gene, die bei diesen Krankheiten mutiert sind, spielen jedoch alle eine Rolle bei der Reparatur von DNA-Schäden, und der erhöhte DNA-Schaden kann selbst ein Faktor für die vorzeitige Alterung sein (siehe DNA-Schadenstheorie des Alterns ). Eine zusätzliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Telomerlänge ist ein aktives Forschungsgebiet.

Krebs

Wenn sich Zellen in vitro dem Hayflick-Limit nähern , kann die Zeit bis zur Seneszenz verlängert werden, indem die Tumorsuppressorproteine - p53 und das Retinoblastoma-Protein (pRb) - inaktiviert werden . Zellen , die so verändert wurden, durchlaufen schließlich ein Ereignis, das als "Krise" bezeichnet wird, wenn die Mehrheit der Zellen in der Kultur stirbt. Manchmal hört eine Zelle nicht auf, sich zu teilen, wenn sie eine Krise erreicht. In einer typischen Situation werden die Telomere verkürzt und die chromosomale Integrität nimmt mit jeder weiteren Zellteilung ab. Freiliegende Chromosomenenden werden als Doppelstrangbrüche (DSB) in der DNA interpretiert; ein solcher Schaden wird normalerweise repariert, indem die gebrochenen Enden wieder zusammengefügt (verlegt) werden. Wenn die Zelle dies aufgrund von Telomerverkürzung tut, können die Enden verschiedener Chromosomen aneinander befestigt werden. Dies löst das Problem fehlender Telomere, aber während der Anaphase der Zellteilung werden die fusionierten Chromosomen zufällig auseinandergerissen, was viele Mutationen und Chromosomenanomalien verursacht. Während dieser Prozess fortschreitet, wird das Genom der Zelle instabil. Schließlich werden die Chromosomen der Zelle entweder tödlich geschädigt (durch Apoptose abgetötet ) oder es tritt eine zusätzliche Mutation auf, die die Telomerase aktiviert.

Durch die Telomerase-Aktivierung werden einige Zelltypen und ihre Nachkommen unsterblich (umgehen die Hayflick-Grenze ), wodurch der Zelltod vermieden wird, solange die Bedingungen für ihre Verdoppelung erfüllt sind. Viele Krebszellen gelten als „unsterblich“, weil sie durch die Telomerase-Aktivität viel länger leben als jede andere somatische Zelle, weshalb sie in Kombination mit einer unkontrollierbaren Zellproliferation Tumore bilden können . Ein gutes Beispiel für unsterbliche Krebszellen HeLa - Zellen , die in Laboratorien als Modell verwendet wurden , Zelllinie seit 1951.

Diese Methode zur Modellierung von menschlichem Krebs in Zellkulturen ist zwar effektiv und wird seit vielen Jahren von Wissenschaftlern verwendet, ist aber auch sehr ungenau. Die genauen Veränderungen, die die Bildung der tumorigenen Klone in dem oben beschriebenen Experiment ermöglichen, sind nicht klar. Wissenschaftler gingen dieser Frage durch die serielle Einführung mehrerer Mutationen nach, die bei einer Vielzahl von menschlichen Krebsarten vorkommen. Dies hat zur Identifizierung von Mutationskombinationen geführt, die tumorigene Zellen in einer Vielzahl von Zelltypen bilden. TERT - Aktivierung, Verlust der p53 - Weg - Funktion, Verlust der pRb - Weg - Funktion, die Aktivierung der: Während die Kombination von Zelltyp variiert, werden die folgenden Veränderungen in allen Fällen erforderlich Ras oder myc Proto-Onkogene und Aberration der PP2A - Protein - Phosphatase . Das heißt, die Zelle hat eine aktivierte Telomerase, die den Prozess des Todes durch Chromosomeninstabilität oder -verlust, das Fehlen von Apoptose-Induktionswegen und eine fortgesetzte Mitoseaktivierung eliminiert .

Dieses Krebsmodell in Zellkultur beschreibt genau die Rolle der Telomerase in tatsächlichen menschlichen Tumoren. Die Telomerase-Aktivierung wurde bei ~90% aller menschlichen Tumoren beobachtet, was darauf hindeutet, dass die durch Telomerase verliehene Unsterblichkeit eine Schlüsselrolle bei der Krebsentstehung spielt. Von den Tumoren ohne TERT-Aktivierung verwenden die meisten einen separaten Weg, um die Telomerlänge aufrechtzuerhalten, der als Alternative Verlängerung der Telomere (ALT) bezeichnet wird. Der genaue Mechanismus hinter der Telomererhaltung im ALT-Weg ist unklar, beinhaltet aber wahrscheinlich mehrere Rekombinationsereignisse am Telomer.

Elizabeth Blackburnet al. , identifizierte die Hochregulation von 70 bekannten oder vermuteten Genen für das Krebswachstum und die Ausbreitung im Körper sowie die Aktivierung der Glykolyse , die es Krebszellen ermöglicht, Zucker schnell zu verwenden, um ihre programmierte Wachstumsrate (ungefähr die Wachstumsrate eines Fötus) zu fördern.

Ansätze zur Kontrolle von Telomerase und Telomeren für die Krebstherapie umfassen Gentherapie , Immuntherapie , niedermolekulare und Signalweg-Inhibitoren.

Drogen

Die Fähigkeit, funktionelle Telomere aufrechtzuerhalten, könnte ein Mechanismus sein, der es Krebszellen ermöglicht , jahrzehntelang in vitro zu wachsen . Die Telomerase-Aktivität ist notwendig, um viele Krebsarten zu erhalten, und ist in somatischen Zellen inaktiv , was die Möglichkeit eröffnet, dass die Telomerase-Hemmung das Wachstum von Krebszellen mit minimalen Nebenwirkungen selektiv unterdrücken könnte. Wenn ein Medikament die Telomerase in Krebszellen hemmen kann, verkürzen sich die Telomere aufeinanderfolgender Generationen zunehmend, was das Tumorwachstum einschränkt.

Telomerase ist ein guter Biomarker für die Krebserkennung, da die meisten menschlichen Krebszellen hohe Mengen davon exprimieren. Die Aktivität der Telomerase kann durch ihre katalytische Proteindomäne ( hTERT ) identifiziert werden . Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Telomeraseaktivität. Es wird mit vielen Krebsarten in Verbindung gebracht. Verschiedene mit hTERT- cDNA transformierte Krebszellen und Fibroblasten weisen eine hohe Telomerase-Aktivität auf, während dies bei somatischen Zellen nicht der Fall ist . Zellen, die positiv auf hTERT getestet wurden, haben positive Kernsignale. Epithelisches Stammzellgewebe und seine frühen Tochterzellen sind die einzigen nicht-krebsartigen Zellen, in denen hTERT nachgewiesen werden kann. Da die hTERT-Expression nur von der Anzahl der Tumorzellen in einer Probe abhängt, zeigt die hTERT-Menge die Schwere des Krebses an.

Die Expression von hTERT kann auch verwendet werden, um gutartige von bösartigen Tumoren zu unterscheiden . Bösartige Tumoren haben eine höhere hTERT-Expression als gutartige Tumoren. Echtzeit- Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR), die die hTERT-Expression in verschiedenen Tumorproben quantifizierte, bestätigte diese unterschiedliche Expression.

Abbildung 4:A) Tumorzellen, die hTERT exprimieren, werden einen Teil des Proteins aktiv abbauen und zur Präsentation vorgehen. Der Haupthistokompatibilitätskomplex 1 (MHC1) kann dann das hTERT-Epitot präsentieren. CD8-T-Zellen, die Antikörper gegen hTERT aufweisen, binden dann an das präsentierte Epitot. B) Als Ergebnis der antigenen Bindung setzen die T-Zellen Zytotoxine frei, die von der betroffenen Zelle aufgenommen werden können. C) Diese Zytotoxine induzieren multiple Proteasen und führen zu Apoptose (oder Zelltod).

Der Mangel an Telomerase beeinträchtigt das Zellwachstum nicht, bis die Telomere kurz genug sind, um Zellen zum „Absterben oder Wachstumsstillstand“ zu bringen. Die Hemmung der Telomerase allein reicht jedoch nicht aus, um große Tumore zu zerstören. Es muss mit einer Operation, Bestrahlung , Chemotherapie oder Immuntherapie kombiniert werden .

Zellen können ihre Telomerlänge um nur 50-252 Basenpaare pro Zellteilung reduzieren, was zu einer langen Lag-Phase führen kann .

Immuntherapie

Die Immuntherapie behandelt erfolgreich einige Krebsarten wie das Melanom. Diese Behandlung beinhaltet die Manipulation des Immunsystems eines Menschen , um Krebszellen zu zerstören. Menschen haben zwei wichtige Antigene identifiziert Lymphozyten : CD8 + zytotoxische T-Lymphozyten (CTL) und CD4 + Helfer - T-Lymphozyten , die Zellen zerstören kann. Antigenrezeptoren auf CTL können an eine 9-10 Aminosäurekette binden, die vom Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) präsentiert wird, wie in Abbildung 4 dargestellt. HTERT ist ein potenzielles Zielantigen. Immuntargeting sollte zu relativ wenigen Nebenwirkungen führen, da die hTERT-Expression nur mit Telomerase assoziiert ist und in fast allen somatischen Zellen nicht essentiell ist. GV1001 verwendet diesen Weg. Experimentelle Arzneimittel- und Impfstofftherapien gegen aktive Telomerase wurden in Mausmodellen getestet und klinische Studien haben begonnen. Ein Medikament, Imetelstat , wird derzeit klinisch untersucht, um die Telomerase in Krebszellen zu stören. Die meisten der schädlichen krebsbedingten Wirkungen der Telomerase hängen von einer intakten RNA-Matrize ab. Krebsstammzellen, die eine alternative Methode zur Erhaltung der Telomere verwenden, werden immer noch abgetötet, wenn die RNA-Matrize der Telomerase blockiert oder beschädigt wird.

Telomerase-Impfstoffe

Zwei Telomerase-Impfstoffe wurden entwickelt: GRNVAC1 und GV1001 . GRNVAC1 isoliert dendritische Zellen und die RNA, die für das Telomerase-Protein kodiert, und gibt sie dem Patienten zurück, um zytotoxische T-Zellen herzustellen , die die Telomerase-aktiven Zellen abtöten. GV1001 ist ein Peptid aus dem aktiven Zentrum von hTERT und wird vom Immunsystem erkannt, das darauf reagiert, indem es die Telomerase-aktiven Zellen abtötet.

Gezielte Apoptose

Abbildung 5: A) Humane Telomerase-RNA (hTR) ist in der Zelle vorhanden und kann gezielt angesteuert werden. B) 2-5 Anti-hTR-Oligonukleotide ist ein spezialisiertes Antisense-Oligo, das an die Telomerase-RNA binden kann. C) Nach der Bindung rekrutiert das 2-5 anti-hTR-Oligonukleotid RNase L für die Sequenz. Nach der Rekrutierung erzeugt die RNase L eine einzelne Spaltung in der RNA (D) und bewirkt eine Dissoziation der RNA-Sequenz.

Ein weiterer unabhängiger Ansatz besteht darin, oligoadenylierte Anti-Telomerase-Antisense- Oligonukleotide und -Ribozyme zu verwenden, um auf Telomerase-RNA abzuzielen, wodurch Dissoziation und Apoptose reduziert werden (Fig. 5). Die schnelle Induktion der Apoptose durch Antisense-Bindung kann eine gute Alternative zur langsameren Telomerverkürzung sein.

Kleine interferierende RNA (siRNA)

siRNAs sind kleine RNA-Moleküle, die den sequenzspezifischen Abbau anderer RNAs induzieren. Die siRNA-Behandlung kann ähnlich wie die traditionelle Gentherapie funktionieren, indem sie die mRNA-Produkte bestimmter Gene zerstört und somit die Expression dieser Gene verhindert. Eine Studie aus dem Jahr 2012 ergab, dass das Targeting von TERC mit einer siRNA die Telomerase-Aktivität um mehr als 50 % reduzierte und zu einer verminderten Lebensfähigkeit unsterblicher Krebszellen führte. Die Behandlung sowohl mit siRNA als auch mit Bestrahlung führte bei Mäusen zu einer stärkeren Verringerung der Tumorgröße als die Behandlung mit alleiniger Bestrahlung, was darauf hindeutet, dass die gezielte Telomerase-Behandlung ein Weg sein könnte, die Wirksamkeit der Bestrahlung bei der Behandlung strahlenresistenter Tumore zu erhöhen.

Herzkrankheiten, Diabetes und Lebensqualität

Blackburn entdeckte auch, dass Mütter, die sehr kranke Kinder betreuen, kürzere Telomere haben, wenn sie berichten, dass ihr emotionaler Stress maximal ist und dass Telomerase an der Stelle von Blockaden im Koronararteriengewebe aktiv war und möglicherweise Herzinfarkte beschleunigte.

Im Jahr 2009 wurde gezeigt, dass die Telomeraseaktivität nach psychischem Stress signifikant zunimmt. In der gesamten Patientenstichprobe stieg die Telomerase-Aktivität in mononuklearen Zellen des peripheren Blutes eine Stunde nach dem Ende der Belastung um 18%.

Eine Studie aus dem Jahr 2010 ergab, dass nach einem dreimonatigen Meditationsretreat bei den Teilnehmern eine „signifikant höhere“ Telomeraseaktivität auftrat als bei den Kontrollpersonen.

Telomerasemangel wurde bei Mäusen mit Diabetes mellitus und einer beeinträchtigten Insulinsekretion aufgrund des Verlustes von insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse in Verbindung gebracht.

Seltene menschliche Krankheiten

Mutationen in TERT wurden 2005 mit der Prädisposition von Patienten für aplastische Anämie in Verbindung gebracht , eine Erkrankung, bei der das Knochenmark keine Blutzellen produziert.

Das Cri-du-Chat-Syndrom (CdCS) ist eine komplexe Erkrankung, bei der der distale Teil des kurzen Arms von Chromosom 5 verloren geht. TERT befindet sich in der deletierten Region, und der Verlust einer Kopie von TERT wurde als Ursache oder beitragender Faktor vorgeschlagen dieser Krankheit.

Dyskeratosis congenita (DC) ist eine Erkrankung des Knochenmarks , die durch einige Mutationen in den Telomerase-Untereinheiten verursacht werden kann. In den DC-Fällen sind etwa 35 % der Fälle X-chromosomal - rezessiv am DKC1-Locus und 5 % der Fälle sind autosomal- dominant an den TERT- und TERC-Loci.

Patienten mit DC haben ein schweres Knochenmarkversagen, das sich in abnormer Hautpigmentierung , Leukoplakie (einer weißen Verdickung der Mundschleimhaut) und Nageldystrophie sowie einer Vielzahl anderer Symptome manifestiert . Personen mit entweder TERC- oder DKC1-Mutationen haben in vitro im Vergleich zu anderen Personen gleichen Alters kürzere Telomere und eine defekte Telomeraseaktivität .

In einer Familie waren autosomal-dominante DC mit einer heterozygoten TERT-Mutation verbunden. Diese Patienten zeigten auch eine erhöhte Rate an Telomerverkürzung und genetischer Antizipation (dh der DC-Phänotyp verschlechterte sich mit jeder Generation).

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links