Telomer - genetyka - Polski Serwis Naukowy

Telomer – fragment chromosomu, zlokalizowany na jego końcu, który zabezpiecza go przed uszkodzeniem podczas kopiowania. Telomer skraca się podczas każdego podziału komórki. Proces ten, będący "licznikiem podziałów" chroni komórki przed nowotworzeniem, ale przekłada się na proces starzenia się.

Starzenie się to zmniejszenie zdolności do odpowiedzi na stres środowiskowy, które pojawia się w organizmach wraz z upływem czasu, naturalne i nieodwracalne nagromadzenie się uszkodzeń wewnątrzkomórkowych, przerastające zdolności organizmu do samonaprawy. Starzenie się powoduje utratę równowagi wewnętrznej organizmu, co zwiększa ryzyko wystąpienia chorób. Prowadzi do upośledzenia funkcjonowania komórek, tkanek, narządów i układów, zwiększa podatność na choroby (np. choroby krążenia, Alzheimera, nowotwory), wreszcie prowadzi do śmierci.

Limit Hayflicka - maksymalna liczba podziałów komórkowych. Leonard Hayflick w 1965 zaobserwował, że komórki w hodowli są w stanie podzielić się ograniczoną ilość razy, a im bliżej limitu, tym więcej oznak starzenia wykazują. Jest to efekt skracania się telomerów w chromosomach przy każdym podziale komórki. Limit Hayflicka jest uważany za jedną z przyczyn starzenia się.

Telomer to element strukturalny chromosomu zapewniający mu stabilność. Każdy chromosom ma dwa telomery umiejscowione na jego końcach. W każdej komórce człowieka występują w sumie 92 telomery. Telomer zbudowany jest z kilku tysięcy zasad nukleinowych i związanych z nimi białek. Sekwencja składająca się na telomer człowieka zbudowana jest z nukleotydów: TTAGGG (gdzie T=tymina, A=adenina, G=guanina). Telomer nie zawiera żadnych genów i nie koduje żadnych białek. Zasady nukleinowe na końcu telomeru ułożone są na kształt "koniczyny", zawierającej dużą liczbę guaniny. Sekwencja nukleotydów w telomerze jest niezmienna i powtarzalna. U ludzi i innych kręgowców sekwencja ta jest taka sama. W miarę posuwania się w stronę geometrycznego środka chromosomu sekwencja zaczyna ulegać subtelnym zmianom – jest to tak zwany obszar subtelomerowy. Jest to obszar zawierający zarówno sekwencje niekodujące jak i kodujące. Przykładem sekwencji kodującej jest sekwencja Y'(Y' element) u Saccharomyces cerevisiae, która koduje helikazę RNA. Sekwencje występujące w obszarze subtelomerowym mogą stopniowo coraz mniej przypominać podstawową. Zamiast powtórzeń TTAGGG mogą pojawiać się podjednostki takie jak TAGGG, TTTGGG, TTAAGG itp. Telomer i obszar subtelomerowy tworzą wspólnie tzw. końcowy fragment restrykcyjny (ang. TRF – terminal restriction fragment). W miarę posuwania w stronę środka chromosomu sekwencje stają się coraz bardziej różnorodne, aż stają się unikatowe i bardzo złożone i zaczynają kodować białka. Są to pierwsze geny, tzw. geny okołotelomerowe.

Polimerazy (EC 2.7.7.6/7/19/48/49) – enzymy mające zdolność syntezy nici komplementarnej na matrycy pojedynczej nici kwasu nukleinowego. Polimerazy występują u wszystkich organizmów żywych.

Euchromatyna to rozluźniona forma chromatyny. Zawiera głównie geny aktywne transkrypcyjnie. W wyniku kondensacji euchromatyny dochodzi do powstania chromatyny zwartej (heterochromatyny), która w okresach wzmożonej aktywności transkrypcyjnej może ponownie przekształcać się (dekondensować) w chromatynę luźną.

Długość telomeru zależy od wieku organizmu.

Historia odkrycia telomerów

Początek

Terminu tego pierwszy raz użył w roku 1939 Hans Muller, na piętnaście lat przed opublikowaniem odkryć Jamesa Watsona i Francisa Cricka. Nazwa, którą nadał swemu odkryciu (stgr. τέλος telos "koniec" + μέρος meros "część") sugeruje, że wiedział, jaką pełnią funkcję w chromosomie. Co więcej, dowiódł, że telomer zabezpiecza końce chromosomu przed niszczeniem.

Heterochromatyna jest częścią chromatyny w jądrze interfazowym, w której nić DNA jest szczególnie mocno upakowana. Jej cechą charakterystyczną jest ograniczenie udziału w procesie transkrypcji co ma wpływ na ekspresję genów.

Białko p53 – czynnik transkrypcyjny o własnościach supresora nowotworowego. Białko p53 jest zaangażowane w regulację wielu procesów komórkowych, a w szczególności aktywacji mechanizmów naprawy DNA lub indukcji apoptozy w odpowiedzi na uszkodzenia DNA.

Wczesne badania

W latach 40. XX wieku Barbara McClintock dowiodła, że chromosomy pozbawione telomerów zlepiają się i łączą w nieprawidłowy sposób z innymi chromosomami, co więcej nieprawidłowo rozdzielają w czasie podziału komórki.

Telomer

Problem replikacji końca

W 1972 roku James Watson wykazał, że normalny chromosom podczas duplikacji powinien ulegać skróceniu. Nazwał to problemem replikacji końca. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, należy uświadomić sobie, że nić DNA jest kopiowana (replikacja DNA) tylko w jednym kierunku. Proces ten rozpoczyna komplet primerów, które przyczepiają się do pojedynczej nici w kilku miejscach naraz i rozpoczynają kopiowanie. Sam primer niczego nie kopiuje, ale uruchamia proces replikacji poprzez uaktywnienie polimerazy DNA. Polimeraza kopiuje nić, przesuwając się wzdłuż niej, podczas gdy primery oddzielają zreplikowane fragmenty. Przy każdej replikacji miejsce przyczepu primera najbliższego telomerowi nie może zostać skopiowane, ponieważ polimeraza nie może się cofać. W efekcie replikacji towarzyszyć powinno skracanie chromosomu, w wyniku skracania nici potomnych.

p21 (CDKN1A, CIP1, WAF1, ang. cyclin-dependent kinase inhibitor 1A, CDK-interacting protein 1, wildtype p53-activated fragment 1) - białko kodowane przez gen CDKN1A w locus 6p21.2.

Para zasad (pz lub bp z (ang.) base pair) - w biologii molekularnej - komplementarne, połączone wiązaniami wodorowymi zasady azotowe nukleotydów dwóch różnych nici kwasu nukleinowego. W parach zasad podaje się długość cząsteczek DNA.

Przykład

Wyobraźmy sobie dwie jednokierunkowe nitki szosy (nici DNA), biegnące w przeciwnych kierunkach między miastem A (3') i B (5'). Maszyny asfaltujące (polimeraza) mogą pracować tylko w jednym kierunku (od miasta A do miasta B - od końca 3' do 5') i żeby rozpoczęły muszą stać na już wykonanym fragmencie asfaltu. Ponieważ maszyny mogą pracować tylko w jednym kierunku, nie mogą cofnąć się, żeby zaasfaltować fragment, na którym stała maszyna rozpoczynając pracę. W związku z tym droga, w wyniku jej asfaltowania, skraca się o mały fragment, znajdujący się na jednym z końców.

Język grecki klasyczny, inaczej greka klasyczna - stadium rozwojowe języka greckiego, używanego w okresie klasycznym (500 r. p.n.e. - 350 r. p.n.e.) starożytnej Grecji. Był to jeden z ważniejszych języków starożytności, rozpowszechniony na znacznych obszarach Półwyspu Bałkańskiego i Azji Mniejszej oraz na Cyprze. Dzisiaj ten język można studiować na filologii klasycznej. Był to język bogatej literatury, w okresie klasycznym działali Tukidydes, Arystofanes, Platon, mówcy ateńscy.

Polimeraza DNA - enzym katalizujący syntezę DNA w czasie replikacji lub naprawy DNA. Synteza ta polega na polimeryzacji deoksyrybonukleotydów przez wytwarzanie wiązań fosfodiestrowych między nimi. Substratami do tej reakcji są nukleotydy trójfosforanowe, a jej produktem ubocznym jest pirofosforan, złożony z dwóch reszt fosforanowych. Dlatego składnikami DNA są nukleotydy jednofosforanowe (monofosforanowe). Większość polimeraz DNA wymaga matrycy, w formie jednoniciowego DNA lub RNA, z krótkim obszarem dwuniciowym. Odcinek dwuniciowy powstaje przez przyłączenie się do jednoniciowej matrycy krótkiego komplementarnego do matrycy odcinka DNA lub RNA, zwanego primerem lub starterem (zwykle ma długość od kilku do ok. 20 nukleotydów).

Dalsze badania

Na podstawie badań Watsona radziecki uczony Aleksiej Ołownikow wysnuł hipotezę, że długość chromosomu może się wiązać z procesem starzenia komórkowego. Jego wywód został przełożony z rosyjskiego na angielski po dwóch latach i dopiero wówczas zainteresował się tym zagadnieniem Cal Harley. Mniej więcej w tym samym czasie Liz Blackburn zsekwencjonowała telomery kilku gatunków zwierząt. W 1986 roku Howard Cooke odkrył, że telomery komórek somatycznych są znacznie krótsze niż telomery komórek linii płciowej. W 1988 roku Robin Allshire ustaliła sekwencję telomeru człowieka, a Carol Greider ustaliła wiek różnych telomerów. Okazało się, że młodsze są dłuższe.

Chromosomy homologiczne - chromosomy o tym samym kształcie i wielkości zawierają podobną informację genetyczną, czyli geny. Geny te jednak mogą występować w innych postaciach, czyli allelach. Jeden chromosom w parze pochodzi od ojca, a drugi od matki.

Francis Harry Compton Crick (ur. 8 czerwca 1916 roku w Northampton, Anglia, Wielka Brytania, zm. 28 lipca 2004, w San Diego, Kalifornia, Stany Zjednoczone) – angielski biochemik, genetyk i biolog molekularny, który wraz z Jamesem D. Watsonem i Rosalindą Franklin odkrył strukturę molekularną kwasu deoksyrybonukleinowego DNA. Pracownik naukowy Laboratorium Biologii Molekularnej na Uniwersytecie Cambridge, członek Towarzystwa Królewskiego w Londynie.

Telomery w zdrowych komórkach

Tempo skracania telomeru

W chwili zapłodnienia, telomer ma długość ok. 10 kpz. Do chwili narodzin skraca się do 5 kpz (osiemset powtórzeń sekwencji TTAGGG). Obszar subtelomerowy i telomerowy mają łącznie w chwili zapłodnienia 15 kpz, a w chwili narodzin dziecka – 10 kpz.

Chromosom – forma organizacji materiału genetycznego wewnątrz komórki. Nazwa pochodzi z greki, gdzie χρῶμα (chroma, kolor) i σῶμα (soma, ciało). Chromosomy rozróżniano poprzez wybarwienie.

Nowotwór (łac. neoplasma, skrót npl – z greckiego neoplasia) – grupa chorób, w których komórki organizmu dzielą się w sposób niekontrolowany przez organizm, a nowo powstałe komórki nowotworowe nie różnicują się w typowe komórki tkanki. Utrata kontroli nad podziałami jest związana z mutacjami genów kodujących białka uczestniczące w cyklu komórkowym: protoonkogenami i antyonkogenami. Mutacje te powodują, że komórka wcale lub niewłaściwie reaguje na sygnały z organizmu. Powstanie nowotworu złośliwego wymaga kilku mutacji, stąd długi, ale najczęściej bezobjawowy okres rozwoju choroby. U osób z rodzinną skłonnością do nowotworów część tych mutacji jest dziedziczona.

Średniej wielkości chromosom zawiera 130 milionów par zasad (130 Mpz), a gen zawiera około 120 tysięcy par zasad (120 kpz). Porównanie to pokazuje, jak niewielki fragment chromosomu stanowi telomer.

Funkcje telomeru

Telomer ma cztery zasadnicze funkcje:

ochronę końca chromosomu przed uszkodzeniem lub nieprawidłową rekombinacją,
umożliwienie całkowitej replikacji chromosomu,
nadzorowanie ekspresji genów,
wspomaganie organizacji chromosomów w trakcie podziałów komórki.

Dodatkowo, jak wynika z wcześniejszych rozważań, telomer spełnia rolę zegara komórkowego. Być może również ułatwia ustawianie się parami chromosomów homologicznych. Dwie pierwsze funkcje są niezbędne dla bezbłędnego dziedziczenia. Pozostałe umożliwiają kontrolowany dostęp do genów. W związku z problemem replikacji końca, kluczowe znaczenie ma oczywiście funkcja druga. Bez systematycznego skracania telomerów redukcji musiałby ulegać obszar kodujący, a to oczywiście prowadziłoby do zniszczenia i utraty genów. Trzecia funkcja – nadzorowanie ekspresji genów leżących w pobliżu końca chromosomu nie została jeszcze w pełni zbadana. Faktem jest, że skracanie telomeru wywołuje zmiany ekspresji genów.

Carol W. Greider (ur. 15 kwietnia 1961 w San Diego) – amerykańska biolog molekularna, profesor Johns Hopkins University, razem z Elizabeth Blackburn dokonała w 1984 odkrycia enzymu telomerazy. Prowadziła pionierskie badania nad telomerami. Razem z Elizabeth Blackburn i Jackiem W. Szostakiem została uhonorowana Nagrodą Nobla w 2009 roku.

Ekspresja genu (ang. gene expression) – proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty, które są białkami lub różnymi formami RNA.

Telomery a proces starzenia

Zegar telomerowy

Ponieważ wszystkie procesy zachodzące w komórce wymagają obecności białek, zmiana ekspresji genów powoduje zmiany ilości wytwarzanych białek. Komórki stare przestają się dzielić, bo zaczyna w nich brakować białek umożliwiających podziały, a komórki rakowe dzielą się, choć powinny przestać.

Replikacja DNA to proces endoenergetyczny, w którym podwójna nić DNA (podwójna helisa) ulega skopiowaniu. Replikacja jest semikonserwatywna (półzachowawcza) - w każdej z dwóch uzyskanych podwójnych nici DNA będzie jedna nić macierzysta i jedna nowa. Nie licząc niewielkiego prawdopodobieństwa (ok. 1 błąd na 109 nukleotydów, dla porównania błąd transkrypcji - 1 na 104) wystąpienia błędu obie cząsteczki DNA będą identyczne.

Kwas deoksyrybonukleinowy (dawn. kwas dezoksyrybonukleinowy), w skrócie DNA (od ang. Deoxyribonucleic acid) – wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych. Występuje w chromosomach i pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.

Chromosom może występować w dwóch zasadniczych postaciach: w postaci euchromatyny, gdy geny są łatwo dostępne, i heterochromatyny, gdy geny są ściśle upakowane i "schowane". Wydaje się, że długi telomer sprzyja "maskowaniu" genów okołotelomerowych, a więc jego skracanie powoduje z czasem ich uaktywnienie. Ich działanie ujawnia się w starszych komórkach i może polegać np. na zmniejszeniu produkcji czynnika EF (ang. elongation factor), odpowiedzialnego za wydłużanie łańcucha białkowego. To może zmniejszać tempo procesów w organizmie. W efekcie zmniejszanie "okrywy" telomerowej może powodować zwiększanie ekspresji jednych genów i zmniejszanie ekspresji innych. Organizm funkcjonuje wolniej, tempo przemiany materii zmniejsza się, tkanki i narządy zaczynają się starzeć.

Tymina - 5-metylo-2,4-dioksypirymidyna - C5H6N2O2 - jest jedną z podstawowych części DNA. Tymina (T) łączy się z adeniną (A) w DNA a w RNA zastąpiona jest uracylem (U).

James Dewey Watson (ur. 6 kwietnia 1928 w Chicago, Illinois, USA), genetyk i biochemik amerykański. W marcu 1953, mając 25 lat, wraz z F.H.C. Crickiem i Rosalind Franklin, opracował w Laboratorium Cavendisha model budowy przestrzennej podwójnej helisy DNA, za co, wraz z Crickiem i M.H.F. Wilkinsem, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii za rok 1962. W czerwcu 2008 odwiedził Polskę.

W zasadzie telomer stabilizuje chromosom tak długo, jak długo istnieje. Można jednak wyobrazić sobie sytuację, gdy telomer przestaje istnieć. Zmiany wówczas zachodzące w komórce są bardziej gwałtowne i spektakularne niż w przypadku opisanym wyżej. Chromosomy bez telomerów mogą zlepiać się z innymi chromosomami, ale także z białkami DDBP (ang. damaged DNA binding proteins), których zadaniem jest wykrywanie uszkodzeń DNA, a co za tym idzie zapobieganie dziedziczeniu uszkodzonego materiału genetycznego. Gdy telomer znika i dochodzi do odsłonięcia ostatnich sekwencji TTAGGG, białka DDBP gromadzą się na uszkodzonym chromosomie, a tym samym stają się niedostępne dla reszty komórki. Inne białka, normalnie regulowane obecnością DDBP, zaczynają się uaktywniać. Są to białka regulatorowe, takie jak p53, CDK2, cyklina E, p21. Zaczyna się lawina zdarzeń mających doprowadzić do zatrzymania cyklu komórkowego, dzięki czemu nie dochodzi do replikacji uszkodzonego DNA.

Guanina (2-amino-6-oksypuryna) – aromatyczny związek heterocykliczny należący do grupy puryn. Związek ten będąc pochodną puryny opiera się na połączonym pierścieniu pirymidynowo-imidazolowym zawierającym sprzężony układ wiązań podwójnych. Guanina jest jedną z podstawowych jednostek budujących kwasy nukleinowe (DNA i RNA). W kwasach nukleinowych tworzy komplementarną parę z cytozyną (C).

Cykl komórkowy lub cykl podziału komórki jest serią zdarzeń, które zachodzą w komórce eukariotycznej, prowadząc do jej podziału. Ogólnie zdarzenia te można podzielić na 2 krótkie okresy: interfazę - w trakcie której komórka wzrasta, gromadząc składniki odżywcze niezbędne do mitozy i podziału swojego materiału genetycznego (DNA); fazę mitotyczną (M) - podczas której komórka dzieli się na 2 oddzielne komórki, zwane komórkami potomnymi. Cykl komórkowy jest procesem życiowym, który umożliwia jednokomórkowej zygocie rozwinąć się w dojrzały organizm, jak również procesem, dzięki któremu skóra, włosy, komórki krwi i niektóre inne narządy wewnętrzne ulegają odnowie.

Na skutek powyższych zależności, większość komórek umiera z chwilą osiągnięcia wieku określanego tzw. limitem Hayflicka, jednak część komórek (mniej więcej jedna na 3 mln) zaczyna wytwarzać telomerazę - enzym zdony do rekonstrukcji telomerów - i staje się komórką rakową. Wydłużony na nowo telomer przestaje przyłączać cząsteczki DDBP, a komórka zaczyna się dzielić. Zachowuje tę zdolność tak długo, jak długo ma telomery. Pojawiły się hipotezy, że w takim razie wystarczy komórki rakowe pozbawić telomerazy, by zatrzymać proces rakowacenia. Niestety, inne doniesienia mówią, że zaawansowane stadia niektórych nowotworów, nie zawierają telomerazy.