Telomeraza: funkcija, mehanizem in vloga pri staranju ter raku
Telomeraza: kako podaljša telomere, vpliv na staranje in raka — mehanizem, terapije in najnovejše raziskave za boljše zdravje.
Telomeraza je beljakovina RNK, ki je encim z aktivnostjo reverzne transkriptaze in deluje kot ribonukleoproteinski kompleks. Njena naloga je dodajanje ponovitev na konce linearnih kromosomov v območjih, imenovanih telomer, s čimer prepreči postopno izgubo genetske informacije. Telomeraza razširja 3' konec DNA z uporabo svoje notranje molekule RNK, ki služi kot predloga za sintezo ponovitev (pri vretenčarjih so te ponovitve tipično "TTAGGG"; v izvirnem zapisu je prikazano "TTAGGGG").
Struktura in osnovni mehanizem
Telomeraza je sestavljena iz dveh osnovnih komponent:
- proteinske katalitične podenote, imenovane TERT (telomerazna reverzna transkriptaza),
- in ne-kodirne RNA (TER ali TERC), ki vsebuje sekvenco, uporabljeno kot predloga za sintezo telomernih ponovitev.
Vloga telomer v celicah
Telomere so zaščitni končni segmenti evkariontskih kromosomov, sestavljeni iz številnih ponavljajočih se nukleotidov, ki vsebujejo nekodirajočo DNK in vezavne proteine. Med procesom kopiranja kromosoma se zaradi nepopolne replikacije linearnih koncev izgubi približno 100–200 nukleotidov; ta izguba sama po sebi običajno ne škoduje večini kodirajoče DNK, vendar vodi do postopnega krajšanja telomer. Ko telomere postanejo prekratke, celica prepozna kromosomske konce kot poškodbo DNA in lahko vstopi v senescenco ali apoptozo.
Telomeraza in staranje
Skrčenje telomer je pomemben mehanizem, ki omejuje število delitev somatskih celic — ta pojav je bil napovedan že leta 1973 s strani Alekseja Olovnikova, ki je predlagal hipotezo o staranju telomer in njihovi povezavi z rakom. V celicah z nizko ali odsotno aktivnostjo telomeraze (npr. večina zrelih somatskih tkiv) telomeraza ne more povsem nadomestiti izgube in zato pride do postopnega staranja celic oziroma do omejitve delitvene sposobnosti (Hayflickov limit). Vstavitev ali povečana aktivnost telomeraze v nekaterih modelih lahko podaljša življenjsko dobo celic, vendar to prinaša tveganja, povezana s povečano možnostjo malignih transformacij.
Vloga pri raku
Veliko malignih tumorjev obnavlja ali ohranja dolžino telomer predvsem z reaktivacijo telomeraze — to omogoča neomejeno delitev in "nesmrtnost" rakavih celic. Reaktivacija je lahko posledica povečane ekspresije TERT, mutacij v TERT-promotorju ali drugih molekularnih sprememb. Poleg telomeraze obstaja tudi alternativni mehanizem podaljševanja telomer, imenovan ALT (alternative lengthening of telomeres), ki temelji na homologni rekombinaciji. Zaradi ključne vloge telomeraze pri raku je cilj mnogih raziskav razvoj inhibitorjev telomeraze kot onkoloških zdravil, vendar je to področje kompleksno zaradi vpliva na normalne celice, kjer je telomeraza pomembna (germline, matične celice).
Klinčni pomen in bolezni
Mutacije v genih, povezanih s telomerazo (npr. geni za TERT ali TERC), so povezane s horozontom bolezni, kot so diskeratoza congenita, idiopatska pljučna fibroza in nekatere krvne odpovedi — bolezni, pri katerih pride do prezgodnje izrabe matičnih celic in kratkih telomer. V onkologiji so spremembe v regulaciji telomeraze pomemben prognostični in terapevtski cilj. Nekatera zdravila, kot je imetelstat (inhibitor telomeraze), so bila testirana v kliničnih študijah, vendar ostaja izziv uravnotežiti učinkovitost proti raku z neželenimi učinki na normalna tkiva.
Odkritje in zgodovina
Obstoj kompenzacijskega mehanizma za skrajševanje telomer je leta 1973 napovedal sovjetski biolog Aleksej Olovnikov. Telomerazo sta leta 1984 pri ciliatih Tetrahymena odkrili Carol Greider in Elizabeth Blackburn. Greiderjeva in Blackburnova sta skupaj z Jackom Szostakom za svoje odkritje leta 2009 prejeli Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino.
Metode proučevanja
Aktivnost telomeraze se lahko meri z assayem TRAP (telomeric repeat amplification protocol) in z molekularnimi tehnikami za merjenje dolžine telomer (npr. Southern blot za terminalne restrikcijske fragmente, qPCR, FISH). Raziskave še naprej poskušajo razumeti regulacijo telomeraze v različnih tkivih in razviti varne ter učinkovite terapevtske pristope.
Ker so telomere in telomeraza tesno povezane s procesi deljenja celic, staranja in tumorogeneze, ostajajo osrednji predmet biomedicinskih raziskav — tako s pogledom v razumevanje osnovne biologije kot tudi pri iskanju novih načinov zdravljenja bolezni.
Konceptualni diagram, ki prikazuje beljakovinsko komponento telomeraze (TERT) v sivi barvi in komponento RNK (TR) v rumeni barvi
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je telomeraza?
O: Telomeraza je beljakovinski encim RNK, ki dodaja ponovitve zaporedja DNK na konec verig DNK v območjih telomer.
V: Kaj so telomere?
O: Telomere so varovala za enkratno uporabo, ki blokirajo konce evkariontskih kromosomov. Sestavljeni so iz ponavljajočih se nukleotidov, ki vsebujejo nekodirajočo DNK.
V: Kakšna je funkcija telomer?
O: Telomere preprečujejo izgubo pomembne DNK s koncev kromosomov, tako da nadomestijo 100-200 nesmiselnih nukleotidov, izgubljenih med vsakim ciklom replikacije.
V: Kdo je prvi predvidel kompenzacijski mehanizem za skrajševanje telomer?
O: Sovjetski biolog Aleksej Olovnikov je leta 1973 prvi napovedal kompenzacijski mehanizem za skrajševanje telomer.
V: Kdo je odkril telomerazo?
O: Carol Greider in Elizabeth Blackburn sta telomerazo odkrili leta 1984 pri ciliatih Tetrahymena.
V: Za kaj so bile Greider, Blackburn in Szostak nagrajene?
O: Greider, Blackburn in Szostak so leta 2009 za odkritje telomeraze prejele Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino.
V: Kako telomeraza deluje? O: Telomeraze nosijo lastno molekulo RNK, ki deluje kot predloga za podaljševanje skrajšanih telomer po vsakem replikacijskem ciklu.
Iskati