Nové objevy ve výzkumu telomer

Telomery jsou koncové úseky eukaryotních chromozomů, které jsou tvořeny specifickými opakujícími se sekvencemi. Tedy alespoň podle strohé biologické definice... Ve skutečnosti jsou telomery úžasně dynamické struktury, jejichž stavba a funkce již po pěknou řádku let fascinuje vědce z celého světa. Dnes už víme, že telomery hrají v životě buňky mnoho důležitých rolí, například během buněčného dělení, ale také v nežádoucím procesu maligní transformace. Poslední studie mezinárodního týmu vědců nyní přináší nové poznatky o strukturách chránících tyto „konce chromozomů".

Molekula DNA není v lidských buňkách jako jediná lineární molekula. Místo toho je rozdělená na 23 párů (či chcete-li 46 kusů), které existují v buňce samostatně. Tyto jednotlivé molekuly DNA tvoří spolu s proteinovými komplexy struktury, které známe pod běžným názvem chromozomy (Gardner a Sutherland, 2004).  Klasický obrázek eukaryotního chromozomu si všichni dobře pamatujeme z hodin biologie. Připomíná mašličku, která je veprostřed zaškrcena na dvě části. Toto „primární zaškrcení", či chcete-li primární konstrikce, se označuje jako centromera a zmíněné dvě části pak nazýváme (podle jejich délky) krátkým a dlouhým ramenem chromozomu (Gardner a Sutherland, 2004). Telomery je na takovémto obrázku velmi snadné přehlédnout - vždyť to jsou „pouhé konce chromozomů". Ve skutečnosti jsou ovšem telomery mnohem více a pozornost si určitě zaslouží.

Z hlediska stavby jsou telomery tvořeny nukleoproteinovým komplexem - tedy DNA a skupinou různých proteinů (Samassekou et al., 2010). DNA složka telomer je tvořena specifickými repetitivními sekvencemi - tedy úseky určité sekvence DNA, které se neustále opakují. Repetitivních sekvencí známe vícero druhů a vyskytují se na mnoha místech v lidském genomu. Konkrétně v případě telomer se neustále opakuje nukleotidová sekvence 5'-TTAGGG-3' (Donate a Blasco, 2011). Telomera je zakončena určitým přesahem (tzv. 3'-overhang) jednoho vlákna jinak dvouřetězcové DNA (Samassekou et al., 2010).  Proteinovou složku tvoří skupina šesti proteinů (mezi nimi jsou zmiňovány například proteiny TRF1 či TRF2), které dohromady tvoří tzv. sheletrin complex, tedy strukturu chránící telomeru před degradací a podílejí se i na dalších procesech (Donate a Blasco, 2011).

Při replikaci DNA (což je nezbytná součást buněčného dělení) však na koncích molekuly DNA dochází k určitému problému, neboť DNA-polymeráza (tedy enzym, který je za replikaci DNA odpovědný) není schopná provést replikaci volné části telomery až do úplného konce (Samassekou et al., 2010). Po ukončení replikace se tak pokaždé určitý úsek telomery „ztratí" a celá struktura se tak o něco zkrátí. V průběhu života organizmu se tak s narůstajícím počtem uskutečněných buněčných dělení zkracuje i délka telomer v jednotlivých buňkách. Délka telomer hraje velmi důležitou roli v životě buňky, příliš krátké telomery jsou jakýmsi markerem stáří buňky a de facto i „začátkem konce" buňky, která se již dále nebude dělit a zanikne (Donate a Blasco, 2011). Telomery tak mají pravděpodobně přímou spojitost s procesem stárnutí jako takovým. Již v polovině 20. století formulovali Hayflick a Moorhead teorii, podle které mohou buňky během svého života provést pouze určitý počet buněčných dělení - zhruba 50-80 (Hayflick a Moorhead, 1961). Tento limit určitého počtu buněčných dělení se dnes (podle svého objevitele) také nazývá Hayflickův limit (Samassekou et al., 2010).

Existují ovšem buňky, které se v organizmu dělí prakticky neustále a podobný limit by je silně omezoval. Jsou to například kmenové buňky (například kmenové buňky krvetvorné kostní dřeně), ale i buňky nádorové, které si s nějakými limity pro počet buněčných cyklů (bohužel...) opravdu hlavu nelámou. Třetí skupinou jsou poté buňky dělící se v průběhu embryonálního vývoje jedince, kdy dochází rovněž k velkému množství buněčných dělení (Donate a Blasco, 2011). Musí tak existovat i mechanizmus, který umožní zkracování telomer nějak obejít a tím je specifický enzym telomeráza. Telomeráza je komplex proteinů, který má schopnosti RNA-dependentní DNA-polymerázy (tedy schopnosti reverzní transkriptázy) a má unikátní schopnost prodlužovat konce telomer a zvrátit tak jejich zkracování (Donate a Blasco, 2011). Aktivita telomerázy je ovšem přísně regulovaná a omezená pouze na určité typy buněk (již zmíněné embryonální a dospělé kmenové buňky). Pokud dojde k aktivaci telomerázy i v jiných buňkách, může to napomoci kompletnímu odbrzdění buněčného dělení a buňka se bude jako nádorová neomezeně množit - což je stav jistě nežádoucí (Samassekou et al., 2010).

Jak je vidět, telomery jsou opravdu mnohem důležitější, než by se mohlo na první pohled zdát. Jelikož hrají roli v procesech jakým je stárnutí, embryonální vývoj či vznik nádorového bujení, není divu, že jsou stále předmětem intenzivního výzkumu po celém světě. Nová studie od mezinárodního týmu vědců (Smith et al., 2011) nám přináší nové poznatky o komplexní struktuře telomerového komplexu (konkrétně nám přibližují úlohu G4 DNA v tomto komplexu). G4 DNA neboli G-kvadruplexová DNA je nový a relativně málo známý pojem, proto se o něm krátce zmíníme. Kromě klasické dvoušroubovice, která byla popsána již před více jak 50 lety Watsonem a Crickem, existují i další prostorové konformace molekuly DNA - jmenovitě například právě G-kvadruplexová DNA, představující typ sekundární struktury DNA (Wu a Brosh, 2010).

Dnes máme již k dispozici řadu údajů o tom, jak se G4 DNA chová in vitro, ovšem stále nevíme, jak často a za jakým účelem dochází k formaci G-kvadruplexů v živých buňkách, tedy in vivo (Lane et al. 2008). Spojitost telomer a G4 DNA struktur již byla několikrát zmiňována (Lane et al. 2008; Wu a Brosh, 2010), konkrétní aplikace jsou však i nadále předmětem výzkumu. Proto je citovaná studie natolik zajímavá, protože přináší konkrétní důkazy o úloze G4 DNA v živých buňkách. Vědci pracovali s modelovým organizmem (kvasinka druhu Saccharomyces cerevisiae) a podařilo se jim prokázat, že G4-DNA hraje určitou roli v ochraně telomerového komplexu i v živých buňkách (Smith et al., 2011).

Telomery jsou velmi dynamickou a stále ne úplně probádanou strukturou. Nové studie - jako je tato - odhalují stále nové a nové poznatky o struktuře a funkci telomer. Tento výzkum má přitom i potenciální přímé využití v medicíně - některé choroby (např. Wernerův syndrom či Bloomův syndrom) jsou s problematikou telomer a G4 DNA přímo propojené (Wu a Brosh, 2010). S postupem času snad získáme dostatek informací, abychom mohli nové poznatky využít

i v klinické diagnostice či dokonce v léčbě.

Autor: MUDr. Antonín Šípek

Použité zdroje:

Originální studie: Smith J. S., Chen Q., Yatsunyk L. A. et al. (2011) Rudimentary G-quadruplex-based telomere capping in Saccharomyces cerevisiae. Nat Struct Mol Biol. (4):478-85.

Zdroj: Stacked, Coiled DNA Caps Protect Ends Of Chromosomes

Další použité zdroje:

Donate, L. E., Blasco, M. A. (2011) Telomeres in cancer and ageing. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 366(1561):76-84.

Gardner, R. J. McK., Sutherland, G. R. Chromosome abnormalities and genetic counseling, 3rd ed. Oxford, Oxford University Press, 2004, 577s.

Hayflick, L., Moorhead, P. S. (1961) The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res. 25:585-621.

Lane, A. N., Chaires, J. B., Gray, R. D. et al. (2008) Stability and kinetics of G-quadruplex structures. Nucleic Acids Res. 36(17):5482-515.

Samassekou, O., Gadji, M., Drouin, R. et al. (2010) Sizing the ends: normal length of human telomeres. Ann Anat. 192(5):284-91.

Wu, Y., Brosh, R. M. Jr. (2010) G-quadruplex nucleic acids and human disease. FEBS J. 2010 Sep;277(17):3470-88. Epub 2010 Jul 29.