Telomera je oblast vysoce se opakující DNA na konci lineárního chromozomu, která funguje jako jednorázový pufr. Pokaždé, když jsou lineární eukaryotické chromozomy replikovány během pozdní S-fáze, je komplex DNA polymerázy neschopný replikace až na konec chromozomu; kdyby nebylo telomer, rychle by to vedlo ke ztrátě užitečné genetické informace, která je potřebná k udržení činnosti buňky. Pokaždé, když se buňka s lineárními geny rozdělí, ztratí malý kousek jednoho ze svých řetězců DNA. Tento proces byl označován Jamesem Watsonem a Alexejem Olovnikovem jako „problém konečné replikace“ (1971).
Vzhledem k tomu, že telomery uzavírají konce chromozomů, aby chránily DNA buňky před poškozením a při každém dělení buňky se o něco zkracují, jsou užitečnými markery pro biologické stárnutí [nutná citace]
Telomery a duševní poruchy
Stále více se objevují důkazy, že lidé, kteří prodělali různé duševní poruchy, mají kratší telomery než kontrolní skupiny, a to i při zohlednění faktorů životního stylu, které mohou také poškodit DNA, jako je zneužívání alkoholu a kouření cigaret atd.
Povaha a funkce telomer
U většiny prokaryot jsou chromozomy kruhové, a proto nemají konce, aby trpěly předčasným ukončením replikace. Malá část bakteriálních chromozomů (jako například u Streptomyces a Borrelia) je lineární a má telomery, které se velmi liší od chromozomů eukaryotických strukturou a funkcemi.
Telomera je „ribonukleoproteinový komplex“ složený z proteinové složky a RNA primerové sekvence, která působí na ochranu koncových konců chromozomů. To zabraňuje chromozomálnímu roztřepení a zabraňuje tomu, aby konce chromozomu byly zpracovány jako dvouvláknový zlom DNA, což by mohlo vést k fúzím chromozomů s telomerami. Telomery jsou rozšířeny o telomerázy, které jsou součástí proteinové podskupiny specializovaných enzymů reverzní transkriptázy známých jako TERT (TElomerase Reverse Transcriptases), které se podílejí na syntéze telomer u lidí a mnoha dalších, ale ne všech organismů. Nicméně kvůli mechanismům replikace DNA a protože exprese TERT je potlačena v mnoha typech lidských buněk, se telomery těchto buněk při každém dělení trochu zmenší, i když v jiných buněčných kompartmentech, které vyžadují rozsáhlé buněčné dělení, jako jsou kmenové buňky a určité bílé krvinky, se TERT exprimuje a délka telomer je zachována.
Kromě proteinové složky TERT obsahuje telomeráza také část šablonové RNA známou jako TERC (TElomerázová RNA komponenta). U lidí je tato TERC sekvence telomer opakujícím se řetězcem TTAGGG o délce mezi 3 a 20 kilobasami. Mezi telomerou a zbytkem chromozomu se nachází dalších 100-300 kilobaz opakování spojených s telomerou. Telomerní sekvence se liší druh od druhu, ale jsou obecně bohaté na GC.
Ve většině mnohobuněčných eukaryot je telomeráza aktivní pouze v zárodečných buňkách. Existují teorie, že neustálé zkracování telomer s každou replikací v somatických (tělních) buňkách může hrát roli v senescenci a v prevenci rakoviny. Je to proto, že telomery fungují jako jakási „fúze“ s časovým zpožděním, která nakonec po určitém počtu buněčných dělení dojde k vyčerpání životně důležité genetické informace z chromozomu buňky s budoucím dělením.
Pokud se telomery stanou příliš krátkými, mohou se rozvinout ze své předpokládané uzavřené struktury. Předpokládá se, že buňka toto odkrytí rozpozná jako poškození DNA a v závislosti na genetickém pozadí buňky (stav p53) vstoupí do buněčné senescence, růstové zástavy nebo apoptózy. Nekryté telomery také vedou k chromozomálním fúzím. Protože toto poškození nelze v normálních somatických buňkách napravit, může buňka dokonce přejít do apoptózy. Mnoho nemocí souvisejících se stárnutím je spojeno se zkrácenými telomerami. Orgány se zhoršují, protože stále více jejich buněk odumírá nebo vstupuje do buněčné senescence.
Na velmi distálním konci telomery je 300 bp jednovláknová část, která tvoří T-Smyčku. Tato smyčka je analogická k ‚uzlu‘, který stabilizuje telomeru; brání tomu, aby konce telomery byly rozpoznány opravným zařízením DNA jako body zlomu. Pokud by došlo k nehomologickému spojení konce na telomerních koncích, dojde k chromozomální fúzi. T-smyčka je držena pohromadě sedmi známými proteiny; nejvíce TRF1, TRF2, POT1, TIN1 a TIN2.
Studie publikovaná 3. května 2005 v časopise American Heart Association Circulation zjistila, že přibývání na váze a zvýšená inzulinová rezistence korelují s větším zkracováním telomer v průběhu času.
Lagging strand během replikace DNA
„Telomery“ se zkracují kvůli fenoménu zaostávajícího řetězce, který se projevuje během replikace DNA pouze u eukaryot. Protože replikace DNA nezačíná ani na jednom konci řetězce DNA, ale začíná v jeho středu a vzhledem k tomu, že všechny DNA polymerázy, které byly objeveny, se pohybují ve směru 3′ až 5′ (polymerizují ve směru 5′-3′), najdeme na replikované molekule DNA vedoucí a zaostávající řetězec.
Na předním vlákně může DNA polymeráza bez problémů vytvořit doplňující DNA vlákno, protože se pohybuje od 3′ do 5′. Na zaostávajícím vlákně je však problém jdoucí opačným směrem. Proti tomu se krátké sekvence RNA působící jako primery přichytí na zaostávající vlákno kousek před místem iniciace. DNA polymeráza může v tomto místě zahájit replikaci a jít na konec místa iniciace. To způsobí tvorbu Okazakiho fragmentů. Další primery RNA se přichytí dále na vlákno DNA a DNA polymeráza přijde a pokračuje v tvorbě nového DNA vlákna.
Nakonec se poslední RNA naváže a DNA polymeráza a DNA ligasa přijdou, aby převedly RNA (z primerů) na DNA a zapečetily mezery mezi Okazakiho fragmenty. Ale aby se RNA mohla změnit na DNA, musí být před primerem RNA další řetězec DNA. To se děje na všech místech zaostávajícího řetězce, ale neděje se to na konci, kde je připojen poslední primer RNA. Nakonec je tato RNA zničena enzymy, které degradují RNA ponechanou na DNA. Tak je část telomer ztracena během každého cyklu replikace.
Fenomén omezeného buněčného dělení poprvé pozoroval Leonard Hayflick. Významné objevy učinil tým vedený profesorkou Elizabeth Blackburnovou na Kalifornské univerzitě v San Francisku. V roce 1998 vyvinula společnost Geron Corporation techniky pro prodlužování telomer a prokázala, že zabraňují buněčnému stárnutí.
Zastánci prodloužení lidského života prosazují myšlenku prodloužení telomer v určitých buňkách prostřednictvím dočasné aktivace telomerázy (pomocí léků), případně trvale pomocí genové terapie. Domnívají se, že by to prodloužilo lidský život. Dosud nebyly tyto myšlenky u lidí prokázány. V roce 2006 společnost Geron na svých webových stránkách uvedla, že má nejméně dva kandidátní léky schopné aktivovat telomerázu.
Existuje však hypotéza, že existuje kompromis mezi potlačením rakovinného nádoru a kapacitou opravy tkání a že prodloužením telomer bychom mohli zpomalit stárnutí a výměnou za to zvýšit náchylnost k rakovině (Weinstein a Ciszek, 2002).
Studie provedená s červy hlísticemi druhu Caenorhabditis elegans ukazuje, že existuje korelace mezi prodlužováním telomer a delší délkou života. Byly zkoumány dvě skupiny červů, které se lišily v množství bílkoviny HRP-1, kterou jejich buňky produkovaly, a což vedlo k prodloužení telomer u zmutovaných červů. Červi s delšími telomerami žili v průměru 24 dní, asi o 20 procent déle než normální červi. Vedlejším účinkem mutace byla zvýšená odolnost vůči účinkům vystavení teplu. Důvody tohoto účinku jsou nejasné. (Joeng et al., 2004).
Techniky na rozšíření telomer by mohly být užitečné pro tkáňové inženýrství, protože by mohly umožnit kultivaci zdravých, nenádorových savčích buněk v množství dostatečném na to, aby byly inženýrským materiálem pro biomedicínské opravy.
Existuje však několik otázek, které je ještě třeba vyjasnit. Za prvé, není ani jisté, zda je vztah mezi telomerami a stárnutím kauzální. I když tomu tak skutečně pravděpodobně je, protože měnící se délka telomer je obvykle spojena se měnící se rychlostí stárnutí, může být tento vztah i opačný, přičemž zkracování telomer je důsledkem stárnutí, a nikoli jeho důvodem. Že role telomer zdaleka není pochopena, dokazují dvě nedávné studie na dlouhověkých mořských ptácích:
V roce 2003 vědci pozorovali, že telomery buřňáka Leachova (Oceanodroma leucorhoa) se zřejmě prodlužují s chronologickým věkem, což byl první pozorovaný případ takového chování telomer. V roce 2006 Juola a kol. oznámili, že u jiného, nepříbuzného dlouhověkého druhu mořských ptáků, fregaty velké (Fregata minor), se délka telomer snižovala až do věku nejméně cca 40 let (tj. pravděpodobně během celé délky života), ale rychlost poklesu se s přibývajícím věkem masivně zpomalovala a že míra poklesu délky telomer se mezi jednotlivými ptáky výrazně lišila. Dospěli k závěru, že u tohoto druhu (a pravděpodobně u fregat a jejich příbuzných obecně) nelze délku telomer dostatečně dobře použít k určení věku ptáka. Zdá se tedy, že existuje mnohem větší variabilita v chování délky telomer, než se původně předpokládalo, a další výzkum tohoto tématu je jednoznačně oprávněný, než bude možné vyvodit nějaké pevné závěry nebo dokonce otestovat praktické aplikace.
V současné době se používá několik technik pro stanovení průměrné délky telomer v eukaryotických buňkách. Nejrozšířenější metodou je Terminal Restriction Fragment (TRF) southern blot, která zahrnuje hybridizaci radioaktivní sondy s oligonukleotidem 32P-(TTAGGG)n na Hinf / Rsa I strávila genomovou DNA zabudovanou na nylonové membráně a následně byla vystavena autoradiografickému filmu nebo obrazovce fosfatázy. Další histochemická metoda zahrnuje fluorescenční in situ hybridizaci (FISH). Tyto metody však vyžadují značné množství genomové DNA (2-20 mikrogramů) a pracovní sílu, která činí její použití omezeným ve velkých epidemiologických studiích. Tyto překážky byly překonány novým Real-Time PCR testem pro délku telomer vyvinutým Richardem Cawthonem na univerzitě v Utahu. Tento test zahrnuje stanovení poměru Telomere-to-Single Copy Gene (T/S), který je demostratován tak, aby byl úměrný průměrné délce telomer v buňce (Cawthon 2002). Test Real-Time PCR byl od té doby přepracován do vysoce výkonného formátu 384-well pro použití s aplikovanými biosystémy 7900HT Jasonem Wongem z Brigham and Women’s Hospital / Harvard Medical School; test je tak použitelný pro použití ve studiích velkých kohort.
Udržovací aktivita telomer je charakteristickým znakem přibližně 90% nádorů u téměř všech savčích organismů. U lidí získávají nádory neurčitou replikační kapacitu nadměrnou expresí telomerázy. Značná část nádorových buněk však využívá alternativní prodlužování telomer (ALT), což je nekonzervativní prodlužovací dráha telomer zahrnující přenos tandemu telomer mezi sesterskými chromatidami. Mechanismus, kterým se ALT aktivuje, není zcela znám, protože tyto výměnné děje je obtížné hodnotit in vivo.