Регуляция теломеразы. 
Стволовые клетки и молекулярная биология

В большинстве соматических клеток человека отсутствует теломеразная активность, поскольку они не экспрессируют гена теломеразы обратной траскриптазы. Наоборот, большинство опухолевых клеток экспрессируют теломеразу и являются положительными по теломразе.

Для большинства опухолей не ясно, связана ли экспрессия теломеразы с их происхождением от теломеразоположительных стволовых клеток или происходит из определимых ядерных и цитоплазматических теломераз; у теломераза — положительных клеток от 0,2 до 6 мРНК молекул/ клетку может быть определено.

Это заставляет предполагать, что экспрессия регулируется изменениями в скорости транскрипции гена теломеразы. В опухолевых клетках экспрессия теломеразы ведет себя как рецессивная черта, указывая, что отсутствие экспрессии в нормальных клетках связано с наличием одного или нескольких репессоров.

Исследования с монохромосомными гибридами указывают, что несколько хромосом могут кодировать такие репесоры. Несколько факторов транскрипции, супрессоров опухолей, ингибиторов клеточного цикла, молекул, детерминирующих клеточную судьбу, рецепторов гормонов и вирусных белков участвуют в контроле экспрессии теломеразы; но эти исследования еще не дали ясного объяснения для специфической экспессии опухолями гена теломеразы, и cis-действующиих элементы, которые являются мишенями репрессии в нормальных клетках, еще должны быть индентифицированы/10/.

Теломераза является рибонуклеопротеином, который катализирует добавление TTAGGG повторов к теломерам, повторяющимся структурам ДНК, найденным на концах линейных хромосом. Большая часть соматических тканей человека не проявляет теломеразной активности и претерпевает укорочение теломерных последовательностей при каждом клеточном делении. Это сокращение теломеров приводит к репликативному старению in vitro и, вероятно, in vivo.

Теломеразная активность присутствует в большинстве опухолей, предотвращая сокращение теломеров и поэтому обеспечивая неограниченные деления клеток. Теломеразная активность регулируется в течение развития человека, претерпевая подавление почти во всех системах органов от эмбриогенеза и далее.

Однако регулируемая активность теломеразы обнаруживается в базальных/стволовых клеточных компартментах высоко регенерирующих тканях, таких, как иммунная система, кожа и кишечник. Виды птиц демонстрируют репрессию теломеразы и сокращение теломеров, сходное с таковым у человека. Однако грызуны сохраняют теломераза — компетентность на протяжении всей жизни и у них не было обнаружено сокращение теломеров после клеточных делений. Регулирование теломеразной активности у растений менее понятно, хотя ранние указания предполагают повсеместную компетентность/13/.

Потеря теломеразного равновесия и связанной с ним хромосом — геномной нестабильности могут способствовать развитию опухолей. Теломерная функция может иметь контрастирующие роли: запускать последовательность событий репликации и способствовать опухолегенезу, и эти роли могут варьировать между клеточными типами в зависимости от экспрессии энзима теломеразы, уровня индуцированных мутаций и эффективности/дефектности, связанных с репарацией ДНК путей.

Идентифицирован альтернативный механизм поддержания теломеров в мышиных эмбриональных стволовых клетках, у которых отсутствует теломеразный РНК сайт (mTER), методом амплификации нетеломерных последовательностей, смежных с существующими короткими участками теломерных повторов.

Это исследование по идентификации теломераза — независимых или альтернативных механизмов, участвующих в поддержании (сохранении) теломеров в клетках млекопитающих, показало участие потенциальных факторов репарации ДНК в таких путях. Мыши, дефицитные по сенсорной молекуле ДНК — разрыва, PARP-1 (поли [АДФ] - рибополимераза), увеличивали уровни хромосомной нестабильности, связанной с экстенсивным сокращением теломеров.

Ku80 нулевые клетки показали сокращение теломеров, связанное с экстенсивным слиянием концов хромосомы, в то время Ku80+/-клетки показывавали промежуточный уровень сокращения теломеров. Инактивация PARP-1 в p53-/-клетках приводила к дисфункциональным теломерам и выраженной хромосомной нестабильности, ведущей к увеличению встречаемости опухолей у мышей. Интересно, что гаплонедостаточность PARP-1 в Ku80 нулевых клетках вызывала более выраженное сокращение теломеров и хромосомные аберрации по сравнению либо с PARP-1 или Ku80 единичных нулевых клеток, а у Ku80+/-PARP-/- развивались спонтанные опухоли /16/.

Теломеры, концы линейных хромосом, сокращаются с каждым циклом ДНК репликации. Потеря теломерных ДНК ведет к старению, состоянию в котором клетки уже не делятся, и кризису, который запускает клеточную смерть. Для предотвращения этого феномена, раковые и стволовые клетки должны сохранять свои теломеры, например, экспрессируя теломеразу, энзим, который расширяет теломеры. По мере того, как наши знания о сохранении теломеров расширяются, открываются возможности для применения биологии теломеров в клинической медицине.

Области текущих исследований включают развитие диагностических и прогностических маркеров рака; создание хемотерапевтических агентов, основанное на ингибировании теломераз, иммунный ответ на теломеразу, основанная на теломеразе генная терапия; инжиниринг омоложенных тканей путем восстановления экспрессии теломераз /49/.

Эпигенетика изучает стойкие изменения, влияющие на геном особи в течение развития и старения, но не обязательно передающиеся следующим поколениям. Среди этих наиболее хорошо изученных эпигенетических изменений — уменьшение концов хромосомы или теломеров. Теломеры являются специализированными структурами, состоящими из характеристических повторов ДНК последовательностей и комплекса ассоциированных белков, которые покрывают и защищают концы хромосомы и служат для сохранения целостности генома. В большинстве соматических клеток последовательные циклы клеточных делений связаны с уменьшением длины теломеров.

Такое прогрессивное изнашивание длины теломеров приводит к потери способности к репликации (клеточное старение). С целью предотвратить зародышевую линию и субпопуляцию стволовых клеток от старения, возникли механизмы, препятствующие износу теломеров в этих клеточных компартментах. Наиболее общим и хорошо изученным механизмом является активация рибонуклеопротеинового энзиматического комплекса, известного, как теломераза.

Активность теломеразы предотвращает потерю репликативной способности путем сохранения длины теломеров и интергальности хромосом. Поэтому детальные исследования механизмов, управляющих активностью теломеразы, были проведены при развитии и дифференцировке. Раннее эмбриональное развитие и клеточная дифференцировка связаны с прогрессивным уменьшением теломеразной активности. Это уменьшение активности принципиально опосредовано на уровне промотора для гена, кодируюшего каталитическую субъединицу теломеразного комплекса.

Выяснение деталей механизма, участвующего в регулировании длины тепломеров и теломеразной активности будут иметь важные и далеко идущие приложения в понимании многих аспектов здоровья и болезни человека, начиная от синдромов ускоренного старения до патогенеза рака среди прочих. Более того, результаты исследований в этой области, вероятно, найдут в будущем приложение в развитии стратегий для предотвращения клеточного старения в регенеративной медицине и терапии стволовыми клетками /47/.

Теломеры являются терминальными концами хромосом и состоят из повторяющихся последовательностей TTAGGG. Хромосомы теряют небольшое количество дезокисрибонуклниновой кислоты (ДНК) после каждого клеточного деления. Гипотетическая функция теломерной ДНК состоит в разрешении только конечного числа клеточных делений без потери функциональных генов.

Вторая предложенная функция теломерной ДНК — это предотвращение нежелательных взаимодействий между концами хромосом и клеточными энзимами репарации. В клетках, сохраняющих способность к пролиферации, таких, как стволовые клетки и раковые клетки, длина теломеров поддерживается обратной транскриптазой, теломеразой. Каждый значительный тип человеческих опухолей изучался на теломеразную активность, и приблизительно от 80% до 90% продемонстрировали присутствие теломеразы. В данной статье мы обозреваются существующие методы определения теломеразы и обсуждаются их сильные и слабые стороны /3/ .

Теломераза является энзимом, который удлиняет теломерные повторы, специализированные структуры концов хромосом, которые обеспечивают стабильность генома и компенсируют физиологический процесс сокращения теломеров. Он участвует в клеточном старении, бессмертии и канцерогенезе. Более 85% человеческих опухолей и 95% немиелоцитных раков кожи показывают теломеразную активность по контрасту с нормальными тканями. Это заставляет предположить, что теломеразная активность может играть важную роль в канцерогенезе.

Последние исследования показывают, что теломераза активна не только в эмбриональных тканях и тканях зародышевой линии, но также в некоторых нормальных тканях. В коже эта активность была прослежена у содержащего стволовые клетки базального эпидермального клеточного слоя, что, возможно, отражает присутствие теломераза — компетентных стволовых клеток. Эти открытия требуют пересмотра интерпретации теломеразной активности в опухолях кожи и других тканей. Поскольку причинная связь между теломеразной активностью и опухолями еще не продемонстрирована, требуется некоторая осторожность в выводах /26/.

Таким образом, стволовые клетки, как и опухолевые клетки, содержат фермент теломеразу, которая позволяет сохранить теломерные концевые участки хромосом, которые сокращаются при каждом клеточном делении, что приводит в конце концов к смерти клеток.