ინფორმაცია

ტელომერებში მუტაციის ალბათობა?


გულწრფელად რომ ვთქვა, მე ვარ პროგრამისტი, მე ვეძებდი საიტებს, როგორიცაა NCBI და სხვა, მაგრამ ვერ ვიპოვე ის, რასაც ვეძებდი, ასე რომ, თუ ვინმე შეძლებს დახმარებას:

შეგიძლია მომცე ალბათობა

  1. მუტაციები Saccharomyces Cerevisiae– ის ტელომერებში.
  2. ჩასმის ალბათობა
  3. წაშლის ალბათობა.
  4. შემცვლელის ალბათობა.

მიზეზი, რის გამოც მჭირდება ეს არის ის, რომ მე მსურს ჭეშმარიტი ტელომერული მონაცემების გენერირება, დაფუძნებული ტელომერული სტრუქტურის კონსენსუსზე.


TERT გენი

ის TERT გენი იძლევა მითითებებს ფერმენტის ერთი კომპონენტის, ტელომერაზას შექმნის შესახებ. ტელომერაზა ინარჩუნებს სტრუქტურებს, სახელწოდებით ტელომერებს, რომლებიც შედგება დნმ -ის განმეორებითი სეგმენტებისგან, რომლებიც ქრომოსომების ბოლოებშია ნაპოვნი. ტელომერები იცავს ქრომოსომებს არანორმალურად ერთმანეთთან შეჯახების ან დაშლის (დეგრადაციის )გან. უჯრედების უმეტესობაში ტელომერები თანდათან მცირდება უჯრედის გაყოფისას. უჯრედების დაყოფის გარკვეული რაოდენობის შემდეგ, ტელომერები იმდენად მოკლე ხდება, რომ ისინი უჯრედს განაპირობებენ გაყოფის შეწყვეტას ან თვითგანადგურებას (განიცდიან აპოპტოზს). ტელომერაზა ეწინააღმდეგება ტელომერების შემცირებას დნმ -ის მცირე განმეორებითი სეგმენტების დამატებით ქრომოსომების ბოლოებზე ყოველ ჯერზე, როდესაც უჯრედი იყოფა.

უჯრედების უმეტეს ტიპში ტელომერაზა ან არ არის გამოვლენილი ან აქტიურია ძალიან დაბალ დონეზე. თუმცა, ტელომერაზა ძალიან აქტიურია უჯრედებში, რომლებიც სწრაფად იყოფა, როგორიცაა ფილტვები და კუჭ -ნაწლავის ტრაქტი, ძვლის ტვინის უჯრედები და განვითარებადი ნაყოფის უჯრედები. ტელომერაზა საშუალებას აძლევს ამ უჯრედებს მრავალჯერ გაყონ დაზიანების გარეშე ან აპოპტოზის გარეშე. ტელომერაზა ასევე არანორმალურად აქტიურია კიბოს უჯრედების უმეტესობაში, რომლებიც იზრდება და იყოფა კონტროლისა და წესრიგის გარეშე.

ფერმენტი ტელომერაზა შედგება ორი ძირითადი კომპონენტისგან, რომლებიც ერთად მუშაობენ. კომპონენტისგან წარმოებული კომპონენტი TERT გენი ცნობილია როგორც hTERT. მეორე კომპონენტი წარმოიქმნება გენისგან, სახელწოდებით TERC და ცნობილია როგორც hTR. HTR კომპონენტი იძლევა შაბლონს დნმ -ის განმეორებითი თანმიმდევრობის შესაქმნელად, რომელსაც ტელომერაზა უმატებს ქრომოსომების ბოლოებს. HTERT კომპონენტი შემდეგ ამატებს ახალ დნმ სეგმენტს ქრომოსომის ბოლოებს.


ნაცრისფერი თმისგან განსხვავებით, დაბერების ერთ -ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ნიშანი შეუიარაღებელი თვალით უხილავია. უჯრედების სიღრმეში, ძაფის მსგავსი ქრომოსომების წვერებზე, სტრუქტურები, რომლებიც ცნობილია როგორც ტელომერები, იცავს ქრომოსომებს გაფუჭებისგან-ისევე, როგორც ფეხსაცმლის ბოლოების თავსახურები ხელს უშლიან გაფუჭებას. ტელომერები ბუნებრივად იკლებს ადამიანების ასაკთან ერთად.

მაგრამ ზოგჯერ გენეტიკური მემკვიდრეობითი მუტაცია იწვევს ტელომერების შემცირებას უფრო სწრაფად. ტელომერის არანორმალური შემცირება იწვევს დაჩქარებული დაბერების სინდრომებს, რომლებიც გავლენას ახდენენ სხეულის ბევრ ნაწილზე და შეიძლება მოხდეს ბავშვებში ან მოზრდილებში. მოკლე ტელომერული სინდრომების სიმძიმე განსხვავებულია, მაგრამ ისინი ზრდის კიბოს რისკს და შეიძლება გამოიწვიოს ორგანოების უკმარისობა და სიკვდილი.

ინდივიდუალური მედიცინის ცენტრის დახმარებით, მაიოს კლინიკა იყენებს ზუსტ მედიცინის მიდგომას მოკლე ტელომერული სინდრომების მართვის მიზნით. Mayo's Premyeloid & amp; Bone Failure Disorder Clinic გთავაზობთ დიაგნოსტიკურ ტესტირებას, მულტიდისციპლინარულ მკურნალობას და გენეტიკურ კონსულტაციას მოკლე ტელომერული სინდრომებისათვის.

"მოკლე ტელომერული სინდრომები უკვე რამდენიმე ათეული წელია აღიარებულია. მაგრამ დიაგნოზი ძალიან რთული იყო, რადგან ის მოითხოვს სპეციალიზებულ ტესტირებას. ზუსტი გენომიკის მოსვლასთან ერთად, ჩვენ გვაქვს შესაძლებლობა გამოვავლინოთ და განვკურნოთ ეს დარღვევები, პაციენტთა სასარგებლოდ", - ამბობს Mrinal Patnaik, MBBS, ჰემატოლოგი, რომელიც ხელმძღვანელობს პრემიელოიდული აშლილობის კლინიკას.

მიუხედავად იმისა, რომ მოკლე ტელომერული სინდრომები იშვიათად ითვლება, მაიოს კლინიკა თვეში ხვდება ხუთამდე შვიდ ადამიანს ამ დარღვევებით. ”ჩვენ ვფიქრობთ, რომ მოკლე ტელომერები ბევრად უფრო ხშირია, ვიდრე ეს იყო მოხსენებული და ვარაუდობთ, რომ ეს ახალი ზუსტი მედიცინის საშუალებები გამოავლენს სამართლიან შემთხვევებს”,-ამბობს დოქტორი პატნაიკი.

"იდუმალი ტელომერი"

2009 წლის ნობელის პრემია მედიცინაში გაიცა იმ აღმოჩენებისთვის, რასაც ნობელის კომიტეტმა უწოდა "იდუმალი ტელომერი". მოკლე ტელომერები გავლენას ახდენენ სხეულის იმ ნაწილებზე, სადაც ღეროვანი უჯრედები აქტიურად იყოფა, მათ შორის ძვლის ტვინი, კანი და ფილტვები და საჭმლის მომნელებელი ტრაქტი.

"ეს ღეროვანი უჯრედები ეყრდნობიან ტელომერებს მათი მთლიანობის შესანარჩუნებლად. მოკლე ტელომერები იწვევს ღეროვანი უჯრედების ნაადრევ სიკვდილს", - ამბობს დოქტორი პატნაიკი.

მოკლე ტელომერებმა შეიძლება გამოიწვიოს ნაწიბურები ფილტვებში და ღვიძლში, საჭმლის მომნელებელი ტრაქტის შევიწროება, ძვლის ტვინის უკმარისობა და იმუნური სისტემის დეფიციტი. მემკვიდრეობითი მდგომარეობის სიმძიმე იზრდება ყოველ თაობასთან - ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც გენეტიკური მოლოდინი.

"ბავშვები მშობლებისგან მემკვიდრეობით იღებენ არა მხოლოდ გენეტიკურ მუტაციას, რომელიც იწვევს მოკლე ტელომერის სინდრომს, არამედ უფრო მოკლე და მოკლე ტელომერებსაც", - ამბობს დოქტორი პატნაიკი. "შედეგად, სინდრომები ვლინდება უფრო ახალგაზრდა ასაკში და უფრო მწვავე გამოვლინებებით თითოეულ თაობაში. საბოლოოდ სიცოცხლის ხანგრძლივობა ძალიან შეზღუდულია."

პირველადი დიაგნოზი არის გამოწვევა, რადგან მოკლე ტელომერული სინდრომის ნიშნები და სისტემები მრავალფეროვანია. "ცნობიერების ნაკლებობაა," ამბობს დოქტორი პატნაიკი. "ფილტვის ფიბროზით დაავადებული და ძვლის ტვინის უკმარისობით დაავადებულმა ადამიანმა შეიძლება ნახოს ფილტვის სპეციალისტი ან სისხლის სპეციალისტი, რომელიც არ იცნობს ამ მრავალპროფილიან სინდრომებს და არ ათავსებს მათ."

მაიოს კლინიკა ეძებს გარკვეულ ნიშნებსა და სიმპტომებს აუხსნელი მიზეზებით, მათ შორის:

  • თმის ნაადრევი ნაცრისფერი პირადი ან ოჯახური ისტორია
  • დაბალი სისხლის წითელი უჯრედები, სისხლის თეთრი უჯრედები ან თრომბოციტები
  • ფილტვის ან ღვიძლის ქსოვილი სქელი, მკაცრი ან ნაწიბუროვანი

თუ მოკლე ტელომერის სინდრომზეა ეჭვი, მაიოს კლინიკას შეუძლია ჩაატაროს დახვეწილი ტესტირება, რომელიც ზომავს ტელომერების სიგრძეს ინდივიდის სისხლის უჯრედებში. მოკლე ტელომერების იდენტიფიცირების შემდეგ, მაიოს კლინიკას აქვს გენეტიკური თანმიმდევრობის პანელი, რომელიც დაგეხმარებათ მოკლე ტელომერების გამომწვევი მუტაციის პოვნაში. თუ გენეტიკური თანმიმდევრობა არ გამოავლენს მუტაციას, შეიძლება შესრულდეს ეგზომური თანმიმდევრობა, რომელიც იკვლევს ყველა დაავადების გამომწვევ გენს ინდივიდის დნმ-ის გეგმაში.

ცნობილია, რომ ზოგიერთი გენეტიკური მუტაცია დაკავშირებულია მოკლე ტელომერებთან. მაგრამ მოკლე ტელომერებით დაავადებულთა მხოლოდ 40-50 პროცენტს აქვს ამ ცნობილი მუტაცია.

"ის ფაქტი, რომ მოკლე ტელომერებით დაავადებულ პაციენტთა ნახევარზე მეტს არ აქვს გენეტიკური მუტაცია მიმდევრობის პანელებზე, მიუთითებს იმაზე, რომ ჩვენ ჯერ არ აღმოვაჩინეთ ყველა ის მუტაცია, რომელიც გავლენას ახდენს ტელომერის სიგრძეზე", - ამბობს დოქტორი პატნაიკი. ”ასევე შეიძლება იყოს ჩართული არაგენეტიკური მექანიზმები - ეს არის პანდორას ყუთი, რომელიც ჩვენ ჯერ კიდევ არ გვაქვს გახსნილი.”

ეძებს მკურნალობის ახალ ვარიანტებს

ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ დანაზოლით, ანაბოლური სტეროიდებით მკურნალობამ შეიძლება შეანელოს ტელომერების შემცირება, ასევე გააუმჯობესოს სისხლის რაოდენობა და მოახდინოს ფილტვებისა და ღვიძლის დაავადებების სტაბილიზაცია მოკლე ტელომერებით დაავადებულ ადამიანებში. ასევე მიმდინარეობს ლაბორატორიული ექსპერიმენტები გენური თერაპიით. მაიოს კლინიკა ჩართულია კვლევით ძალისხმევაში ორივე ამ სფეროში.

”სამწუხაროდ, სანამ ჩვენ სულ უფრო გვესმის მოკლე ტელომერების გენეტიკა და შედეგები, ბევრი სამუშაოა გასაკეთებელი ეფექტური მკურნალობის მეთოდებთან დაკავშირებით,” - ამბობს დოქტორი პატნაიკი.

გადანერგვა შეიძლება იყოს ვარიანტი მათთვის, ვინც განიცდის ორგანოების უკმარისობას. თუმცა, მოკლე ტელომერის სინდრომის მქონე პირებს ხშირად სჭირდებათ მულტიორგანული გადანერგვა: ძვლის ტვინის გადანერგვა, ასევე ღვიძლის ან ფილტვის გადანერგვა, რაც პროცესს უაღრესად რთულს ხდის.

"მოკლე ტელომერის სინდრომის მქონე ადამიანების დიდი უმრავლესობა უარს ამბობს გადანერგვაზე, რადგან ბევრი ცენტრი არ არის აღჭურვილი მულტიორგანული ტრანსპლანტაციის შესასრულებლად", - ამბობს დოქტორი პატნაიკი. "ჩვენი ზუსტი გენომიკური კლინიკა მუშაობს მაიოს კლინიკის სხვადასხვა ტრანსპლანტაციის ჯგუფებთან, რათა განახორციელოს უსაფრთხო მულტიორგანული ტრანსპლანტაცია ამ პაციენტებისთვის. მაიოს კლინიკაში, ჩვენ გვაქვს დიდი შესაძლებლობა გამოვიყენოთ ზუსტი წამალი მოკლე ტელომერული სინდრომის მქონე ადამიანებისთვის."

ეს პოსტი თავდაპირველად გამოჩნდა ინდივიდუალური მედიცინის ცენტრის ბლოგი 2019 წლის 14 თებერვალს.

მოგწონთ ეს სტატია? დარეგისტრირდით ინდივიდუალური მედიცინის ცენტრის ბლოგი და მიიღეთ ყოველკვირეული განახლებები ჩვენს ახალ შინაარსზე.


ხანდაზმული მამები კარგ ტელომერებს აძლევენ, მაგრამ დღეგრძელობა? Არც ისე ძალიან

სამეცნიერო ამერიკული, io9 და DISCOVER და აწარმოებს პოდკასტებს 60 წამიანი მეცნიერებისა და ფიზიკის ცენტრალურ ცენტრში.

ადამიანის ქრომოსომები (ნაცრისფერი) დაფარული ტელომერებით (თეთრი) აშშ ენერგიის დეპარტამენტის ადამიანის გენომის პროგრამა

”ტელომერებმა უბრალოდ დამიჭირეს და წინ გამიძღვეს”. და გაუძღვეს მას--2009 წლამდე ნობელის პრემიაზე მედიცინის დარგში

რა ტელომერები არის დნმ -ის თანმიმდევრობა, რომელიც კვლავ იზიდავს მკვლევარებს და საზოგადოებას, ნაწილობრივ იმიტომ, რომ უფრო გრძელი ტელომერებით დაავადებული ადამიანები

უფრო დიდხანს ცხოვრობს ასე რომ, ბოლოდროინდელი დასკვნა, რომ ხანდაზმული მამაკაცები შთამომავლობას ქმნიან უჩვეულოდ გრძელი ტელომერებით, დიდ ამბად ჟღერს. ხანდაზმული მამაკაცები თავიანთ შვილებს უფრო დიდხანს აჩუქებენ-არა? მაგრამ როგორც ეს ხშირად ხდება ბიოლოგიაში, ყველაფერი არც ისე მარტივია და მოხუცი მამის ყოლა არ შეიძლება იყოს მარტივი გზა გრძელი და ჯანსაღი ცხოვრებისკენ. ყოველ ჯერზე, როდესაც დნმ -ის ნაწილის კოპირება ხდება, ის შეიძლება აღმოჩნდეს შეცდომებით მისი თანმიმდევრობით, ან მუტაციებით. ერთ -ერთი ყველაზე ხშირი ცვლილება არის ინფორმაციის ნაწილის დაკარგვა ძაფის თითოეული ბოლოდან. საბედნიეროდ, ეს ძაფები დაფარულია ტელომერებით, განმეორებითი თანმიმდევრობით, რომელიც არ შეიცავს ცილებს და ემსახურება მხოლოდ დანარჩენი დნმ -ის დაცვას. ყოველ ჯერზე, როდესაც დნმ ასლს იღებს, მისი ტელომერები უფრო მოკლედ იქცევა, სანამ ეს დამცავი ბოლოები არაფრად იშლება. ტელომერების გარეშე დნმ -ს აღარ შეუძლია ასლების გადაღება და მასში შემავალი უჯრედი მოკვდება. მაგრამ სპერმა არ ექვემდებარება ტელომერის შემცირების ეფექტს. ფაქტობრივად, სპერმის წარმომქმნელი ღეროვანი უჯრედების ტელომერები არა მხოლოდ ეწინააღმდეგებიან დეგრადაციას, არამედ რეალურად იზრდებიან. ეს შეიძლება იყოს სათესლე ჯირკვლებში ტელომერის აღმდგენ ფერმენტ ტელომერაზის მაღალი კონცენტრაციის წყალობით, მკვლევარები ჯერ კიდევ გაურკვეველია. მათ მხოლოდ იციან, რომ რაც უფრო ძველია მამაკაცი, მით უფრო გრძელი იქნება მისი სპერმის ტელომერები. და ბოლო კვლევა

მეცნიერებათა ეროვნული აკადემიის მასალებში დადგინდა, რომ ეს გრძელი ტელომერები შეიძლება გადავიდეს შთამომავლობაზე: ხანდაზმული მამების შვილები იბადებიან უფრო გრძელი ტელომერებით ყველა უჯრედში. ფაქტობრივად, გრძელი ტელომერები შეიძლება გაგრძელდეს ორი თაობის განმავლობაში, ხანდაზმული მამათა ბაბუები თავიანთ გრძელ ტელომერებს გადასცემენ როგორც შვილებს, ასევე მათი ვაჟების შვილებს. ყველაზე გრძელი ტელომერები გადაეცა ბავშვებს, რომელთა მამები და მამები და#x27 მამები მრავლდებოდნენ მოწინავე ასაკში. (მაგრამ უფროსი მამების ქალიშვილებმა საერთოდ არ გადასცეს ზედმეტად გრძელი ტელომერები.) უფრო გრძელი ტელომერების მიღება ამაღელვებელია, რადგან ტელომერების სიგრძე დაკავშირებულია ხანგრძლივობასთან. ტელომერი, რომელიც მცირდება თითოეული უჯრედის გაყოფასთან ერთად, ჰგავს ტიკტირებულ საათს, რომელიც ითვლის უჯრედის სიცოცხლეს, როდესაც მამა თავის შთამომავლებს გადასცემს უფრო დიდ ტელომერებს, ის არსებითად აძლევს მათ ფიჭურ საათებს მეტ ტკიპას. ასე რომ, უფროსი მამების შვილებმა უფრო დიდხანს უნდა იცოცხლონ! მხოლოდ ერთი პრობლემაა: ისინი არა. ზოგიერთი [pdf

] ისტორიული მონაცემების ხანგრძლივობის შესახებ დადგინდა, რომ ხანდაზმული მამები, განსაკუთრებით ისინი, ვინც რეპროდუცირებენ 65 წლის ასაკს მიღმა, რეალურად ასოცირდება მათი შვილების, განსაკუთრებით მათი ქალიშვილების ხანმოკლე სიცოცხლის ხანგრძლივობასთან. მამაკაცების საშუალო ასაკის შთამომავლები ყველაზე ასაკობრივ ჯგუფში 60 პროცენტით უფრო იღუპებოდნენ ვიდრე ახალგაზრდა მამაკაცების შთამომავლები. უფროსი მამების შვილებს ასევე აქვთ უფრო დაბალი IQ

რა რატომ არ აძლევენ უფრო გრძელი ტელომერები მათ უფრო ხანგრძლივ და უკეთეს ცხოვრებას?

საქმე იმაშია, რომ სპერმის უჯრედები არა მხოლოდ იძენენ ტელომერის სიგრძეს-არამედ ისინი უფრო მეტ მუტაციას იძენენ. ქალებისგან განსხვავებით, რომელთა კვერცხუჯრედები საერთოდ ერთდროულად იქმნება, ხოლო ქალი ჯერ კიდევ საშვილოსნოშია

მამაკაცები ქმნიან სპერმას მთელი ცხოვრების განმავლობაში. და ყოველ ჯერზე, როდესაც სპერმის ღეროვანი უჯრედი იწყებს ახალი სპერმის გამოყვანის პროცესს, ის უნდა გაიყოს, რაც ქმნის მუტაციების წარმოქმნის შესაძლებლობას. ძველი სპერმის ღეროვანი უჯრედების მიერ წარმოქმნილ სპერმას ექნება უფრო გრძელი ტელომერები, მაგრამ მათ ასევე ექნებათ მუტაციების უფრო დიდი დატვირთვა, რაც შთამომავლობის სიცოცხლის ხანგრძლივობას ამცირებს. ასე რომ, ჩნდება კითხვა: ტელომერის სიგრძესა და მუტაციურ დატვირთვას შორის რომელი დომინირებს შთამომავლობის შანსებზე ხანგრძლივი ცხოვრებისათვის? ვინაიდან ისტორიული მონაცემების კვლევებმა აჩვენა, რომ უფროსი მამების შთამომავლები ადრე იღუპებიან, თქვენ შეიძლება იფიქროთ, რომ მუტაციის დატვირთვა იმარჯვებს. მაგრამ ეს შეიძლება არ იყოს მთლად სწორი. უპირველეს ყოვლისა, მამათა ასაკი შორს არის მათი შთამომავლობის ჯანმრთელობის ერთადერთი წვლილისგან. მაგალითად, ამ ხანგრძლივობის კვლევების მონაცემები შეგროვდა 1800 და 1900 წლებში, საიმედო ჩასახვის საწინააღმდეგოდ. მამებს ხშირად ბევრი შვილი ჰყავდათ საშუალო ასაკამდე, რაც იმას ნიშნავს, რომ ხანდაზმული მამების შთამომავლებს ბევრი ძმა ჰყავდათ. უფროსი მამის მეათე შვილი მიიღებდა ნაკლებ ყურადღებას, ნაკლებ რესურსს და შესაძლოა ნაკლებად ხანგრძლივ ცხოვრებას, ვიდრე, ვთქვათ, დღეს დაბადებულ ერთადერთ შვილს, რომლის მშობლებმაც გადაწყვიტეს ცოტა ხანი დაელოდონ გამრავლების წინ. სოციალური ფაქტორები და არსებული რესურსები დიდ როლს თამაშობენ ბავშვის სიცოცხლის ხანგრძლივობაში. კვლევებისგან განსხვავებით, რომლებიც იყენებდნენ ისტორიულ მონაცემებს, თანამედროვე ხანდაზმული კანადელების 2009 წლის კვლევა

ვერ იპოვა კავშირი ხანდაზმულთა სიკვდილის ალბათობასა და მათი მშობლების ასაკს შორის. თუმცა, ეს კვლევა მხოლოდ 25 -დან 45 წლამდე ასაკის მამაკაცთა შთამომავლებს უყურებდა. შესაძლოა, გენეტიკური მუტაციების უარყოფითი გავლენა შთამომავლობის ხანგრძლივობაზე მხოლოდ მნიშვნელოვანი გახდეს გარკვეული ასაკის მამაკაცებისთვის. ყოველივე ამის შემდეგ, ერთ -ერთმა ისტორიულმა კვლევამ აჩვენა, რომ ეფექტი ბევრად უფრო მნიშვნელოვანია უძველეს ასაკობრივ ჯგუფში: მამაკაცები, რომლებიც რეპროდუცირებენ 65 წლის შემდეგ. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ შეიძლება არსებობდეს ტკბილი ლაქა, მამისეული ასაკი, რომელიც მაქსიმალურად ზრდის ტელომერის სიგრძეს მუტაციების მინიმუმამდე. , ეს იქნება იდეალური დრო გამრავლებისთვის --- ყოველ შემთხვევაში, გენეტიკური ხარისხის თვალსაზრისით. მაგრამ თუნდაც საშუალო უპირატესობის მქონე მოხუცი მამების უმნიშვნელო უპირატესობა, ეს არ იქნება დიდი უპირატესობა, ან ჩვენ ვნახავთ გარკვეულ დადებით ეფექტს დღეგრძელობის მონაცემებში. საბოლოო ჯამში, ტელომერები და მუტაციები არ განსაზღვრავს ზუსტად როგორ ან როდის ვკვდებით. ეს გენეტიკური ფაქტორები აყალიბებს ჩვენს ცხოვრებას, მაგრამ ისინი არ აკონტროლებენ ჩვენს ბედს.


შესავალი

მცირე GTPase ცილა KRAS არის სიგნალის გადამყვანი ცილა, რომელიც აკავშირებს მშპ-ს არააქტიურ მდგომარეობაში და GTP- ს აქტიურ მდგომარეობაში [1]. გენი KRAS ხშირად მუტაციას განიცდის ადამიანის სხვადასხვა კიბოში. მუტაცია ყველაზე ხშირად, შემთხვევების დაახლოებით 86% -ში [2], გვხვდება G12– ში. ფაქტობრივად, ყველა მცდარი მუტაცია G12 (G12X) არის ონკოგენური. ონკოგენური თვისებები ასოცირდება KRAS G12X მუტაციას ახასიათებს GTPase შინაგანი აქტივობის დეფიციტი და GTPase- გააქტიურებელი ცილების (GAPs) მგრძნობელობა [3,4]. ეს ცვლილებები იწვევს KRAS სიგნალის გაზრდას, ვინაიდან GTP- თან დაკავშირებული ცილა უფრო აქტიურია. მიუხედავად ამისა, მუტანტი KRAS გადის მშპ – GTP ველოსიპედს [5]. G12X მუტაციის სიხშირის საფუძველი გაურკვეველი რჩება, გარდა G12C ტრანსვერსიული მუტაციისა (c.34G & gtT), რომელიც დაკავშირებულია ფილტვის კიბოს მოწევასთან [6,7].

KRAS G12X მუტანტებში საინტერესო შეუსაბამობა შეინიშნება მათ შიდა GTPase აქტივობაში [8]. G12A მუტაცია აჩვენებს ყველაზე შეფერხებულ შინაგან ჰიდროლიზს (

1% ველურ ტიპთან შედარებით), ხოლო G12C მუტაცია აჩვენებს ყველაზე ნაკლებად შეფერხებულ აქტივობას (

72%). ყველა G12X მუტანტი, თუმცა, ავლენს მგრძნობელობას GAP– ების მიმართ, რაც აჩქარებს ჰიდროლიზს [8]. მნიშვნელოვანია, რომ არა მხოლოდ RAS G12X მუტანტები აჩვენებენ შეუსაბამობას GTP ჰიდროლიზში, არამედ ისინი წარმოშობენ განსხვავებებს სასურველ სასიგნალო გზაზე (ეფექტორ ცილებთან შეკავშირების თვალსაზრისით) [9,10]. ეს ქცევა პირველად დაფიქსირდა NSCLC უჯრედულ ხაზებში [9], სადაც KRAS G12D აჩვენა PI3K და MEK სიგნალის გააქტიურება, ხოლო G12C და G12V მუტანტებმა აჩვენა გააქტიურებული RalGDS გზა და შეამცირა ზრდის ფაქტორზე დამოკიდებული აქტივის აქტივაცია. გარდა ამისა, NMR კვლევამ გამოავლინა განსხვავებული სავალდებულო პრეფერენციები მუტანტი HRAS G12V ველური ტიპის HRAS– თან შედარებით, სხვადასხვა ეფექტორ ცილებთან ერთად [10]. აქ HRAS G12V აჩვენა შემცირებული ურთიერთქმედება რაფთან და გაძლიერებული კავშირი RalGDS– თან. თუმცა, იმის გათვალისწინებით, რომ კვლევაში გამოყენებულია არაჰიდროლიზირებადი GTP- ანალოგი GNP, განსხვავება არ არის გამოწვეული ჰიდროლიზის დარღვევით. HRAS– ის მსგავსად, KRAS G12X მუტანტები გამოხატავენ შემცირებულ მიდრეკილებას რაფის მიმართ ველურ ტიპთან შედარებით [8]. G12D, G12R და G12V მუტანტები აჩვენებენ ძლიერ შემცირებულ მიდრეკილებას რაფის მიმართ, ხოლო G12A– ს მიდრეკილება მხოლოდ ზომიერად არის შემცირებული. საინტერესოა, რომ G12C მუტანტის მსგავსება ველური ტიპის მსგავსია.

RAS– ის დასაკავშირებლად, პროტეინები იყენებენ ubiquitin (UB)-ის მსგავს ნაკეცს: RAS– სავალდებულო დომენს (RBD) ან RAS– ასოციაციის დომენს (RA) [11,12]. მიუხედავად იმისა, რომ KRAS არ არის თანაკრისტალიზებული მის რომელიმე ეფექტურ პროტეინთან, მკაფიო ეფექტიანი ცილები გადაწყდა HRAS– ის კომპლექსში: RalGDS (PDB ID: 4G0N) [13], Raf-1 (PDB ID: 1LFD) [14], PI3Kγ (PDB ID: 1HE8) [15], PLCε (PDB ID: 2CL5) [16], RASSF5 (PDB ID: 3DDC) [17] და AF-6 (PDB ID: 6AMB) [18]. ეს ზემოქმედების ცილები უკავშირდება HRAS– ს მისი გადართვის რეგიონების თავზე: გადამრთველი – I (ნარჩენები 30–40) და გადამრთველი – II (ნარჩენები 58–72), ხოლო HRAS– ის სავალდებულო კონფორმაცია თითქმის იდენტურია ყველა კომპლექსში (S1A ნახ. ). ამის გათვალისწინებით, და რადგან G12X მუტაცია შორს არის სავალდებულო ინტერფეისისგან (S1B სურათი), სმიტმა და იკურამ [10] შემოგვთავაზეს, რომ მუტანტების ეფექტორ ცილებთან შეკავშირების პროფილებში შეუსაბამობა გამოწვეულია გადართვის შეცვლის დინამიკით. საერთო ჯამში, switch-I აჩვენებს უაღრესად დინამიურ მახასიათებლებს, რომლებიც ვლინდება როგორც ორი განსხვავებული მდგომარეობა, როდესაც GTP უკავშირდება RAS– ს და ამ მდგომარეობებს შორის განაწილება იცვლება მუტანტებში [19–22]. იმის გათვალისწინებით, რომ გადართვის რეგიონები HRAS და KRAS– ში იდენტურია (S1C Fig), მათი მოსალოდნელი შეკავშირების რეჟიმი მათ ეფექტორებთან ერთნაირია. KRAS– ის მოდელი A-Raf-RBD– ით კომპლექსში, რომელიც დაკავშირებულია NMR მონაცემებით ლიპიდურ ორსართულიან ნანოდისკთან, ეთანხმება ამ სავალდებულო რეჟიმს [23]. უჯრედულ დონეზე, იზოფორმის სპეციფიკურობა პროტეინებისადმი პირველ რიგში განისაზღვრება მემბრანული ურთიერთქმედებით [24], მაგრამ განსხვავებები RAS იზოფორმების აბსოლუტურ ეფექტორ ცილებთან დაკავშირებულ მიდრეკილებებს შორის იზრდება ალოსტერული ეფექტებიდან [25]. დაფიქსირდა, რომ RAS– ში (Q61L) ერთ წერტილ მუტაციასაც კი აქვს გრძელვადიანი გავლენა დინამიკაზე და ცვლის ეფექტორ ცილებთან ურთიერთქმედებას [13].

KRAS– ის წინა მოლეკულური დინამიკის (MD) სიმულაციური კვლევები მიკროწამებში იყო ძირითადად ველური ტიპის RAS იზოფორმებს შორის დინამიკურ განსხვავებებზე (HRAS, KRAS, NRAS) [26], განსხვავებები KRAS და HRAS არჩეულ მუტანტებს შორის [27,28 ], ჰიპერვერვაციული რეგიონის როლი (HVR) [29], KRAS მემბრანის ასოციაცია ან ორიენტაცია [30-32] და KRAS ოლიგომერიზაცია მემბრანაზე [33]. ამ კვლევების სიმულაციური დრო იყო 1-8 μs დიაპაზონში, რაც გონივრულია, მაგრამ სავარაუდოდ არასაკმარისია გრძელვადიანი დინამიკის ამოსაცნობად, რომელიც დაკავშირებულია ნელ კონფორმაციულ ცვლილებებთან. რაც მთავარია, არ არსებობს ყველა KRAS G12X მუტანტის ყოვლისმომცველი ატომისტური MD სიმულაციის ვრცელი სიმულაციური დრო, რაც იძლევა საიმედო ანალიზს სტრუქტურასა და დინამიურ ქცევაში განსხვავებების შესახებ ველურ ტიპსა და მუტანტებს შორის, განსაკუთრებით ეფექტორ ცილებთან შეკავშირების ინტერფეისში. რა

რა არის G12X სხვადასხვა მუტაციების ფართო სპექტრის ძირითადი მიზეზი? როგორ ვლინდება ეს მკვეთრად განსხვავებული მუტაციები KRAS– ის სტრუქტურაში, დინამიკაში და ფუნქციებში? ეს ცოდნა გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს KRAS ონკოგენეზის გასაგებად და სამომავლო თერაპიების შემუშავებისთვის, რომლებიც მიზნად ისახავს მუტანტი KRAS სიმსივნეების დაფარვას. ამრიგად, წინამდებარე კვლევაში ჩვენ პირველად შევაფასეთ, თუ რამდენად აიხსნება G12X მუტაციის სიხშირეები მუტაციის ალბათობით. დამაინტრიგებლად, მონაცემებიდან გამოჩნდა გამოჩენილი მუტაციური მიკერძოება. ჩვენ შემდეგ გამოვიყენეთ უახლესი ატომისტური MD სიმულაციები (სიმულაციის საერთო დრო 170 μs), რომ შევისწავლოთ KRAS– ის დინამიური ქცევა მისი ბუნებრივი ლიგანდებით (მშპ, GTP) შეკავშირებული, როგორც ველური ტიპის KRAS– ში, ასევე ყველა არსებული ონკოგენურით. G12X მუტაციები. შედეგებმა უზრუნველყო მყარი მტკიცებულება იმისა, რომ მუტაციები ცვლის KRAS– ის დინამიკას, რომ ცვლილება არის მუტაციის სპეციფიკური, ავლენს ალოსტერიულ მახასიათებლებს და რომ ცვლილება გამოიხატება განსაკუთრებით ეფექტორ ცილებთან შემაერთებელ ინტერფეისში. გარდა ამისა, ჩვენი მონაცემები ვარაუდობენ, რომ დაკვირვებული მუტაციური მიკერძოება და ინდივიდუალური KRAS G12X მუტანტების ონკოგენური თვისებები გამოწვეულია, ნაწილობრივ მაინც, მუტაციის სპეციფიკური შეცვლილი დინამიკით.


Აბსტრაქტული

Dyskeratosis congenita (DC) არის მემკვიდრეობითი ძვლის ტვინის უკმარისობის სინდრომი, რომელიც ცნობილია როგორც ტელომერული დაავადებების პროტოტიპი. კლინიკური ტრიადის გარდა (ფრჩხილის დისტროფია, ჰიპერპიგმენტაცია და ლეიკოპლაკია), ძალიან მოკლე ტელომერები (1 პროცენტის ქვემოთ) არის DC– ის დიაგნოზის მარკერი (Calado & amp Young, NEJM 2009). ტელომერის დისფუნქცია დაკავშირებული იყო DC– ს აღმოჩენის შემდეგ DKC1 მუტაციები პაციენტებში, რომლებიც წარმოადგენენ სინდრომის X- დაკავშირებულ ფორმას. ახალი მუტაციები ტელომერული ბიოლოგიის გენებში (TERC, TERT, NOP10, NHP2, TINF2, TCAB1, CTC1, RTEL1, ACDდა PARN) აღწერილია DC– ით დაავადებულ პაციენტებში. ყველა ამ გენის ვარიაციამ შეიძლება გავლენა იქონიოს ტელომერების დაცვაზე და შენარჩუნებაზე, რაც იწვევს ტელომერის შემცირებას და ტელომეროპათიების განვითარებას. ამ კვლევაში ჩვენ დავსახეთ TERT, TERC, DKC1, და TINF2 მუტაციის გენები 15 პაციენტში (საშუალო ასაკი = 10 წელი M/F = 11/4) DC და ძალიან მოკლე ტელომერებით, რათა მოხდეს ამ შემთხვევების მოლეკულურ დონეზე კლასიფიკაცია და ამ მუტაციების სიხშირის განსაზღვრა ჩვენს ჯგუფში. თორმეტი პაციენტის გადარჩენა, რომლებმაც გაიარეს ალოგენური ჰემატოპოეზის ღეროვანი უჯრედების გადანერგვა (HSCT), შეფასდა და დაკავშირებულია მუტაციურ სტატუსთან და ტელომერის სიგრძესთან. DC– ს დიაგნოზი დაისვა Calado & amp Young– ის განმარტებით (2009). ტელომერის სიგრძე იზომება ბირთვულ სისხლის უჯრედებში flow-FISH- ით და მუტაციური სკრინინგი ხორციელდება გენომურ დნმ-ზე, რომელიც ამოღებულია პერიფერიული სისხლის უჯრედებიდან პირდაპირი თანმიმდევრობით. შვიდი არასონიმური მუტაცია გამოვლინდა TINF2 (40%), ორი ინ DKC1 (13%), ერთი შემოსული TERT (6%) და ერთი შემოსული TERC (6%). ის TINF2 ვარიანტები R282H და R282C უკვე აღწერილი იყო როგორც პათოგენური, ასევე T66A და A353V DKC1 ვარიანტები (Knight et al, 1999 Savage et al, 2008 Walne et al, 2008). ჰეტეროზიგოტური ვარიანტი R282H (დაახლ. 845 G & gtA) in TINF2 აღმოაჩინეს 4 დაუკავშირებელ პაციენტში. ერთ -ერთ მათგანს აქვს ერთი და იგივე გენის Q120R და Q157H ვარიანტები. ჰეტეროზიგოტური მუტაცია TINF2 R282C (დაახლ. 844 C & gtT) აღმოაჩინეს ერთ პაციენტში, რომელმაც ასევე წარმოადგინა საერთო პოლიმორფიზმი A279T TERTრა პათოგენური ვარიანტები T66A (c.196A & gtG) და A353V (c.1058C & gtT) in DKC1 აღმოაჩინეს ორ სხვადასხვა მამაკაც პაციენტში. უფრო მეტიც, სამი ახალი მუტაცია გამოვლინდა ჩვენს ჯგუფში, r.94 C & gtT in TERC, F290C in TINF2და R696Cin TERT გვხვდება ჰეტეროზიგოტური მუტაცია r.94 (C & gtT) TERC განლაგებული იყო გენის ფსევდოკნოტ P2b რეგიონში და პაციენტი, რომელიც ატარებდა, რომელსაც აჩვენებდა მძიმე აპლასტიკური ანემია და ყველა DC კლინიკური ტრიადა. რომანის ჰეტეროზიგოტური F290C (დაახლ. 859 T & gtG) ვარიანტი მდებარეობს "ცხელ წერტილში" ეგზონ 6 -ში TINF2 და აღმოაჩინეს ერთ პაციენტში, რომელმაც წარმოადგინა DC- ის მძიმე ფენოტიპი. სილიკოში SIFT და Polyphen-2– ის ანალიზმა იწინასწარმეტყველა, რომ ეს ვარიანტი არ არის შემწყნარებელი და ალბათ საზიანო, რაც შეესაბამება მუტაციის პათოგენურობას. ჰომოზიგოტური მუტაცია R696C (დაახლ. 2086 C & gtT) in TERT აღმოჩნდა ერთ პაციენტში და ასევე მის ორ ძმაში. ყველა მათგანმა წარმოადგინა სისხლის უჯრედების შემცირებული რაოდენობა, DC კლინიკური ნიშნები და მძიმე აპლასტიური ანემია. ოჯახის სკრინინგის შედეგად დადგინდა, რომ მამა და და იყო ჰეტეროზიგოტები ერთიდაიგივე მუტაციისთვის, მაგრამ ორივე ასიმპტომური. დედის დნმ -ის ნიმუში ამ კვლევისთვის მიუწვდომელი იყო. სილიკოში ანალიზი SIFT და Polyphen 2.0, იწინასწარმეტყველა, რომ R696C მუტაცია არ არის ტოლერანტული და შესაძლოა დაზიანდეს ტელომერაზას მოქმედებას, შესაბამისად. გადამოწმება სილიკოში ანალიზი, TRAP ანალიზი უჯრედული ლიზატებით, მიღებული ტელომერაზას უარყოფითი VA13 უჯრედის ხაზიდან ტრანსფექცია ველური ტიპის ან R696C მუტაციით TERT ვექტორი და TERC ვექტორი შეფასების პროცესშია. წინა კვლევების შესაბამისად, ტელომერის სიგრძე პაციენტებში TINF2 მუტაციები იყო ყველაზე მოკლე ტელომერული გენების შედარებით ამ კვლევაში. მიუხედავად იმისა, რომ დაავადების ფენოტიპი და სიმძიმე არ იცვლება მუტირებული გენის მიხედვით. ასევე, მუტაციის სტატუსი (p = 0.28) ან ტელომერის სიგრძე (p = 0.21) არ ახდენს გავლენას პაციენტების გადარჩენის მაჩვენებლებზე HSCT– ის შემდეგ.

Flow-FISH– მა შეძლო ძალიან მოკლე ტელომერებით დაავადებული პაციენტების იდენტიფიცირება და ტელომერის სიგრძის გაზომვა, როგორც DC– ის დიაგნოსტიკური ინსტრუმენტი. DC– ში ყველაზე ხშირად მუტირებული გენების უშუალო თანმიმდევრობამ 1 პროცენტზე ნაკლები ტელომერებით დაავადებულ პაციენტთა ჯგუფში შეძლო ამ დაავადების გენეტიკური მიზეზის დახასიათება შემთხვევების 70% –ზე მეტში. DC– ში გენეტიკური დეფექტის იდენტიფიცირებას შეუძლია მართოს კლინიკური გადაწყვეტილებები და აუცილებელია გენეტიკური კონსულტაციისთვის ძვლის ტვინის გადანერგვამდე.


შესავალი

ტელომერები ქმნიან ქრომოსომების ბოლოებს და ხელს უწყობენ გენომური სტრუქტურული მთლიანობის შენარჩუნებას [Moon and Jarstfer, 2007]. ისინი შედგება ტანდემური ჰექსამერიკისგან (TTAGGG)n ნუკლეოტიდი მეორდება ერთჯაჭვიანი გადახურვისა და ცილის კომპლექსით. გადახურვა იკეცება და ქმნის t- მარყუჟს [Griffith et al., 1999], რაც ხელს უშლის ტელომერის ბოლოების აღიარებას შესვენების წერტილებად დნმ-ის დაზიანების სარემონტო აპარატის მიერ [Palm and de Lange, 2008]. ბევრი ცილა უკავშირდება ან ურთიერთქმედებს ტელომერთან ტელომერული მთლიანობის შესანარჩუნებლად. შელტერინი არის მოწესრიგებული ასოცირებული ცილოვანი კომპლექსი, რომელიც შედგება TERF1, TERF2, TINF2, TERF2IP, ACDდა POT1რა ეს კომპლექსი ხელს უწყობს t- მარყუჟის ფორმირებას და იცავს ტელომერებს დეგრადაციისგან და დნმ-ის შეუსაბამო შეკეთებისგან, რითაც თავიდან აიცილებს ბოლომდე შერწყმას, ატიპიურ რეკომბინაციას და ნაადრევ დაბერებას [Palm and de Lange, 2008]. ტელომერაზის საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა (TERT) და მისი ტელომერის შაბლონის შემცველი რნმ კომპონენტი (TERC) არიან ტელომერებთან ასოცირებული ცილები, რომლებიც ამატებენ ტელომერულ გამეორებებს წაგრძელებულ ტელომერებს [კოლინზი და მიტჩელი, 2002]. დიფერენცირებულ უჯრედებში ტელომერაზის აქტივობა ჩვეულებრივ არ არსებობს. არსებობს მრავალი სხვა მნიშვნელოვანი ტელომერთან დაკავშირებული ცილა და კომპლექსი, რომელიც დროებით ასოცირდება ტელომერულ დნმ-თან, მათ შორის ცილები დნმ-ის შეკეთებაში ჩართული (მაგ. ბანკომატი და MRE11A) და ჰელიკასები (მაგ. BLM და RECQL) [ობერტი და ლანსდორპი, 2008]. დიდი რაოდენობით დამატებითი ცილები ურთიერთქმედებენ პირდაპირ ან არაპირდაპირ ტელომერულ ბოლოებზე და არეგულირებენ ცილა-ცილა და ცილა-დნმ ურთიერთქმედებას, უჯრედული ცილების ტრეფიკინგს და დამატებით ტელომერულ სპეციფიკურ ფუნქციებს.

ტელომერული გამეორებები მერყეობს 0.15 -დან 50 კილობაზამდე (კბ) და თანდათან მცირდება თითოეული უჯრედის გაყოფასთან ერთად [ობერტი და ლანსდორპი, 2008]. ტელომერების სიგრძე დამოკიდებულია ბევრ ფაქტორზე, მათ შორის ასაკზე, უჯრედის რეპლიკაციის ისტორიაზე, ქრომოსომულ მკლავზე და ქსოვილების ტიპზე [ობერტ და ლანსდორპი, 2008 Wise et al., 2009]. ტელომერების სიგრძეში მნიშვნელოვანი ინტერდივიდუალური ცვალებადობაა [ავივი და სხვები, 2009 ნორდფილოლი და სხვები, 2009] და გენეტიკური გავლენა სიგრძის ცვალებადობაზე. ტყუპისა და ოჯახის კვლევებმა შეაფასა საშუალო ლეიკოციტური ტელომერის მემკვიდრეობა 44-დან 84% -მდე [Jeanclos et al., 2000 Njajou et al., 2007 Slagboom et al., 1994 Vasa-Nicotera et al., 2004]. რაოდენობრივი თვისებების კავშირის ანალიზმა დაადგინა ლოკუსები, რომლებიც გავლენას ახდენენ ტელომერების სიგრძეზე ქრომოსომებზე 12q12.22 და 14q23.2 [Andrew et al., 2006 Vasa-Nicotera et al., 2004]. 12q12.22 ლოკუსის ჯარიმა რუქამ გამოავლინა პოლიმორფიზმი BICD1 გენი, რომელიც მნიშვნელოვნად იყო დაკავშირებული ტელომერის უფრო მოკლე სიგრძესთან [მანგინო და სხვები, 2008]. გენომის მასშტაბით ასოციაციის კვლევამ (GWAS) გამოავლინა ორი ერთობლივი ნუკლეოტიდური პოლიმერფიზმი (SNPs) ქრომოსომაზე 18q12.2, რომელიც დაკავშირებულია ლეიკოციტების ტელომერების სიგრძესთან გენის რეგიონში. VPS34/PIKC3C [მანგინო და სხვები, 2009], რომელიც ვარაუდობენ, რომ მონაწილეობს საფუარში ტელომერის სიგრძის ცვალებადობის კონტროლში [Rog et al., 2005]. სხვა ბოლო GWAS– ებმა დაადგინეს კავშირი ლეიკოციტების ტელომერების სიგრძესა და ტელომერებთან დაკავშირებულ ცილას შორის TERC [Codd et al., 2010 Levy et al., 2010] და გენი ვარაუდობენ, რომ ჩართული უნდა იყოს ტელომერების სიგრძის რეგულირებაში, OBFC1 (ოლიგონუკლეოტიდის/ოლიგოსაქარიდის დამაკავშირებელი ნაკეცები, რომელიც შეიცავს ერთს) [ლევი და სხვები, 2010].

ტელომერის სიგრძესა და დაბერებას შორის მისი უკუკავშირი და მისი როლი ასაკობრივ და ნაადრევ დაბერების დაავადებებში კარგად არის დოკუმენტირებული [ობერტ და ლანსდორპი, 2008 გარსია და სხვები, 2007]. ტელომერების გაფუჭება ასევე ასოცირდება ანთებით პროცესებთან, ჟანგვითი სტრესთან და არაჯანსაღი ცხოვრების წესთან [Mirabello et al., 2009 Morlá et al., 2006 von Zglinicki, 2002]. სულ უფრო და უფრო მეტი მტკიცებულება არსებობს, რომ მოკლე ტელომერები დაკავშირებულია კიბოს დაწყებასთან და პროგრესირებასთან [Blasco et al., 1997 Hackett and Greider, 2002].

კიბოს GWAS აჩვენა, რომ SNPs გენებში, რომლებიც აკოდირებენ ტელომერებთან დაკავშირებულ ცილებს 5p15.33 (TERT-CLPTM1L ლოკუსი) და RTEL1 დაკავშირებული იყო გლიომის რისკთან [Shete et al., 2009 Wrensch et al., 2009], პანკრეასის [Petersen et al., 2010] და/ან ფილტვის კიბო [Jin et al., 2009 Landi et al., 2009 McKay და სხვ., 2008]. გარდა ამისა, სიმსივნის მრავალი ტიპის ასოციაციის შესწავლა ვარაუდობს, რომ ეს არის TERT-CLPTM1L რეგიონი შეიძლება შეიცავდეს კიბოს საერთო რისკის მნიშვნელოვან მარკერს [რაფნარი და სხვები, 2009]. შესაძლებელია, რომ ტელომერებთან ასოცირებული გენების კიბოსთან დაკავშირებული თანმიმდევრობის ვარიანტები იყოს უფრო მოკლე ტელომერებთან.

თანდაყოლილი დისკერატოზის, ძვლის ტვინის მემკვიდრეობითი უკმარისობის და კიბოს წინასწარგანწყობის სინდრომის კვლევები ასევე მნიშვნელოვანი იყო ტელომერული დისფუნქციის შედეგების გასაგებად [Savage and Alter, 2009]. თანდაყოლილი დისკერატოზით დაავადებულ პაციენტებს აქვთ უკიდურესად მოკლე ტელომერები თავიანთი ასაკისთვის, რამდენიმე კიბოს განვითარების მაღალი რისკი და გენეტიკური გენეტიკური მუტაციები, რომლებიც მნიშვნელოვანია ტელომერების შენარჩუნებაში (DKC1, TERC, TERT, NOLA3, TINF2, ან NOLA2) [არმანიოსი, 2009 Savage and Alter, 2009]. ტელომერული ბიოლოგიის დარღვევების ფენოტიპური სპექტრი ასევე მოიცავს პაციენტებს იზოლირებული აპლასტიური ანემიით [Yamaguchi et al., 2005], მწვავე მიელოგენური ლეიკემიით [Calado et al., 2009] და ფილტვის იდიოპათიური ფიბროზით [Armanios et al., 2007] რომლებსაც შეიძლება ჰქონდეთ მუტაციები TERC ან TERT.

ასოცირებული და ტელომერული კომპლექსური ცილების უმრავლესობა მეტად ევოლუციურად არის დაცული [de Lange, 2004 Kanoh and Ishikawa, 2003 Li et al., 2000 Mirabello et al., 2008 Nakamura and Cech, 1998 Savage et al., 2005]. ბოლოდროინდელი პოპულაციური გენეტიკური კვლევა, რომელიც მიზნად ისახავდა 37 ტელომერის შენარჩუნების გენს მსოფლიოს 53 პოპულაციაში, აღმოჩნდა, რომ ამ გენებს აქვთ შეზღუდული გენეტიკური ცვალებადობა [Mirabello et al., 2008]. ტელომერის გენების უმრავლესობას ჰქონდა დაბალი მრავალფეროვნება, საგვარეულო ალელების სიხშირე და მოსახლეობის დაბალი დიფერენციაცია [მირაბელო და სხვები, 2008].

ცოტაა ცნობილი იმის შესახებ, თუ რამდენად საერთო გენეტიკური ცვალებადობა უკავშირდება ტელომერების სიგრძეს. ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ტელომერებთან ასოცირებული ცილების გენების გენეტიკური ცვალებადობა შეიძლება გავლენა იქონიოს ტელომერის სიგრძეზე. ჩვენ შევაფასეთ კავშირი გენეტიკურ ცვალებადობას შორის 43 კანდიდატი ტელომერული ბიოლოგიის გენებში და ლეიკოციტების ტელომერების სიგრძეზე SNP მარკერების გამოყენებით ძუძუს და პროსტატის კიბოს GWAS (Hunter et al., 2007 Yeager et al., 2007). ეს გენები აკოდირებენ ცილებს, რომლებიც ფიქრობენ, რომ მონაწილეობენ ან ტელომერის სიგრძის შენარჩუნებაში, ან ტელომერის შემაკავშირებელ ცილებთან, რომლებიც აუცილებელია ტელომერების სტაბილურობისა და სტრუქტურისათვის. Telomere length data was obtained from prospectively collected blood samples and measured using quantitative-polymerase chain reaction (Q-PCR) by the same laboratory [De Vivo et al., 2009 Mirabello et al., 2009 ].


Telomeres and age-related disease: how telomere biology informs clinical paradigms

Department of Oncology, Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center, and McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, Maryland, USA.

Address correspondence to: Mary Armanios, Department of Oncology, Johns Hopkins University School of Medicine, 1650 Orleans St., Cancer Research Building I Room 186, Baltimore, Maryland 21287, USA. Phone: 410.502.3817 Fax: 410.955.0125 E-mail: [email protected]

Find articles by Armanios, M. in: JCI | PubMed | Google Scholar

Telomere length shortens with age and predicts the onset of replicative senescence. Recently, short telomeres have been linked to the etiology of degenerative diseases such as idiopathic pulmonary fibrosis, bone marrow failure, and cryptogenic liver cirrhosis. These disorders have recognizable clinical manifestations, and the telomere defect explains their genetics and informs the approach to their treatment. Here, I review how telomere biology has become intimately connected to clinical paradigms both for understanding pathophysiology and for individualizing therapy decisions. I also critically examine nuances of interpreting telomere length measurement in clinical studies.

Understanding basic biological mechanisms holds the potential to advance clinical paradigms. The emerging impact of telomerase and telomere biology in medicine provides a clear example of this promise. Research in this area was initially sparked by fundamental questions about how genomes are protected at chromosome ends, and focused on curiosity-driven questions in maize, yeast, and protozoa ( 1 ). These highly conserved molecular mechanisms have now led to unforeseen benefits for understanding idiopathic disease and have opened a new area of translational research. Here I review the trajectory of the evolving role of telomere biology in clinical paradigms and highlight how it has become central to understanding the pathophysiology of age-dependent disorders as well as for informing new approaches to their treatment.

Telomeres define the ends of linear chromosomes. They are made up of repetitive DNA sequences that are bound by specialized proteins. The human telomeric DNA sequence is a tandem repeat of TTAGGG that extends several kilobases (a mean of 10 kilobases in umbilical cord blood) ( 2 – 4 ). The telomere-binding complex of proteins, known as shelterin, together with telomere DNA, functions as a dynamic unit that protects chromosome ends from being recognized as broken DNA, thus preventing their degradation and participation in fusion events ( 5 ). Telomeres are therefore essential for the maintenance of genomic integrity.

Telomerase is the specialized polymerase that synthesizes new telomere repeats ( 6 , 7 ). It offsets the shortening that normally occurs with cell division since the replication machinery does not copy fully to the ends. Telomerase has two essential core components, the telomerase reverse transcriptase (TERT) and the telomerase RNA (TR), the latter of which provides the template for telomere repeat addition ( 8 – 10 ). In human cells, telomerase is the primary mechanism by which telomeric DNA is synthesized de novo. As will be discussed, mutations in the TERT და TR genes are considered the most common cause of inherited human telomere-mediated disease ( 11 ). Even with mild perturbations in telomerase activity, telomere length homeostasis is disturbed and manifests in what has become recognized as a discrete syndrome complex, which recapitulates age-dependent disease processes ( 12 , 13 ). As such, these mutations and their clinical consequences are the primary focus of this Review.

Telomeres have long been linked to processes of cellular aging. Since the 1990s it has been known that telomere length predicts the onset of replicative senescence ( 14 , 15 ), a permanent state of cell cycle arrest that primary cells reach after they undergo a finite number of cell divisions ( 16 ). The fact that telomeres also shorten in vivo in humans with advancing age made a further compelling case for the idea that telomeres play a role in age-related processes. The evidence reviewed here shows that telomere shortening is sufficient to provoke age-related pathology. Several factors ensure that telomere shortening is a default state in somatic cells. Although telomerase offsets the end-replication problem, its levels are tightly regulated and only a few telomeres are elongated in each cell cycle ( 17 ). Therefore, even cells that may be relatively enriched for telomerase activity, such as hematopoietic stem cells, undergo telomere shortening with age ( 4 ). The incremental elongation of telomeres by telomerase can also be seen across generations ( 18 ). For both humans and mice, the telomere length of parentes determines the telomere length of their offspring ( 19 – 21 ). These observations have further established telomere length as a unique genotype (at times referred to as “the telotype”) and as a source of genetic variation across human populations ( 22 ).

When telomeres become critically short, they become dysfunctional and activate a DNA damage response that resembles double-strand breaks ( 23 ). The resulting signaling cascade provokes apoptosis and/or a permanent cell cycle arrest that, until recently, has been considered the primary functional consequence of senescence. Cell type–dependent factors determine whether apoptosis, senescence, or a combined phenotype predominates in response to dysfunctional telomeres ( 14 , 24 , 25 ), although the molecular effectors that discriminate between these pathways are not entirely understood.

Recently, a more complex understanding of the senescence phenotype has been emerging and suggests a closer link to disease mechanisms than was previously appreciated. For example, although senescent cells are quiescent in the cell cycle, for reasons that are not entirely clear, their gene expression profile is altered ( 26 ). One consequence of this altered gene expression is that senescent cells secrete a predictable profile of cytokines, chemokines, and proteases into culture media, a phenotype known as the senescence-associated secretory phenotype (SASP) ( 27 , 28 ). In vivo, the SASP has been hypothesized to play a role in the clearance of damaged cells ( 29 ). Telomere dysfunction is furthermore associated with a state of decreased cellular metabolic activity ( 25 , 30 ). In mice with short telomeres, defective cellular metabolism in the setting of senescence manifests as mitochondrial dysfunction and aberrant Ca 2+ signaling that cause insulin secretory defects by pancreatic β cells ( 25 ). These defects disturb glucose homeostasis in vivo. The fact that cellular senescence is associated with defective signaling and metabolism provides new contexts for understanding mechanisms of degenerative disease with age, particularly because these defects might occur in the absence of overt histopathology ( 25 ).

The most compelling evidence that telomeres contribute to aging comes from the fact that mutant telomerase and telomere genes cause telomere shortening that manifests in age-related phenotypes (see Telomere syndrome manifestations that overlap with human age-related phenotypes). Because telomere shortening is acquired universally with age, these disorders have a particular relevance for understanding mechanisms of age-related disease. Telomere-mediated disorders show two hallmarks of age-related disease: degenerative organ failure and a cancer-prone state ( 31 ). Age-related disease is additionally marked by atherosclerosis however, premature vascular disease has not been reported and does not, in our experience, seem to be accelerated in individuals with telomere disorders.

Eight genes have been implicated in monogenic telomere disorders (reviewed in ref. 22 ). The most prevalent are heterozygous mutations in TERT და TR, which cause autosomal dominant disease. The dominant mode of inheritance occurs as a result of the sensitivity of telomere maintenance to telomerase levels, even when only one allele is perturbed ( 12 , 18 , 32 – 35 ). მუტაციები TERT და TR usually cause significant morbidity after the reproductive age is reached, and a greater number of offspring are affected as a result of their dominant mode of inheritance. They are thus estimated to be the most prevalent cause of inherited telomere disorders, comprising at least 90% of cases ( 11 ). Mutations in genes encoding the X-linked telomerase accessory component, DKC1, which is essential for human TR stability, and the autosomal shelterin gene, TINF2, explain a significant subset of pediatric telomere syndrome cases, especially in the setting of dyskeratosis congenita, which was the first genetic disorder to be linked to telomere biology ( 36 – 38 ). Biallelic mutations in the conserved telomere component 1 gene, CTC1, which plays a putative role in telomere lagging strand synthesis, have also been recently implicated in rare autosomal recessive cases that also have predominantly pediatric presentations ( 39 – 41 ). There remains a subset of cases with inherited telomere phenotypes for which the mutant genes are unknown their identification is the focus of ongoing research.

Telomere-mediated disease has diverse presentations that span the age spectrum. Their type, age of onset, and severity depend on the extent of the telomere length defect. In infancy, severe telomere shortening manifests as developmental delay, cerebellar hypoplasia, and immunodeficiency, features that are recognized in the rare Hoyeraal-Hreidarsson syndrome ( 42 ). In children and young adults, telomere-mediated disease causes bone marrow failure and at times may be recognized in the mucocutaneous syndrome dyskeratosis congenita, which is defined by a triad of mucocutaneous features — skin hyperpigmentation, dystrophic nails, and oral leukoplakia ( 33 , 43 , 44 ). Telomere-mediated disease manifests in adults as isolated or syndromic clustering of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), liver cirrhosis, and bone marrow failure ( 31 ). მუტანტი TERT და TR genes account for 8%–15% of familial and 1%–3% of sporadic pulmonary fibrosis cases ( 45 – 47 ). Because IPF affects at least 100,000 individuals in the United States, it is considered the most prevalent manifestation of the telomere disorders ( 11 ). An individual who carries a telomerase mutation will therefore most frequently be clinically recognized as an adult with familial pulmonary fibrosis. Adult-onset telomere disease may rarely also manifest as sporadic or familial myelodysplastic syndrome or acute myeloid leukemia ( 48 – 50 ). The co-occurrence of IPF and bone marrow failure within a single family is highly predictive for the presence of a germline telomerase defect ( 51 ).

Although the manifestations of telomere-mediated disease occur in multiple organs and may appear clinically different, it has been proposed that their shared short telomere length defect unifies them under the umbrella of a single syndrome continuum ( 12 , 22 , 31 , 45 , 46 , 51 ). This molecular classification is significant because the telomere defect is present in the germline of these patients and thus, even when a single presentation predominates, complications that are relevant to managing symptoms and averting complications may arise in other organs. The regrouping of what have historically been considered unrelated disorders provides new clinical insights as these conditions significantly overlap. The consideration of the telomere syndromes as a single spectrum exemplifies how a molecular classification of disease may help explain previously mysterious complications of treatment and refine clinical approaches.

The clinical manifestations of telomere shortening can be divided into two broad categories: those affecting high-turnover tissues and those affecting low-turnover tissues. This distinction is important for understanding disease patterns because the high-turnover phenotypes tend to appear first in pediatric populations and represent more severe disease (ref. 51 and Figure 1). For example, telomere syndromes in infancy manifest as severe immunodeficiency, which affects B cells, T cells, and NK cells, coincident with the extraordinary replicative demands on the adaptive immune system during this period of development ( 42 , 52 , 53 ). Bone marrow phenotypes tend to appear later in children and young adults as isolated cytopenias or aplastic anemia ( 43 , 45 , 51 , 54 ). The hematopoietic defects have been studied in animal models and represent a stem cell failure state whereby short telomere length limits both stem cell number and function ( 33 , 51 , 55 – 57 ). The telomere-mediated bone marrow failure phenotype is stem cell autonomous because allogeneic stem cell transplantation can reverse this state. The gastrointestinal epithelium, another high-turnover compartment, is also affected in a subset of patients who develop an enteropathy marked by villous blunting that resembles celiac disease ( 53 ). These intestinal phenotypes are similarly thought to be caused by stem cell failure that appears as villous atrophy in mice with short telomeres ( 18 , 58 ).

Clinical manifestations of telomere disorders and their onset relative to tissue turnover rate. Shown are representative images of diagnostic histopathology and radiographic studies in patients with telomere-mediated disease () and 5-ethynyl-2′-deoxyuridine (EdU) incorporation detected in corresponding mouse tissues (). The estimated turnover rate of more than 90% of cells is indicated for each pair of images. () Photomicrograph of a bone marrow biopsy showing an acellular marrow replaced by adipose tissue with only remnants of hematopoiesis, taken from an individual with aplastic anemia. Image reproduced with permission from Annual Reviews of Genomics and Human Genetics ( 31 ). () Histopathology of a duodenal biopsy from a patient with telomere-mediated enteropathy shows profound villous atrophy. Image reproduced with permission from Aging Cell ( 53 ). () Abdominal CT scan image from a patient with liver cirrhosis, as evidenced by the nodular liver surface, the caudate lobe hypertrophy, and splenomegaly. () Lung windows of a chest CT scan from a carrier of the telomerase mutation show classic basilar honeycombing changes pathognomonic for IPF. () Flow cytometry plot of EdU incorporation in the bone marrow after a short (2-hour) pulse, showing that nearly one-third of the cells have undergone division. () Immunohistochemistry of intestinal section after a EdU pulse (5 days) shows that nearly all enteric epithelial cells are positively labeled (brown). () Brown staining shows EdU-labeled hepatocytes after EdU labeling (14 days). () Image of terminal bronchiole shows EdU-positive lung epithelial cells (red) identified by the Clara cell antigen (green) after 14 day label.

More commonly, telomere-mediated disease manifests in slow-turnover tissues, such as the lung and the liver (Figure 1). These phenotypes frequently appear as de novo adult-onset disease, in contrast to the pediatric presentations of dyskeratosis congenita and related disorders. IPF presents at a mean age between 50 and 60 years (range 31–87) ( 35 , 45 , 47 , 51 , 59 , 60 ), and telomere-related cryptogenic liver fibrosis, based on reported cases, presents at a mean of 37 years (range 20–57) ( 12 , 59 , 61 ). The mechanisms of these adult-onset disorders can also be distinguished in animal models. In contrast to the high-turnover phenotypes that are readily evident in the telomerase knockout mouse, telomere dysfunction in slow-turnover organs serves as the first of multiple acquired “hits” that contribute ultimately to organ failure (Figure 2). For example, mice with short telomeres do not develop de novo lung phenotypes, but acquire them only after chronic injury such as with cigarette smoke ( 62 ). Similarly, liver damage is only detected when mice with short telomeres are challenged with carbon tetrachloride ( 63 ). In the endocrine pancreas, telomere dysfunction cooperates with genetically induced endoplasmic reticulum stress to cause β cell apoptosis and manifest in worsening diabetes severity ( 25 ). Therefore, in tissues in which adult cell turnover is minimal, telomere dysfunction disturbs organ homeostasis because of cumulative hits in long-lived cells and eventually culminates in what appears as irreversible adult-onset disease (Figure 2). The cell types responsible for the telomere-induced fibrotic disorders are not known, but it has been hypothesized that these disorders, similar to the telomere-dependent bone marrow and intestinal defects, represent stem cell failure states ( 45 ). This framework has important implications for treatment strategies, as discussed below.

Model for understanding the mechanisms of telomere-mediated disease in high- and low-turnover tissues. In high-turnover tissues (left), cell replication is the primary determinant of disease onset. In contrast, in low-turnover tissues (right), other genetic and acquired hits contribute to disease onset. In both cases, telomere dysfunction induces apoptosis and/or senescence. The senescence phenotype may be associated with gene expression changes, mitochondrial dysfunction, aberrant Ca 2+ signaling, and the SASP.

Telomere length is the primary determinant of disease onset and predominant presentation in telomere disorders. This observation is supported by the fact that in families that carry mutant telomerase genes and display autosomal dominant inheritance, the disease worsens and appears earlier with each successive generation as the telomere length shortens ( 12 , 64 ). Genetic anticipation due to telomere shortening was first recognized in telomerase-null mice, which develop worsening phenotypes with successive breeding ( 18 , 58 , 65 ). In very late generations, mice die at pre-reproductive ages, which eventually limits the genetic lineage ( 19 ). The severity of the genetic anticipation in human families correlates in part with the extent of telomerase loss of function — families with functionally null telomerase alleles show more evident changes in onset across consecutive generations, in contrast to families that carry hypomorphic mutations ( 12 , 35 ). Telomere phenotypes also evolve in autosomal dominant telomere syndromes. In older generations, slow-turnover disease tends to predominate, with IPF being the primary first complication. In later generations, a bone marrow failure–predominant phenotype often comes to attention first ( 51 ). Therefore, a single telomerase gene mutation can have heterogeneous manifestations within a given family ( 51 ). This evolving pattern is unique to these Mendelian disorders and distinguishes the telomere syndromes from other conditions that show genetic anticipation, such as the trinucleotide repeat expansion syndromes ( 66 ). Clinically, this pattern of inheritance poses particular challenges to genetic counseling discussions with at-risk individuals, as the type and onset of disease may be heterogeneous and difficult to predict.

Telomere-mediated organ failure typically has a protracted course, especially in adults who may have subclinical disease for many years before becoming symptomatic ( 67 ). In some cases, for example with an offending insult such as an infection or an exposure to drug toxicities, acute declines can be sustained. In the past, this progressive course has led to a view of telomere disorders (such as aplastic anemia and IPF) as autoimmune processes, and to their empiric treatment with immunosuppression ( 33 ). With clear causal links to telomere defects, and with a growing appreciation for the full spectrum of telomere phenotypes, it is now possible to identify affected patients and thus to refine the treatment approach. Patients with telomere-related syndromes are known to have a higher incidence of adverse events with cytotoxic therapies ( 44 ) which makes the diagnostic considerations particularly important. The current treatment for telomere-mediated organ failure is primarily supportive, and its complete reversal is feasible only with organ transplantation. Below I highlight some examples in which telomere biology has affected clinical paradigms.

Patients with telomere syndromes may have subtle cosmetic features of aging (e.g., premature hair graying), but dysmorphic features are not sensitive and, in our experience, not sufficiently robust to make the diagnosis, even with training. In the setting of bone marrow transplantation, such diagnostic decisions are particularly imperative because patients with telomere syndrome have historically had poor outcomes with conventional bone marrow transplantation (reviewed in ref. 44 ). Morbidity and mortality occur primarily because of pulmonary and liver toxicity related to chemotherapy used in standard conditioning transplant regimens. With appreciation for the broad telomere-related clinical spectrum, and with the availability of DNA sequencing and telomere length measurement, improved selection has allowed for the testing of reduced-intensity regimens in dedicated studies for patients with telomere disorders. This approach has shown promising short-term outcomes ( 68 ).

IPF treatment is another evolving area in which telomere biology challenges current treatment approaches. IPF is a progressive disorder with a mean survival of 3 years from diagnosis ( 69 ). No approved treatments for IPF are currently available, and lung transplantation is accessible to only a small subset of patients who develop end-stage lung disease (less than 5%) ( 70 , 71 ). Although telomerase mutations are the most commonly identifiable genetic cause for familial pulmonary fibrosis, short telomere length in pathological ranges is a common feature even in IPF patients without mutations ( 11 ). The telomere length defect is likely in the germline, as it is concurrently seen in multiple leukocyte subsets as well as lung epithelial cells ( 46 ). This observation has led to the idea that short telomere length may be a risk factor for this disease ( 46 ). In support of the idea that telomere length might play a role in driving apparently sporadic IPF is the observation that a subset of IPF patients concomitantly develops cryptogenic liver cirrhosis, another telomere-mediated phenotype ( 46 ). In the past two decades, the idea that IPF may be an immune-mediated disease has led to the use of immunosuppressive therapy outside and within clinical trials (ref. 72 and references therein). A recent phase III trial that randomized patients with IPF to the immunosuppressive regimen of N-acetyl cysteine alone, a combination of N-acetyl cysteine, prednisone, and azathioprine, or placebo alone was stopped early because the mortality rate in the group receiving combination treatment was 8-fold higher than that in the placebo group ( 73 ). The majority of deaths were reported as respiratory in nature, but it remains unclear whether they were indirectly related to systemic toxicity. Although the role of telomere defects in sporadic forms of IPF is not yet fully understood, the lack of efficacy combined with the increased toxicity seen in recent immunosuppression trials suggests that future clinical approaches to IPF treatment should account for the fact that patients with this form of idiopathic interstitial pneumonia may be exquisitely sensitive to cytotoxic drugs. IPF patients also fare poorly with cancer treatment, an observation that is not commonly noted in patients with other lung disorders ( 74 ). It has been suggested that the apparently irreversible scarring pattern of IPF may represent a stem cell failure state that will not amenable to reversal with immunosuppression similar to telomere-mediated aplastic anemia ( 45 ). Ultimately, fundamental research in lung biology following the telomere genetic clues has the potential to open paths to new treatment paradigms for age-dependent fibrotic lung disease.

One important breakthrough that has emerged from the study of human monogenic disorders is the delineation of clinically meaningful thresholds for telomere shortening. Through the use of the telomere length method of flow cytometry and fluorescence in situ hybridization ( 75 ), the lymphocyte telomere length in patients with telomere syndrome can be stratified relative to age-matched controls in the population. Early studies that have examined this tool in the monogenic telomere disorders suggest that a threshold below the tenth percentile is sensitive, and below the first percentile is fairly specific, for distinguishing individuals who carry mutant telomere genes from their relatives who are noncarriers ( 45 , 46 , 76 ). These ranges have allowed for the use of this validated method for testing telomere length in the diagnostic work-up of suspected telomere disorders.

The fact that certain age-adjusted thresholds of telomere length have predictive value in clinical settings is significant because short leukocyte telomere length has been associated with numerous disease states and environmental factors, including chronic inflammatory states such as cancer (reviewed in ref. 77 ), cardiovascular disease (reviewed in ref. 20 ), and acquired states such as emotional stress, poor socioeconomic status, and education levels (reviewed in refs. 78 , 79 ). Although some of these variables have shown statistically significant telomere shortening consistently across studies, the biological consequences of this relative shortening cannot be equated with the severe telomere length defects seen in the monogenic telomere disorders (Figure 3). While the differences may be statistically significant, the absolute telomere length change in some cases may be small and might therefore reflect acquired replicative stress states rather than telomere-driven degenerative changes such as with the monogenic telomere syndromes. This important caveat should be considered in the interpretation of telomere epidemiology studies.

Telomere syndromes have defined pathological ranges of telomere shortening. Although short telomere length (TL) has been associated with numerous conditions, in some cases, the shortening reflects acquired replicative stress states rather than telomere-driven degenerative changes. () Putative dataset showing large effect size and short telomere length outside of the normal age-adjusted range. () Small and statistically significant change in telomere length in hypothetical dataset is less likely to reflect a telomere-mediated process.

Clinical observations in patients with telomere syndromes also shed light on the role of telomeres in cancer, which until recently had been primarily studied in cell culture and animal models. Like other DNA repair disorders, telomere disorders are cancer prone however, the overall incidence is relatively low ( 80 ). The cancer-related mortality in patients with telomere syndrome is not known, but it has been estimated that 10% of patients with dyskeratosis congenita are diagnosed with cancer ( 54 , 80 ). However, that estimate likely includes skin squamous cell cancers, which are prevalent in this group of patients and are usually not lethal ( 54 ). Cancers in dyskeratosis congenita have a predilection for high-turnover tissues, with squamous cell carcinomas of the skin and upper aerodigestive tract, myelodysplasia, and acute myeloid leukemia being the most common ( 80 ). In a cohort of adults with IPF with TERT mutations, 10% self-reported a history of cancer, although this rate was not adjusted for age or other exposures ( 60 ). These clinical observations make it clear that although telomere syndrome patients are at significantly increased risk for developing cancer, degenerative disease accounts for the majority of the morbidity and mortality in at least 90% of cases.

The relatively low overall incidence of cancers in patients with telomere disorders underscores the fact that in the presence of an intact DNA damage response, short telomere length predominantly causes cell loss in humans. These observations are in line with the long-hypothesized role of telomere shortening as a powerful tumor-suppressive mechanism ( 81 ). Studies in animal models have shown that short telomeres suppress tumorigenesis by mediating p53-dependent apoptosis and senescence ( 82 ). In mice with short telomeres that also lack p53, genomic instability fuels carcinogenesis ( 83 – 85 ). Whether short telomere length in human cancers may contribute to genomic instability at a low level remains a question of ongoing study. Other explanations have been hypothesized to underlie the tumor-prone nature of telomere syndromes, such as compromised immunosurveillance due to the associated immunodeficiency phenotype ( 22 ). The stem cell exhaustion state itself has also been proposed to contribute to tumorigenesis, and this would explain the tumor-prone nature of stem cell failure states, such as occurs with non–telomere-mediated aplastic anemia. The clinical study of disease driven by telomere defects provides a unique opportunity to refine current ideas about the role of telomere dysfunction in human cancer development and progression.

Hypothesized molecular mechanisms for aging in modern biology have abounded. These have included stem cell failure, mitochondrial dysfunction, genotoxic stress, and epigenetic changes. Recent cumulative evidence points to telomere shortening as sufficient to provoke all these mechanisms. The manifestations of telomere-mediated disease, especially in adults, can be subtle and are often indistinguishable from the slow, gradual functional decline that is a hallmark of aging. The compelling clinical evidence therefore points to telomere shortening itself as being sufficient, or perhaps more broadly representing forms of genotoxic stress that contribute to age-related changes.

In the past decade, telomere biology has provided a molecular rationale for unifying a group of historically considered unrelated disorders under the umbrella of telomere syndromes. The rich, context-dependent clinical presentations of these single-gene disorders and their now appreciated overlap highlight how a molecularly based understanding of disease can refine clinical care at the bedside. This new understanding underscores how the interpretation of increasingly available genetic information might require clinical contextualization before it can be readily applied. Beyond these conceptual considerations, telomere biology has of late brought new tools for diagnosis as well as for understanding disease mechanisms in areas that have long been perplexing to clinicians. Such novel paradigms are particularly needed when it comes to approaching difficult problems such as IPF. The coming years will undoubtedly point to new examples of how the biology of these DNA ends may advance clinical care.

I am particularly indebted to Jonathan Alder for helpful discussions and for assistance with the figures, and to Carol Greider for critical comments on the manuscript. I acknowledge funding support from the NIH (grants R21 HL104345 and RO1 CA160433), the Maryland Stem Cell and Commonwealth Foundations, and the Flight Attendants Medical Research Institute.

Conflict of interest: The author has declared that no conflict of interest exists.

საცნობარო ინფორმაცია: J Clin Invest. 2013123(3):996–1002. doi:10.1172/JCI66370.


შესავალი

The immortal DNA strand hypothesis, originally proposed by Cairns in 1975, poses that adult mammalian stem cells do not segregate DNA strands randomly after proliferation [1]. Instead, stem cells might preferentially retain the parental ancestral strand, whereas the duplicated strand is passed onto differentiated cells with limited life span (Fig 1). In principle, such hierarchical tissues could produce differentiated progeny indefinitely without accumulating any proliferation-induced mutations in the stem cell compartment [2,3]. Experimental evidence supporting this hypothesis comes from BrdU stain tracing experiments both ინ ვიტრო და in vivo [4–7]. Evidence from spindle orientation bias in mouse models of normal and precancerous intestinal tissue corroborated these findings, suggesting that strand segregation is then lost during tumourigenesis [8]. However, many of the experiments suffer from uncertainties in stem cell identity and a definite mechanism of strand recognition remains unknown [9]. Hence why Cairns hypothesis remains controversial [10].

ა) During replication of the ancestral DNA strand, errors (dashed line) might occur. If these errors are not corrected by intrinsic DNA repair mechanisms, they become permanently fixed in daughter cells after the next cell division. However, the original ancestral strand is still present and can provide the blue print for additional non-mutated copies of DNA. ბ) In principle, a stem cell driven tissue allows for non-random DNA strand segregation. Preferentially segregating ancestral DNA strands into stem cells and duplicated strands into differentiated cells with limited life span can drastically reduce the accumulation of somatic mutations in tissues.

Orthogonal studies based on the expected accumulation of somatic mutations in healthy human tissues have argued against the immortal strand hypothesis [11,12]. However, the mere accumulation of somatic mutations in healthy tissue neither supports nor negates the immortal strand hypothesis in vivoრა Here, we show that measuring the change of the mutational burden and, most crucially, the change of the variance of the mutational burden with age allows determining the probability of DNA strand segregation and the per cell mutation rate in healthy human tissues. First, we outline the approach and then apply it to genomic data from healthy human colon, small intestine, liver, skin and brain tissue. The data comes from four recent independent studies on mutational burden in healthy tissues [13–16], which contain information on in total 39 individuals at different ages and analysed genomes of 341 single cells. We find evidence for non-random strand segregation in all adult tissues and significant differences in somatic mutation rates between tissues, but less prominent strand-segregation in brain tissue during early development.


სქოლიოები

One contribution of 15 to a Discussion Meeting Issue ‘The new science of ageing’.

ეს არის ღია წვდომის სტატია, რომელიც განაწილებულია Creative Commons Attribution ლიცენზიის პირობებით, რომელიც იძლევა შეუზღუდავი გამოყენების, გავრცელების და რეპროდუცირების საშუალებას ნებისმიერ მედიუმში, იმ პირობით, რომ ორიგინალური ნამუშევარი სწორად არის ციტირებული.

ცნობები

რა 2005 Shelterin: the protein complex that shapes and safeguards human telomeres . გენები დევ. 19, 2100–2110.doi:

რა 2007 The epigenetic regulation of mammalian telomeres . ნათ. მეუფე გენე. 8, 299–309.doi:

Greider C. W.& Blackburn E. H.

რა 1985 Identification of a specific telomere terminal transferase activity in ტეტრაჰიმენა extracts . უჯრედი 43, 405–413.doi:

რა 2005 Telomeres and human disease: aging, cancer and beyond . ნათ. მეუფე გენე. 6, 611–622.doi:

2007 Telomerase mutations in families with idiopathic pulmonary fibrosis . ნ.ინგლ. ჯ. მედი. 356, 1317–1326.doi:

Mitchell J. R., Wood E.& Collins K.

რა 1999 A telomerase component is defective in the human disease dyskeratosis congenita . Ბუნება 402, 551–555.doi:

Tsakiri K. D., Cronkhite J. T., Kuan P. J., Xing C., Raghu G., Weissler J. C., Rosenblatt R. L., Shay J. W.& Garcia C. K.

რა 2007 Adult-onset pulmonary fibrosis caused by mutations in telomerase . პროკ. ნათლის აკად. მეცნიერება აშშ 104, 7552–7557.doi:

Vulliamy T., Marrone A., Goldman F., Dearlove A., Bessler M., Mason P. J.& Dokal I.

რა 2001 The RNA component of telomerase is mutated in autosomal dominant dyskeratosis congenita . Ბუნება 413, 432–435.doi:

Blasco M. A., Funk W., Villaponteau B.& Greider C. W.

რა 1995 Functional characterization and developmental regulation of mouse telomerase RNA component . მეცნიერება 269, 1267–1270.doi:

Blasco M. A., Lee H.-W., Hande P., Samper E., Lansdorp P., DePinho R. A.& Greider C. W.

რა 1997 Telomere shortening and tumor formation by mouse cells lacking telomerase RNA . უჯრედი 91, 25–34.doi:

Lee H.-W., Blasco M. A., Gottlieb G. J., Greider C. W.& DePinho R. A.

რა 1998 Essential role of mouse telomerase in highly proliferative organs . Ბუნება 392, 569–574.doi:

Herrera E., Samper E.& Blasco M. A.

რა 1999 Telomere shortening in mTR−/− embryos is associated with a failure to close the neural tube . EMBO J. 18, 1172–1181.doi:

García-Cao I., García-Cao M., Tomás-Loba A., Martín-Caballero J., Flores J. M., Klatt P., Blasco M. A.& Serrano M.

რა 2006 Increased p53 activity does not accelerate telomere-driven ageing . EMBO რეპ. 7, 546–552. PubMed, Google Scholar

Espejel S., Franco S., Sgura A., Gae D., Bailey S. M., Taccioli G. E.& Blasco M. A.

რა 2002 Functional interaction between DNA-PKcs and telomerase in telomere length maintenance . EMBO J. 21, 6275–6287.doi:

Espejel S., Franco S., Rodríguez-Perales S., Bouffler S. D., Cigudosa J. C.& Blasco M. A.

რა 2002 Mammalian Ku86 mediates chromosomal fusions and apoptosis caused by critically short telomeres . EMBO J. 21, 2207–2219.doi:

González-Suárez E., Samper E., Flores J. M.& Blasco M. A.

რა 2000 Telomerase-deficient mice with short telomeres are resistant to skin tumorigenesis . ნათ. გენეტიკური. 26, 114–117.doi:

Flores I., Cayuela M. L.& Blasco M. A.

რა 2005 Effects of telomerase and telomere length on epidermal stem cell behavior . მეცნიერება 309, 1253–1256.doi:

Siegl-Cachedenier I., Flores I., Klatt P.& Blasco M. A.

რა 2007 Telomerase reverses epidermal hair follicle stem cell defects and loss of long-term survival associated with critically short telomeres . ჯ. უჯრე ბიოლი. 179, 277–290.doi:

რა 2009 A p53-dependent response limits epidermal stem cell functionality and organismal size in mice with short telomeres . PLOS ONE 4, e4934.doi:

Flores I., Canela A., Vera E., Tejera A., Cotsarelis G.& Blasco M. A.

რა 2008 The longest telomeres: a general signature of adult stem cell compartments . გენები დევ. 22, 654–667.doi:

რა 2007 Cancer and ageing: convergent and divergent mechanisms . ნათ. Rev. Mol. უჯრედი. ბიოლი 8, 715–722.doi:

González-Suárez E., Geserick C., Flores J. M.& Blasco M. A.

რა 2005 Antagonistic effects of telomerase on cancer and aging in K5-mTert transgenic mice . ონკოგენური 24, 2256–2270.doi:

2008 Telomerase reverse transcriptase delays aging in cancer resistant mice . უჯრედი 35, 609–622.doi:

García-Cao I., García-Cao M., Martín-Caballero J., Criado L. M., Klatt P., Flores J. M., Weill J. C., Blasco M. A.& Serrano M.

რა 2002 ‘Super p53’ mice exhibit enhanced DNA damage response, are tumor resistant and age normally . EMBO J. 21, 6225–6235.doi:

2007 Delayed ageing through damage protection by the Arf/p53 pathway . Ბუნება 448, 375–379.doi:

Campbell K. H., McWhir J., Ritchie W. A.& Wilmut I.

რა 1996 Sheep cloned by nuclear transfer from a cultured cell line . Ბუნება 380, 64–66.doi:

რა 2006 Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors . უჯრედი 126, 663–676.doi:

Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M., Narita M., Ichisaka T., Tomoda K.& Yamanaka S.

რა 2007 Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors . უჯრედი 13, 861–872.doi:

Marión R. M., Strati K., Li H., Tejera A., Schoeftner S., Ortega S., Serrano M.& Blasco M. A.

რა 2009 Telomeres acquire embryonic stem cell characteristics in induced pluripotent stem cells . უჯრედის ღეროვანი უჯრედი 4, 141–154.doi:

Marión R. M., Strati K., Li H., Murga M., Blanco R., Ortega S., Fernandez-Capetillo O., Serrano M.& Blasco M. A.

რა 2009 A p53-mediated DNA damage response limits reprogramming to ensure iPS cell genomic integrity . Ბუნება 460, 1149–1153.doi:

Savage S. A., Stewart B. J., Weksler B. B., Baerlocher G. M., Lansdorp P. M., Chanock S. J.& Alter B. P.

რა 2006 Mutations in the reverse transcriptase component of telomerase (TERT) in patients with bone marrow failure . სისხლის უჯრედები მოლ. დის 37, 134–136.doi:

რა 2008 The role of telomere biology in bone marrow failure and other disorders . მექანიკური. Ageing Dev. 129, 35–47.doi:

Walne A. J., Vulliamy T., Beswick R., Kirwan M.& Dokal I.

რა 2008 TINF2 mutations result in very short telomeres: analysis of a large cohort of patients with dyskeratosis congenita and related bone marrow failure syndromes . სისხლი 112, 3594–3600.doi:

2009 Increased telomere fragility and fusions resulting from TRF1 deficiency lead to degenerative pathologies and increased cancer in mice . გენები დევ. 23, 2060–2075.doi:

Sfeir A., Kosiyatrakul S. T., Hockemeyer D., MacRae S. L., Karlseder J., Schildkraut C. L.& de Lange T.

რა 2009 Mammalian telomeres resemble fragile sites and require TRF1 for efficient replication . უჯრედი 138, 90–103.doi:

Tejera A., Stagno d'Alcontres M., Thanasoula M., Marión R. M., Martínez P., Liao C., Flores J. M., Tarsounas M.& Blasco M. A.

რა 2010 TPP1 is required for TERT recruitment, telomere elongation during nuclear reprogramming, and normal skin development in mice . დევ. უჯრედი 18, 775–789.doi:

2010 Mammalian Rap1 controls telomere function and gene expression through binding to telomeric and extratelomeric sites . ნათ. უჯრედის ბიოლი. 12, 768–780.doi: