náhled|vpravo|300px| Lidský chromozom (šedě), zakončený telomerami (bílá) Telomery jsou koncové části chromozomů. Při buněčném dělení se telomery zkracují kvůli neschopnosti enzymu syntetizovat konce lineárních nukleových kyselin. Původní délka se obnovuje obvykle během tvorby pohlavních buněk činností enzymu telomerázy, což je neobvyklá RNA-dependentní DNA polymeráza nesoucí si vlastní molekulu RNA jako templát pro tvorbu DNA. Kromě pohlavních buněk jsou své telomery schopné znovu prodlužovat i kmenové buňky díky přítomnosti vlastní telomerázy. Většina rakovinných buněk také obnovuje své telomery pomocí telomerázy, což umožňuje potlačit růst řady rakovinných buněk blokací telomerázy, část rakovinných buněk ale opravuje své telomery alternativním systémem využívajícím rekombinaci.
Telomery (z řečtiny – telos (τέλος) „zakončení“ – merοs (μέρος, kořen: μερ-) „část“) jsou umístěné na konci ramen chromozómu tvořeného chromatinem, kdy tyto konce jsou tvořené konstituvním chromatinem, který je repetetivního charakteru. Tvorba těchto opakujících se sekvencí je základ obranného mechanismu a také v oblasti centromery v chromozomu se nachází podobné, opakující se segmenty GGAAT. Postupné zkracování délky telomer vede ke stárnutí buňky (senescence) a její programované buněčné smrti vyvolané tumor supresorovými geny p53 a Rb, čímž je zabráněno nekontrolovatelnému buněčnému dělení. Stárnutí s tím však nemusí souviset.https://www.geneticliteracyproject.org/2015/01/14/the-telomere-hype-how-to-debunk-claims-about-telomeres-and-aging/ - Telomere hype: How to debunk claims about telomeres and aging Délka telomer neindikuje dobře délku dožitého věku lidí.http://medicalxpress.com/news/2016-04-age-mobility-death-molecular-clock.html - Age and mobility predict death better than one's 'molecular clock'
Telomery fungují jako postradatelné nárazníky, které jsou postupně spotřebovávány při procesu dělení buněk. Jejich přítomnost chrání geny, jsou přednostně zkracovány místo nich, tudíž geny vychází z procesu nepoškozené. Samotné telomery jsou chráněné proteiny telosomy (Shelterin) a také RNA (TERRA), telomery mohou být obnoveny enzymem TERT (hTERT). V poslední době se diskutuje o umělých zásazích do sekvencí DNA jejich opravou. Nicméně zde je třeba brát také ohled na etiku a možné neuvážené následky.
Objev Barbara McClintocková je první ženou, která byla oceněna Nobelovou cenou za fyziologii a lékařství, a to v roce 1983.
Zabývala se cytogenetikou a pozorovala, jak se chromozomy postrádající konce stávají pomalejšími a „lepivými“. Z toho vyvodila hypotézu o existenci jedinečné struktury na vrcholech chromozomů udržujících stabilitu a výdrž.
V období po roce 1970 byl ruský teoretik Alexei Olovnikov, první, kdo rozpoznal, jak chromozomy nedokáží replikovat svá zakončení. Na základě tohoto pozorování a ve shodě s názorem Leonarda Hayflicka o limitované míře buněčného dělení, Olovnikov později navrhl: DNA sekvence jsou ztraceny pokaždé, co se buňka dělí až do té doby, kdy postupná ztráta dosáhne kritické úrovně, při které dělení buněk končí.
Mezi lety 1975–1977, pracující kolegyně na Yaleové univerzitě Elizabeth Blackburnová s Josephem G. Gallem, objevila neobvyklou podstatu telomer, s jejich jednoduchou opakující se DNA sekvencí, z které se vrcholy chromozomů skládají. Blackburnová, Carol W. Greiderová, a Jack Szostak jsou vědci odměnění Nobelovou cenou za Nobelovou cenou za fyziologii a lékařství za rok 2009 za objev, že jsou chromozomy chráněné přítomností telomer a objevení enzymu telomerázy. náhled|vpravo|Telomery lze nalézt na zakončení ramen chromozomu. Zakončení samotné telomery se svíjí k základu a tvoří T-loop (háček)
Funkce a podstata Telomery jsou opakující se sekvence nukleotidu nacházející se na vrcholcích lineárních chromozómů většiny eukaryotických organismů. TTAGGG je sekvence opakujících se nukleotidů, základ telomer obratlovců.
Většina prokaryotních organismů má chromozomy kruhovité, spíše než lineární a neuzavřené. Nemají tedy přítomné v kruhovém chromozomu telomery.
Přítomnost telomer kompenzuje neucelenou polokonzervativní DNA replikaci na vrcholcích chromozomů. U telomer mnohobuněčných eukaryotických organismů se nevyskytuje báze uracil v nukleotidech, stejně jako u samotné DNA.
Funkce:
Mechanická ochrana konců chromozomů Brání před rekombinací s jinými chromozomy Zamezení zkracování oblastí nesoucích geny Ochrana proti rakovině
+ Některé známé sekvence nukleotidů telomer Skupiny Organismy Opakující se sekvence telomer (5´až 3´ke konci) Obratlovci Lidé, myši, Xenopus TTAGGG Vláknité houby Neurospora crassa TTAGGG Slime moulds Physarum, Didymium (Dictyostelium) TTAGGG (AG(1-8)) Bičivky (prvoci) Trypanosoma, Crithidia (Euglenozoa) TTAGGG Nálevníci (prvoci) Tetrahymena, Glaucoma TTGGGG Nálevníci (prvoci) Paramecium TTGGG(T/G) Nálevníci (prvoci) Oxytricha, Stylonychia, Euplotes TTTTGGGG Výtrusovci (prvoci) Plasmodium TTAGGG(T/C) Rostliny Arabidopsis thaliana TTTAGGG Rostliny Cestrum elegans TTTTTTAGGG Rostliny Allium CTCGGTTATGGG Zelené řasy Chlamydomonas TTTTAGGG Hmyz Bombyx mori TTAGG Hlístice Ascaris lumbricoides TTAGGC Schizosaccharomyces pombe Schizosaccharomyces pombe TTAC(A)(C)G(1-8) Kvasinky Saccharomyces cerevisiae TGTGGGTGTGGTG (z předlohy RNA) nebo G(2-3)(TG)(1-6)T (konsensus) Kvasinky Saccharomyces castellii TCTGGGTG Kvasinky Candida glabrata GGGGTCTGGGTGCTG Kvasinky Candida albicans GGTGTACGGATGTCTAACTTCTT Kvasinky Candida tropicalis GGTGTA[C/A]GGATGTCACGATCATT Kvasinky Candida maltosa GGTGTACGGATGCAGACTCGCTT Kvasinky Candida guillermondii GGTGTAC Kvasinky Candida pseudotropicalis GGTGTACGGATTTGATTAGTTATGT Kvasinky Kluyveromyces lactis GGTGTACGGATTTGATTAGGTATGT náhled|vpravo|Trojrozměrné zjednodušené schéma telomer. Ve většině prokaryotních organismech, jsou choromozomy cyklické a nemají zakončení, netrpí tedy předčasnou terminací replikace. Malá část bakteriálních chromozomů, jako jsou v Streptomyces, Agrobacterium, a Borrelia, jsou lineární a obsahují telomery velmi odlišné od telomer v chromozomech eukaryotních buněk, strukturou i funkcí. Známé struktury bakteriálních telomer svou podstatou napodobují formu vázání bílkovin na koncích lineárních chromozomů, nebo uzavřených tvarů připomínající sponky do vlasů, z jedno-vláknitých DNA na zakončeních lineárních chromozomů.
náhled|vpravo| Průměrná buňka se rozdělí 50 - 70 krát před buněčnou smrtí. Jak buňka podstupuje procesy dělení, telomery se na zakončení chromozomů zkracují. Hayflickův limit je teoretická hranice pro počet kolikrát se buňka rozdělí než se úsek telomery stane příliš krátký na další dělení, zranitelná DNA je odkryta a následně buňka vstupuje do procesu stárnutí.
Při procesu replikace DNA, replikační enzymy u eukaryotické DNA (komplex s DNA polymerázou a bílkovinami) nemohou replikovat přítomné sekvence na zakončení chromozomů (nebo přesně vlákna chromatidy). Aby se tyto úseky (a na nich zaznamenané informace) při replikaci neztratily, následují po nich právě telomery, které se tak stávají důležité při úspěšném procesu dělení buněk. Pomáhají “zakrýt“ konce genových sekvencí, ale samy jsou od konce postupně ztráceny při replikacii DNA. V buňce je možné nalézt enzym telomerázu, který doplňuje opakující se nukleotidové sekvence na konce DNA. Telomeráza tedy obnovuje postradatelnou část telomer, zakrývající DNA.
Ve většině mnohobuněčných eukaryotických organismech je telomeráza aktivní jen u zárodečných buněk. Některé druhy kmenových buněk jako jsou embryonální kmenové buňky (ESC) a některé bílé krvinky. Telomerázu je možné znovu aktivovat a telomery navrátit do embryoninálního stádia přes somatické přesunutí buněčného jádra. Existují teorie, které považují stálé zkracování telomer jednotlivými procesy replikace v somatických buňkách za příčinu stárnutí a postupně slábnoucí obranné mechanismy těla proti rakovině. To, je protože telomery se chovají jako zpožďovací “pojistka“, eventuálně po čase odejde z provozu po určitém proběhnutém počtu dělení buněk a to má za výsledek následnou ztrátu vitálně důležitých genetických informací z chromozomu buňky do budoucích procesů dělení buněk.
Délka telomer se velmi liší v závislosti na skupině organismů. Od přibližně 300 základních párů v kvasinkách až po mnoho párů bází (kb) v lidských chromozomech. Často jsou složené z rozmezí bohatých na guanin – 6 – 8 základních opakujících se párů. Eukaryotické telomery mají typické zakončení s 3´ jedno-vláknovým DNA převislým úsekem, který je esenciální pro udržování a zakrývání konce chromozomů. Bylo identifikováno více proteinů vázajících se na jedno či dvou vláknové telomery DNA. Fungují, jak v udržování telomer, tak v jejich vlastnosti zakrývat důležité sekvence DNA. Telomery se formují do struktur velkých smyček nazývaných stuhy (kroužky) telomer, zkráceně T-loops. Jednovláknová DNA se svine do dlouhého kroužku, stabilizovaného proteiny spojujícími telomery. Na konci T-loop je jednovláknová sekvence telomery (DNA) udržována na oblast dvou-vláknové DNA a to za přítomnosti vlákna telomery narušujícího strukturu dvoušroubovice DNA. Také přerušuje párování bází na jednom z vláken. Tato celkem 3 vláknová struktura se nazývá D-loop, nebo také D-kroužek (displacement loop, existuje také R-loop pro RNA).
Zkracování telomer u lidí vede k senescenci replikace a postupně blokuje dělení buněk. Základní podstatou tohoto mechanismu, ale je prevence před genovou nestabilitou a vývojem rakoviny v buňkách lidského těla, které jsou již staré a limitují počet možných uskutečnění buněčného dělení. Nicméně zároveň zkrácené telomery narušují funkce imunitního systému, které navyšují náchylnost vzniku neřízené rakoviny. Když nastane, že jsou již úseky telomer příliš krátké, potenciálně se mohou rozvinout z jejich uzavřené struktury. Buňka následně zaznamená odkrytí zranitelné DNA jako již poškození a přestane růst, vstoupí do buněčného stáří, nebo nastartuje apoptosu (sebe destruktivní proces), což se odvíjí od genetického pozadí buňky (p53 status). Odkrytí telomery se také děje při fúzi chromozomů. Protože v normálních somatických buňkách je považováno za nemožné toto poškození napravit, tak se v buňkách rovnou spustí apoptóza. Většina nemocí spojených se stárnutím jsou spojovány s zkrácenými úseky telomer, nicméně spíše to souvisí se zpomalující se schopností buněk telomery obnovovat. Funkce orgánů se zhoršují, jak více a více buněk je v procesu apoptózy, či vstupují do buněčného stárnutí, ve výsledku to vede k selhání orgánové soustavy.
Komplex Shelterin Bílkovinný komplex známý jako shelterin chrání zakončení samotných telomer od rozpoznání za neopravitelné vidlicovité úseky inhibicí homologní rekombinace (HR) a nehomologním spojováním zakončení (NHEJ). Na samém distálním konci telomery se nachází základ 300 bází o jednom vlákně, které formuje T-loop (T-kroužek). Tato smyčka je analogická k uzlu, který stabilizuje telomery, zabraňuje rozpoznání zakončení telomer jako otevřené narušené části pro mechanismus opravy DNA. Když se vyskytne spojování zakončení, které je nehomologní ho typu na koncích telomer, výsledkem nakonec je spojení chromozomální. Smyčka T-loop je dohromady sestavena několika proteiny, zaznamenanými například TRF1, TRF2, POT1, TIN1, a TIN2. Tento soubor je společně označován komplex Shelterin. U lidí je komplex Shelterin složen z 6 bílkovin identifikovaných jako TRF1, TRF2, TIN2, POT1, TPP1, a RAP1. náhled|300x300px|Shelterin polohy a procesy s T-loop, formace telomer.
Zkrácení náhled|250px|Zpožděné vlákno při DNA replikaci s působícími enzymy.