Aging and Telomerase

Transkript

1 Türk Klinik Biyokimya Derg 2007; 5(3): Derleme Yafllanma ve Telomeraz Aging and Telomerase clal Geyikli* Sibel Bay l** Hülya Çiçek*** * Gaziantep Üniversitesi T p Fakültesi Biyokimya Anabilim Dal, Gaziantep ** Gaziantep Üniversitesi Sa l k Hizmetleri Meslek Yüksek Okulu, Gaziantep *** Gaziantep Üniversitesi Merkez Laboratuvar Biyokimya Bölümü, Gaziantep ÖZET Telomerler, ökaryot hücre krom ozomlar n n her iki ucunda bulunan, heterokromatin yap da özel deoksiribonükleik asit dizisi olup kromozom stabilitesinde, gen ekspresyonunda, kromozomal replikasyonda, tümör oluflumunda, yafllanmada ve hücre bölünmesinde rol ald bilinen yap lard r. Telomeraz enzimi kendisine ait ribonükleik asit ve proteinlerden oluflan bir ters transkriptaz enzimi olup telomer boyunun kontrolünden sorumludur. Yafllanma sürecinde telomerlerin artan ilgi oda olmas nedeniyle yafllanmada telomer k salmas ve telomeraz konusunu derlemeyi amaçlad k. Anahtar Sözcükler: Telomeraz, yafllanma, telomer ABSTRACT Telomeres are specialized heterochromatin structures at the end of eukaryotic cell chromosomes, composed of specific deoxyribonucleic acid sequences which are known to play role in chromozomal replication, tumor beginning, aging and cell division. Telomerase is a reverse transcriptase enzyme that carries its own ribonucleic acid molecule, which is used as a template when it elongates telomerase. Because telomeres have increasingly gained attention due to their role in ageing, we aimed to review the literature about telomere shortening and telomerase during senescence. Key Words: Telomerase, aging, telomere G R fi Belirli bir yaflam süresinin söz konusu oldu- u canl larda, yaflam süresinin kromozomlar n üzerinde bulunan telomer bölgeleriyle iliflkili oldu u yap lan çeflitli çal flmalarla aç a kavuflturulmufltur. Telomerler, her hücre bölünmesinde boylar biraz daha k salan ve boylar "s n r" kabul edilen noktaya geldi i anda da hücre bölünmesinin durmas na neden olan yap lard r. DNA polimeraz n DNA y sadece 5-3 yönünde sentezleyebilmesi ve replikasyonu s ras nda k sa RNA primerlerinin uzaklaflt r lmas, geri kalan (lagging) iplikcikte tam olmayan replikasyona ve her hücre bölünmesinde telomer uzunlu unun azalmas na yol açar. Kromozomlar n uçlar nda yer alan telomerik yap lar, tekrarlayan TTAGGG ünitelerinden oluflur (1). nsanlarda, telomerik s ralamalar çift iplikli DNA dan tek iplikli bölgeye 5 den 3 yönüne uzan r. 3 G bölgesi telomer ba l proteinleri bulundurur ve telomer korumas n n yap ld bölgedir (2). Telomerin yap s fiekil 1'de gösterilmektedir. 111

2 Geyikli. ve ark. hücrelerinde bulu nurlar. Embriyonik hücreler ve eriflkin kök hücrelerinde aktif olan bu enzim, normal somatik hücrelerde saptanmamakta, öldürülemeyen kanser hücrelerinde ise yeniden aktive olmaktad r (9). nsan telomeraz enziminin bilinen 3 komponenti mevcuttur: Yap lan çal flmalarda yafllanm fl hücrelerin metabolik olarak aktif kald, ancak daha fazla yeni hücrenin oluflmad ve en sonunda da öldükleri gösterilmifltir. O zamanlar hücresel yafllanman n, organizman n yafllanmas ile do rudan ilgili oldu u bilinmemekfiekil 1. Telomerin yap s. Telomerler ve onlarla iliflkili proteinler ve yap lar DNA hasar mekanizmas nda kromozom sonlar n kamufle ederler. Telomerler böylece kromozomal bütünlü ü sa lamak için bir nevi koruyucu mekanizma görevinde bulunurlar (3-7). Telomerler k sal rsa ya da koruma mekanizmalar nda bir de iflim olursa, kromozom sonlar nda çift zincir k r klar fliddetlenir. Normal hücrelerde telomer fonksiyon bozuklu una ba l DNA cevap tamir mekanizmas n n aktivasyonu, G1 DNA hasar kontrol noktas n harekete geçirir, p21/p16 y ve dolay s yla yafllanmay uyar r. Bu durumlarda, DNA hasar noktas ndaki sinyal bozulur, telomer füzyonlar n, köprü kromozomlar, kromozom k r klar, ayr m hatalar ve k r lm fl kromozomlar n füzyonunu içeren döngüler meydana gelebilir. Bu olaylar hücre döngüsünün durmas n, yafllanmay ve apoptozisi ya da fonksiyonel DNA hasar kontrol noktas olmad nda ise s n rs z hücre proliferasyonunu indükleyen sinyal yollar n tetikler (7). Telomerler, yafllanma ve kanserdeki rolleri nedeniyle artan bir ilgi oda olmufllard r (3-6). Telomeraz, ribonükleoprotein yap s nda bir enzim olup kendi RNA s n kal p olarak kullanarak sentezledi i heksomerik parçalar (TTAGGG) kromozomal uçlara ekleyerek kromozomal uçlardaki kayb dengelemektedir. Telomer, telomeraz taraf ndan en genel olarak telomer devam ve s n rs z replikasyon mekanizmas ile sentezlenir (8). Telomerazlar, germ hücreleri, embriyonik kök hücreler, tek hücreli ökaryotlar ve kanser 1. nsan telomeraz RNA komponenti (htr): De novo telomer sentezi için kal p oluflturur. 2. nsan telomeraz reverse transkriptaz (htert): Protein yap dad r ve bir revers transkripsiyon domaini içerir. 3. nsan telomeraz protein komponenti (TP 1) Hücresel Yafllanma ve Telomerler Hücre yafllan rken morfolojik olarak hacmi artar ve sitoplazmas donuklafl r. Ayr ca, gen ekspresyonunda, nükleer yap larda, proteinlerin ifllenmesinde bozulmalar izlenirken, bu hücreler metabolik olarak canl d rlar. Yayg n ve geleneksel olarak yafll l kla iliflkili β-galaktozidaz ve P161NK4A tümor süpresor yafll l k belirteçleri olarak kullan lmaktad r (10). Telomerler hücresel replikasyonda anahtar rol oynamaktad r ve telomerlerin kayb hücrenin replikasyon yetene ini kaybetmesine yol açar. nsan telomerleri yafla ve hücre tipine göre yaklafl k 6-12 kb uzunlu undad r. Her replikasyon s ras nda telomer bölgeleri baz çiftini kaybeder. Telomerlerin k salmalar ilk olarak 1961 y l nda doku kültürü çal flmalar s ras nda Hayflick taraf ndan gözlemlenmifltir. Hayflick insan fibroblastlar ile yapt çal flmalarda, hücrelerin belirli bir bölünme say s ndan sonra art k bölünemedi ini fakat metabolitik aktivitelerini devam ettirdi ini saptam flt r (9,10). 112 Türk Klinik Biyokimya Dergisi

3 Yafllanma ve Telomeraz teydi. Genç insanlardan al na n hücrelerin, yafll lardan al nan hücrelere göre kültür ortam nda daha fazla bölündü ü gösterilmifltir (11). nsan embriyo hücreleri, yaklafl k defa bölündükten sonra yafllanmaya bafllar. E er hücreler orta yafll insanlardan al n rsa, yafllanmadan önce defa bölündükleri izlenir. Ömrü uzun olan türlerdeki bölünme say s, k sa ömürlü olan türlerden daha fazlad r. Örne in, fareden al nan hücreler defa bölünürken, kaplumba adan al nan hücreler 100'den fazla bölünme geçirmektedir. Bunun d fl nda erken yafllanma izlenen Werner sendromu olan hastalardaki hücre bölünmesi say s n n, normal insanlar nkinden daha az oldu u da gösterilmifltir (11). Yap lan araflt rmalar sonucunda elde edilen bulgular, yafllanan hücrelerin karakteristik özelliklerinden birinin telomerler oldu unu ortaya koymufltur (13). Telomerlerdeki k salma olay hücrenin biyolojik ve mitotik bir saati olarak düflünülmektedir (14). nsan hücrelerind e replikasyonu s n rlayan iki yolak bulunmaktad r. Bunlardan birincisi telomer ba ml (p53 ba ml ), di eri ise p16ink4a ve prb tümör süpresörlerine ba l (k smen tan mlanm fl ve stres sinyalleri ile uyar lan) yolaklard r (fiekil 2). Genel olarak, Telomer fonksiyon kayb p53 aktivasyonu p21 Yafll l k Onkogenle uyar lan yafll l k, stresle uyar lan yafll l k p161nk4a prb aktivasyonu fiekil 2. Yafll l n iki önemli yola : p53/p21 ve p161nk4a. Cilt 5, Say 3, Aral k 2007 bu mekanizmalar onkogen taraf ndan indüklenen yafll l k esnas nda aktive olabilir. p53/ p21 ve p161nk4a/prb stres kaynakl erken yafll l tetikleyebilir ve sonras nda da bozulmufl telomer fonksiyonu yafll l indükleyebilir (15). Bitkiler, meristem dokular nda telomeraz enzimi içermeleri nedeniyle, hayvanlarda görülen "yafllanmay " yaflamazlar. Meristem dokunun sürekli olarak hücre bölünmesini ve yeni organlar n (kök, yaprak, çiçek, vs) oluflumunu indükleme sebebi de bundan kaynaklan r. Ancak yine de, baz bitki türlerinin belirli ömürleri bulunur. Mevsimlik ya da y ll k bitkileri bunlara örnek olarak verebiliriz. Ancak bunlar n d fl ndaki bitkilerde, yafllanma nedeniyle sona eren "programlanm fl" bir yaflam süresi bulunur. Arabidopsis olarak adland r lan bir tür tere bitkisiyle yap - lan deneylerde, telomeraz enzimi yoklu unda bile bitkinin büyümeye devam etti i görülür (16). Bu sonuç, yine hayvan hücrelerinde görülmeyen bir özellik olarak, bitkilerin telomeraz enziminin kayb na ra men yenilenebildiklerini gösterir. nsanlarda ise, embriyolojik süreç içerisinde, yaflamsal organlar oluflur. Buna ek olarak, herhangi bir organ n kayb durumunda, istisnai durumlar d fl nda bu organ n rejenerasyon yoluyla canl organizmada yeniden oluflturulmas da mümkün de ildir. Bu nedenle, organ kayb durumunda fonksiyon kayb görülür. nsanlarda hücre bölünmesi, özellikle belirli bir yafltan sonra, herhangi bir organ onarma ve yaflam süresince fonksiyonel tutma amac na yönelmektedir (17). fiekil 3 de insan telomeraz n n yap s görülmektedir. nsan Telomeraz n n Yap s Hücre yafllanmas n n hücre bölünmesine ba l oldu unu gösteren yeterli deneysel kan tlar mevcuttur. Toplam hücre ömrü, kronolojik zaman ile de il populasyonun katlanma say - s ile ölçülmektedir. E er hücre yafllanmas hücre bölünme say s n kontrol eden, genetik aktar lan bir program ile düzenleniyorsa moleküler düzeydeki bu mekanizmay anlamak 113

4 Geyikli. ve ark. Telomer dizileri yet iflkin hücrelerinde limitsiz bir hücre bölünmesine izin vermemektir. Bu hipoteze göre somatik hücreler telomerik dizileri tam olarak oluflturur ve telomeraz enzimi aktivitesini göstermezler. Bunun sonucunda her hücre bölünmesinde telomer boylar biraz daha k sal r (21,22). Bu k salma zamana ba l de ildir, hücrenin bölünme say s na ve kaybetti i baz çiftlerine ba l d r. Hayflick Limiti ya da M1 (Mortalitity State 1) olarak adland r lan bölgeye ulafl ld nda hücreler geri dönüflümsüz olarak yafllanmaya "senescense" girerler (21). Bu durumda hücreler metabolik olarak aktiftirler fakat ço alma özelliklerini kaybederler. fiekil 3. nsan telomeraz n n yap s (17). önemlidir (18). Son y llarda, kromozomlar n, telomerik uçlar ndaki ilerleyici azalma ile ilgili kan tlar n art fl, hücre kültürü ve in-vivo olarak yafllanma olay ile ilgili mekanizmalardan biri olarak de erlendirilmektedir. Telomerlerin k salmas n n, sonunda hücresel yafllanma ile sonuçlanan ço alma karfl t sinyalleri tetikledi i düflünülür (19). Cawthon ve arkadafllar taraf ndan yap lan bir çal flmada 143 kiflinin DNA örneklerinde telomer boyu ölçülmüfl, daha k sa telomere sahip olanlar n 3 kat daha yüksek kalp hastal klar ndan ölüm oran na ve 8 kat daha yüksek enfeksiyon hastal klar ndan ölüm oran na sahip olduklar tespit edilmifltir (20). Bu ve di er benzer çal flmalar telomer uzunlu unun yaflam süresinin bir biyomarker olabilece ini düflündürür. Ancak yap lan bir çal flmada beyaz kan hücrelerinde telomerler uzunlu unun hastal k ve ölüm oran ile iliflkili olmad gösterilmifltir (21). kinci bir kontrol noktas da M2 (Mortalitiy State 2) kriz noktas d r. Bu basamakta birçok hücre, k sal r ve fonksiyonlar n kaybeder. Telomerler taraf ndan oluflturulan kromozomal anormallikler sonucunda hücreler apoptozise girerler. Fakat yine de canl kalabilen hücreler vard r. Canl kalabilen hücreler, telomeraz aktivitesini yeniden kazanm fl, ölümsüz hücrelerdir (23,24). Embriyogenezis, maturasyon, eriflkinlerde zindelik periyodu olarak bilinirken, yafll l k ise ölüm olas l n n artt yaflam periyodu olarak tan mlan r. Yafllanmada telomer hipotezi befl veri ile destekleyenebilir: 1. Genç bireylerle karfl laflt r ld nda yafll bireylerin somatik doku telomerleri daha k sal r. 2. Somatik hücrelerdeki telomerler üreme hücrelerindekinden daha k sal r. 3. Erken yafllanma sendromu olan progeryal çocuklar n telomerleri ayn yafltaki kontrol grubu ile karfl laflt r ld nda daha k sa bulunur. 4. Genç bireylerin normal hücreleri hücre kültüründe büyüdükçe telomerleri giderek k sal r. 5. Telomerlerin deneysel olarak uzat lmas kültüre edilmifl hücrelerin ço alma kapasitesini art r r. 114 Türk Klinik Biyokimya Dergisi

5 Yafllanma ve Telomeraz Sonuç Bir görüfle göre ne kadar yafll varsa o kadar mekanizma vard r denilir. Bu anlamda telomeraz tek bir parametre de il üzerinde çal flmalar n art r lmas konusunda umut verici mekanizmalardan biridir. Deneysel uygulamalarda normal hücrelerin telomeraz ile maruziyeti genifl kapsaml bilgi ve tecrübe gerektirir. Telomer uzunlu unun artt r lmas ile yafllanma oran n n de ifltirilebilece ine dair yap lan çal flmalar gerçekten heyecan vericidir (13,16,17,25). Bu konudaki çal flmalar n desteklenmesi ve biyokimyasal verilerle iliflkisinin belirlenmesi için ileri düzeyde çal flmalar n yap lmas gerekmektedir. KAYNAKLAR 1. Eissa S, Labib R, Mourad S. Comparasion of Telomerase Activity And Matrix Metalloproteinase 9 in Voided Urine And Bladder Wash Samples As A Useful Diagnostic Tool For Bladder Cancer. European Urology 2003; 44: Smogorzewska A. De lange T. Regulation of telomerase by telomeric proteins. Annu Rev Biochem 2004; 73(1): Blasco MA. Telomeres and human disease: ageing, cancer and beyond. Nat Rev Genet 2005; 6(8): Collado M, Blasco MA. Cellular Senescence in cancer and aging. Cell 2007; 130(2): Serrano M. Cancer regression by senescence. N Engl J Med 2007; 356(19): Verdun RE, Karlseder J. Replication and protection of telomeres. Nature 2007; 447(7147): Greider C. Telomerase biochemistry and regulation Telomeres. 1995; Bousman S, Schneider G, Shampay J. Telomerase activity is widespread in adult somatic tissues of Xenopus Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution. 2003; 295: Ben-Porath I, Weinberg RA. When cells get stressed: an integrative view of cellular senescence. J Clin Invest 2004; 113: Shay JW, Zou Y, Hiyama E, Wright EW. Telomerase and cancer. Human Molecular Genetics 2001; 10(7): Moyzis RK, Buckingham JM, Cram LS, Dani M. Deaven LL, Jones MD, et al. A highly conserved repetitive DNA sequence, (TTAGGG)n, present at the Cilt 5, Say 3, Aral k 2007 telomeres of human chromosomes. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 85: Hayflick L. Aging under glass. Mutation Research 1991; 256: 69-80, 13. Allsopp RC, Vaziri H, Patterson C, Goldstein S, Younglai EV, Futcher AB, et al. Telomere length predicts replicative capacity of human fibroblasts. Proc Natl Acad Sci USA 1992; 89: Weinrich SL, Pruzan R, Ma L, Ouellette M, Tesmer VM, Holt SE. et al. Reconstitution of human telomerase with the catalytic protein subunit htrt. Nature Genet 2000; 12: Hastie N, Dempster M, Dunlop MG, Thompson AM, Gren DK, Allshire RC. Telomere reduction in human colorectal carcinoma and with ageing. Nature 1990; 346: Campisi J. Senescent cells, tumor supression, and organismal aging: good citizens, bad neighbors. Cell 2005; 120(4): Fuchs J, Brandes A, Schubert I. Telomere sequence localization and karyotype evolution in higher plants. Plant Syst Evol 1995; 19: Peter J. Hornsby. Telomerase and the aging process. Expo Gerontol 2007; 42(7): Shawi M, Autexier C. Telomerase, senescence and ageing. Mechanisms of Ageing and Development 2008; 129: Eun SJ, Lee TH, Cho HH, Suh SY, Jung S. Expression of Telomerase Extends Longevity and Enhances Differentiation in Human Adipose Tissue-derived Stromal Cells. Cell Physiol Biochem 2004; 14: Klapper W. Telomere Biology in Human Aging and Aging Syndromes. Mechanisms of Aging and Development 2001; 122: Cawthon RM, Smith KR, O Brien E, Sivatchenko A, Kerber RA. Association between telomere lenght in blood and mortality in people aged 60 years or older. Lancet 2003; 361: Martin-Ruiz CM, Gussekloo M, Van Heemst D, Von Zglinick T, Westendorp RG. Telomer lenght in white blood cells is not associated with morbidity or mortality in the oldest old: a population based study. Aging Cell 2005; 4: Greider CW. Telomeres and senescence: the history, the experiment, the future. Curr Biol 1998; Yaz flma adresi: Dr. clal Geyikli Gaziantep Üniversitesi T p Fakültesi Biyokimya Anabilim Dal, Gaziantep Tel : GSM: