TELOMER REPLİKASYONU , YAŞLANMA VE KANSER OLUŞUMUNDA TELOMER BİYOLOJİSİ

 

Hazırlayan: Sultan GÜLÇE             Danışman: Sacide PEHLİVAN

 

 

Döllenmeden sonra 23 anneye ait , 23 babaya ait kromozomun birleşmesi ile insan hayatı başlar.  Bu hücrelerin başlangıçtaki temel fonksiyonu bölünmektir . Her bölünmede genetik şifre diğer hücreler aktarılır.  Bu aktarımın doğru , güvenilir ve etkili bir şekilde yapılıp yapılmadığını denetleyen pek çok hücresel mekanizma vardır.  

Bunlardan ikisi ;

*      DNA ‘nın yarı korunumlu eşleme mekanizması,

*      Hücresel Senesens (Yaşlanma) mekanizmasıdır.  [1]

Tüm ökaryot kromozomları tek bir biyomolekül olan  ; DNA’ dan meydana gelmişlerdir.  Bir insan kromozomunda yaklaşık olarak 150 milyon baz çifti bulunur. Ökaryotik hücrelerdeki DNA yapısı lineerdir. Bu nedenle bu yapının 2 tane uç kısmı vardır. Bakteriyel kromozomlar ise genel olarak dairesel bir yapıda olduklarından uç kısımları yoktur.  [2]

Bir kromozomun DNA molekülü genel olarak ;

*      ekspresse olan bölgeleri, (protein sentezine kalıp olan bölgeler)

*      ekspresse olmayan bölgeleri içerir.  [2]

Kodlanmayan DNA bölgeleri arasında ;

*      sentromer bölgeleri ,

*      kromozomların uç kısımları (telomerler) ,

*      minisatellitler, makrosallitler vbg.  de yer alır.  [2]

Telomer Fonksiyonları

*      Telomerlerin herhangi bir genetik bilgi taşımıyor olmaları onların önemini azaltmaz.

*      Telomerler hücrelerin biyolojik saatleridir. Hücresel yaşamın düzenlenmesinde rol oynarlar.

*      Hücre içerisinde kromozomların birbirlerine dolaşmasını ve yapışmalarını önlerler.

*      Mayoz 1’in profaz safhasında homolog kromozomların ayrılmasına ve crossing-over olayına yardım ederler.

İnsan telomerleri  5’ TTAGGG 3’ dizesinin yaklaşık 2000 tekrarından oluşur.  [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DNA Replikasyonu

DNA polimeraz 5’-3’ yönünde çalışır.

*      5’-3’ dizesinin komplementeri kesintiye uğramaksızın , karşı yönde sentezlenirken,

*      3’-5’ dizisinin komplementeri , kesintili olarak sentezlenir.  [3]

 

 

  Replikasyon Sonu Problemi

   Lineer kromozomların replikasyonu özel bir probleme neden    olur.     Replikasyon sonu problemi olarak adlandırılan bu problem ; her   replikasyon sonunda kromozom uçlarının yani telomerlerin biraz daha   kısalmasıyla kendini gösterir.

 

*      Hem kesintisiz sentezlenen dizide hem de kesintili sentezlenen dizide polimerizasyonun başlaması için bir RNA primerine ihtiyaç vardır.

*      Kesintisiz dizide bir tane primer yeterli olurken, kesintili dizide sentezlenen her DNA parçası için bir primere ihtiyaç vardır.

*      Kesintili dizideki DNA+primer yapısının her birine , Okazaki fragmenti denir.

*      Kesintili sentez Okazaki Fragmentlerinin DNA ligazla biraraya getirilmesi ile sonlanır.

 

*      Kesintisiz sentezlenen dizede bir sorun olmaksızın , replikasyon tamamlanırken ; kesintili sentezlenen dizede , son okazaki fragmenti ile kromozomun sonu arasındaki bölgeyi  doldurabilecek bir DNA parçası yoktur.

*      Bu yüzden kromozomun uç kısmı replike olamaz ve telomer bölgeleri kısalır.

*      Bu problem ;Replikasyon Sonu Problemi olarak bilinir.  [3]

 

Telomerler ve Hücresel Yaşlanma

 

*      İnsan telomerleri yaşa ve hücre tipine göre yaklaşık 6-12 kilo baz uzunluğundadır.

*      Her replikasyon sırasında telomer bölgeleri 50-100 baz çiftini kaybeder.

*      Telomerlerin kısalmaları ilk olarak 1961 yılında , doku kültürü çalışmaları sırasında Hayflick tarafından gözlemlenmiştir.

*      Hayflick insan fibroblastlrıyla yaptığı çalışmalarda , hücrelerin belirli bir bölünme sayısından sonra artık bölünemediğini fakat metabolitik aktivitelerini devam ettirdiğini gözlemlemiştir.  [1]

 

Telomer Hipotezi

 

*      Telomerlerdeki kısalma olayı ; hücrenin biyolojik ve mitotik bir saati olarak düşünülmektedir.  [4]

*      Telomer dizilerinin fonksiyonu yetişkin hücrelerinde limitsiz bir hücre bölünmesine izin vermemektir.  [5]

*      Bu hipoteze göre somatik hücreler telomerik dizileri tam olarak oluşurlar ve telomeraz enzimi aktivitesini göstermez . Bunun sonucunda her hücre bölünmesinde telomer boyları biraz daha kısalır.  [5]

*      Bu kısalma zamana bağlı değildir ; hücrenin bölünme sayısına ve kaybettiği baz çiftlerine bağlıdır.  [4]

*      Hayflick Limiti ya da M1 (Mortalitity State 1) olarak adlandırılan bölgeye ulaşıldığında hücreler geri dönüşümsüz olarak senesense girerler.

*      Bu durumda hücreler metabolik olarak aktiftirler fakat poliferiye olma özelliklerini kaybetmişlerdir.  [4]

*      2.  bir kontrol noktası da ,M2 (Mortalitiy State 2) kriz noktasıdır.

*      Bu basamakta birçok hücre , kısalmış ve fonksiyonlarını kaybetmiş telomerler tarafından oluşturulan kromozomal anormallikler sonucunda apoptozise girerler.

*      Fakat yine de canlı kalabilen hücreler vardır , bu hücreler , telomeraz aktivitesini yeniden kazanmış , ölümsüz hücrelerdir.  [4]

 

 

 

 

 

Telomeraz

*      Telomeraz , TTAGGG tekrar dizilerini kromozomların sonlarına ekleyen , bu şekilde telomerlerin kısalmasını önleyen ve hücrenin daha fazla bölünme geçirebilmesini sağlayan bir Ters Transkriptaz Enzimidir.

*      Telomeraz ; Ribonükleoprotein yapısındadır.

*      Hem protein bileşeni hem de RNA bileşeni olan kompleks bir yapıdadır.

*      RNA bileşeni , hTR ; Human Telomerase RNA ; DNA replikasyonu sırasında TTAGGG dizesinin sentezi için kalıp oluşturan AAUCCC dizesini içerir.

*      Protein bileşeni ; hTRT ; Human Telomerase Reverse Transcriptase enzimi telomerik DNA sentezi sırasında fosfodiester bağlarını sentezler.  [1]

 

 

Telomerazlar Genel Olarak Sadece;

 

*      Germ line hücreleri (üreme hücreleri;yumurta ya da sperm hücreleri)

*      Embriyonik kök hücreler ,

*      Tek hücreli eukaryotlar ,

*      Kanser hücrelerinde bulunurlar.  [2]

*      Telomeraz enziminin aktivitesini somatik hücrelerde kaybetmiş olması evrimsel bir avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır .  Bu mekanizma hücreleri kanser hücrelerine transforme olma ve aşırı ploriferizasyona bağlı bozukluklardan  korumaktadır .  [5]

 

Telomer Biyolojisi ve Yaşlanma

 

*      Hangi dokularda yaşlanmaya ve poliferizasyona bağlı olarak telomer boylarında bir azalma görülür ?

*      Replikasyon sonu problemine bağlı olarak; çok fazla bölünen hücreler ; telomerlerin boylarındaki kısalmadan en fazla etkilenecek olan hücrelerdir.

*      En fazla lenfositler ; çok fonksiyonel doku hücreleri ; karaciğer , böbrek , iç organlar ve fibroblastik hücreler etkilenir.  [4]

 

 

Bir Maya telomerazının yapısı                                                 İnsan Telomerazının Yapısı

(Tetrahymena Telomeraz)

Click to enlarge

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Yaşlanmaya Bağlı Gelişen Hastalıklarda Telomer Biyolojisi

Yaşlanma Belirtisi

İn-vivo ‘da Telomer Biyolojisi

Yaraların geç iyileşmesi

Yaşlanmaya bağlı olarak fibroblast hücrelerindeki telomer boylarının kısalması

Bağışıklık sisteminin zayıflaması

Yaşlanmaya bağlı olarak B ve T lenfositlerindeki telomer boylarının kısalması

Damar sertliği

Yaşlanmaya bağlı olarak hemodinamik stres altındaki kan damarlarında telomer kısalması

Kanser riskinin artması

Telomeraz aktivitesinin yeniden ortaya çıkması

Kas dokusunda atrophy

kısalmış telomer boyları

Saçların Beyazlaması ve dökülmesi

Saç foliküllerinde telomeraz aktivitesinin yaşa bağlı olarak azalması

Katarakt

tam olarak belirlenememiş

Diabetes mellitus II

tam olarak belirlenememiş

Osteoporosis

tam olarak belirlenememiş

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Yaşlanma Belirtileri ile Kendini Gösteren Hastalıklarda Telomer Biyolojisi

 

*      Normal yaşlanma belirtileri , fonksiyonel olarak çok fazla tamire uğramış hücrelerin sayısının artmasıyla ortaya çıkar.

*      Fakat yaşlanma sendromları genellikle genetik bozukluklar sonucunda ortaya çıkar ve organizmanın tüm hücrelerinde aynı bozukluklar gözlenir.

*      Normal yaşlanma belirtileri ile en fazla benzerlik gösteren hastalıklar ; Werner Sendromu , Bloom Sendromu , Hutchinson-Gilford Progeriası ve Down Sendromu’dur.

*      Şaşırtıcı olarak ,tüm bu hastalarda , hızlı yaşlanma belirtileri ile birlikte telomer biyolojileri de büyük benzerlik gösterir.  [4]

 

A) Werner Sendromu

 

*      En fazla çalışılmış olan hastalıklardan bir tanesi ; Werner Sendromu ‘dur.

*      Bu hastalarda damar hastalıkları , diabet , katarakt , deri kırışıklıkları, beyazlaşmış saçlar ve ortalama 47 yaşlarında kanser oluşumu görülür.

*      Werner Sendromunda DNA helikaz yapısında bulunan RecQ ailesini kodlayan WRN geni zarar görmüştür.

*      WRN geni ; ekzonükleaz aktivitesi göstermesi dolayısıyla önemlidir.

*      Werner Sendromlu hastalarda WRN geninin çok çeşitli mutasyonları gözlemlenmektedir.

*      Her ne kadar WRN ; telomer bağlayıcı bir protein ya da telomeraz enziminin bir bileşeni olmasa da bu hastalarda telomer boyunun çok kısaldığı gözlemlenmiştir.

*      Bu kısalma hTRT ekspresyonunun arttırılmasıyla ; telomeraz aktivitesinde bir artışla önlenebilir.  [4]

 

B) Hutchinson-Gilford Progerası

 

*      Bu hastalarda 2 yaşından itibaren görülen çok hızlı yaşlanma belirtileri vardır.

*      Genellikle hastalık 14 yaşından önce ölümle sonlanır.

*      Anormal görünüşte , küçük yapılı , kırışık derili , kalp yetmezliği olan hastalardır.

*      Bu hastaların fibroblastları olması gerekenden çok daha kısadır.

*      Bu hastalara hTRT verildiğinde , telomer kısalmasının , hücresel kontrol noktalarına ve fonksiyonlarına zarar vermeden önlendiği görülmüştür.  [4]

 

C) Bloom Sendromu

 

*      Bloom Sendromun’da ; bağışıklık kaybı , kısırlık , kanser oluşumu görülür.

*      BLM helikazında bir mutasyona bağlı olarak gelişir.

*      Kardeş kromatit değişimleri somatik mutasyonlar görülür.

*      Çok hızlı telomer kaybı görülür.  [4]

 

 

D) Down Sendromu

 

*      Bu hastalarda lenfositlerinden alınan hücrelerin normale göre 3 kat daha hızlı kısaldığı görülmüştür.

*      Bu hastalarda saç dökülmesi , beyazlaması , katarakt , Alzheimer benzeri bir patoloji gösteren; amyloidosis , katarakt , sıklıkla anemi görülür.

*      Buradaki genetik bozukluk 21. kromozomun trizomisidir.

*      Transkripsiyonun doğru yapılamaması sorunu vardır.

*      Lenfositlerde çok hızlı bir telomer kaybı görülür.  [4]

 

Telomeraz Aktivitesi ve Kanser

*      Normal somatik hücrelerde ; hTRT geni eksprese olmaz dolayısıyla telomeraz aktivitesi görülmez.

*      Kanser hücrelerinin bir çoğu telomeraz enzimi sentezleme yeteneklerini geri kazanmışlardır.

*      Kanser hücrelerinin sonsuz bölünme yeteneği ; ölümsüzlüğü ; bu geri kazanılmış telomeraz aktivitesinden kaynaklanmaktadır.  [6]

 

Telomeraz Pozitif Hücreler                              Telomeraz Negatif Hücreler

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Telomer Biyolojisinin Anlaşılmasının Yararları

 

*      Telomer biyolojisinin anlaşılması ; replikasyona bağlı yaşlanmada ve kanser oluşumunda çok önemlidir.

*      Kanser hücrelerinin telomer boylarını korumak için bir mekanizmaya ihtiyaçları vardır ve bu mekanizma telomeraz aktivasyonu ile sağlanır.

*      Burada bilinmesi gereken nokta telomeraz enzim kompleksinin çalışma mekanizmasıdır.

*      Kanser hücrelerinin teşhis ve tedavisinde telomer biyolojisinin iyi anlaşılıp kullanılması gerekir.

*      Telomeraz aktivitesinin reaktivasyonu in-vitro da replikatif hücre yaşamını düzenleyebilmektedir.

*      Ama hücresel yaşamın düzenlenmesinde sadece telomeraz enziminin etkili olup olmadığı bilinmemektedir.

*      Eğer telomerazın apoptik sinyal oluşumu ya da DNA tamirinde doğrudan etkileri varsa çoğu hastalığın tedavisi için kullanılabilir.

*      Kanser hücrelerinin %85 ‘lik kısmında telomeraz aktivitesi saptanmıştır. İn-vitro da telomeraz enziminin inhibisyonu telomer kısalmasına bağlı olarak hücre ölümünü situmule etmiştir.

*      Anti-telomer terapi kanser hücrelerinin çoğalmasını durdurmak için uygulanabilir. [1]

 

Telomeraz ve Hücre Transplantasyonu

 

Gen terapisine bir yaklaşım da ;

*      Hastadan hücreleri almak ,

*      Hastanın sentezleyemediği ürünün genini sentezlemek üzere ; hücreleri transforme etmek ,

*      Hücreleri hastaya geri vermek mantığına dayanır.

*      Bu terapatik yöntem SCID (Severe Combined Immunodeficiency);bir bağışıklık yetmezliği hastalığı olan çocuklarda denenmiştir.

*      Fakat bu yaklaşımda bir sorunla karşılaşırız tüm somatik hücreler ölümlüdür.

*      Birkaç mitotik bölünmeden sonra bu hücreler öleceklerdir.

*      Belirli aralıklarla bu transforme T hücrelerinin çocuklar yeniden verilmesi gerekmektedir.

*      Eğer bu çocukların hücreleri hem terapatik gen , hem de aktif telomeraz geni ile transformasyona uğratılsaydı bu hücreler sonsuz bölünme yeteneği kazanacaklardı.

*      Fakat telomeraz aktivasyonunun tetiklenmesini engelleyen faktör ; bu hücrelerin sonradan aktif telomeraz özellikleri nedeniyle kansoregenik özellikler kazanıp kazanmayacağı kuşkusuydu.  [2]

 

1998 ‘ de Bodnar ve arkadaşları tarafından elde edilen sonuçlar cesaret vericidir.

 

*      Bu hücreler kanser hücrelerinin yaptığı gibi sınırsız bölünürken ;

*      Kontak inhibisyon yeteneklerinini kaybetmedikleri ,

*      Fareye verildiğinde tümör oluşumuna neden olmadıkları (kanser hücreleri olur)

*      Kanser hücreleri çok basit besin içeriği olan ortamlarda dahi büyüyebilirken bu hücrelerin hala kendi besin ortamı içeriklerinde büyüdükleri ,

*      Karyotiplerinin değişmediği gözlemlenmiştir.  [2]

 

Telomerler ve Klonlama

 

*      Bu günlerin ünlü koyunu ; Dolly’nin klonlanması sırasında verici hücre 6 yaşında bir koyundu ve bu koyunun hücreleri haftalarca laboratuar ortamında kültüre edilmişti.

*      Dolly ‘nin telomer boylarına baktığımızda 1 yaşındaki normal bir koyunun telomerlerinin olması gereken boyundan %20 daha kısa olduğunu görüyoruz.

*      Bu sonuç şaşırtıcı değildir çünkü verici koyunun telomerleri büyük bir kısalmaya uğramıştır.

*      Embriyonik hücrelerden klonlanan başka bir koyunun telomer boylarının da kısaldığı fakat Dolly ‘nin telomerleri kadar kısa olmadığı bulunmuştur.

*      Büyük ihtimalle kolnlamadan önce bu hücrelerin kültür ortamında geçirdikleri zaman bu kısalmay neden olmaktadır.

*      Peki bu kısa telomer boyları Dolly ‘nin kısa bir yaşam süresine mi mahkum olduğunu gösteriyor?

*      Şu anda Dolly sağlıklı ve kendi yavruları var ; kromozomları pes edinceye kadar yaşamaya devam edecek fakat bu yeni bir soru işareti doğuruyor kısalmış telomer boylarının canlı yaşamında ilerleyen zamanlarda ne gibi etkileri olacak?

*      Telomer biyolojisi aydınlatılmayı bekleyen bir konu ve üzerine pek çok çalışmalar yapılıyor.

*      Telomeraz mekanizması tam olarak anlaşıldığında pek çok hastalığın tedavisinde ve klonlamada uygulama alanı bulacak bir konudur.  [7]

 

 

 

 

Referanslar

[1] Granger, M.  P.  ,et al.  ,2002.  Telomerase in Cancer and Aging.  Critical Reviews in Oncology/Hematology 41, 29-40.

[2] http://users. rcn. com/jkimball. ma. ultranet/BiologyPages/T/Telomeres. html

[3] http://users. rcn. com/jkimball. ma. ultranet/BiologyPages/D/DNAReplication. html

[4] Klapper, W.  et al. , 2001. Telomere Biology in Human Aging and Aging Syndromes.  Mechanisms of Aging and Development 122, 695-712.  

[5] Molecular Biology of the Cell , 2002.  Telomerase Replicates the Ends of Choromosomes , 263-266

[6] http://users. rcn. com/jkimball. ma. ultranet/BiologyPages/C/CancerCellsInCulture. html

[7]http://users. rcn. com/jkimball. ma. ultranet/BiologyPages/C/CloningMammals. html