بخشی از مقاله
تلومراز و مهار آن در سرطان : مقاله مروري
چکيده
تلومر که در سال ١٩٣٨ براي اولين بار شناسايي شد، ساختار انتهايي کروموزوم در يوکاريوت ها است که وظيفه حياتي حفاظت از انتهاي کروموزوم را بر عهده دارد. در انسان و مهره داران تلومر از هزاران تکرار '٣-TTAGGG-'٥ که به شکل پشت سر هم در انتهاي کروموزوم قرار دارند، تشکيل شده است و وظيفه اصلي آن حفاظت و پايداري کرموزوم مي باشد. تلومر انتهاي کرموزوم را از تجزيه شدن ، نوآرايي و الحاق انتهايي حفظ مي کند. در هر تقسيم سلولي به شکل پيوسته بخشي از درازاي تلومر کوتاه مي شود. کوتاه شدن پيوسته تلومر به جدا شدن يک سري از پروتئين ها از ساختار تلومرو تغيير بيان ژن منجر مي شود. وجود تلومر موجب سرکوب ژن هاي مجاور مي شود وکوتاه شدن تلومر موجب کاهش قلمرو اثر آن در سرکوب ژن هاي مجاور مي گردد و ژن هايي که تاکنون خاموش بوده اند، روشن مي شوند. کوتاه شدن مداوم تلومر به توقف چرخه سلولي و مرگ سلولي مي انجامد. سه مکانيسم کلي براي افزايش درازاي تلومر در موجودات يوکاريوت وجود دارد و مکانيسم غالب استفاده از آنزيم تلومراز است . تلومراز آنزيمي است که بدون نياز به الگو موجب سنتز تلومر مي شود. در حدود ٩٠% از سلول هاي سرطاني داراي سطح بالايي از آنزيم تلومراز هستند. اين سلول ها به کمک آنزيم تلومراز، کوتاه شدن تلومر را که در پي تقسيم هاي متوالي روي مي دهد جبران مي کنند. در مجموع تلومراز مي تواند يک هدف مناسب در درمان و مهار سرطان به حساب آيد و * تاکنون روش هاي گوناگوني مانند مهار مستقيم تلومراز و ايمني درماني تلومراز براي مهار اين آنزيم پيشنهاد شده است .
مقدمه
در سال ١٩٣٨ هرمان مولر (Hermann Muller) مگس سرکه (Drosophila melanogaster) را با پرتو X مواجه کرد و مشاهده نمود که پايانه هاي کروموزومي از ديگر نقاط کروموزم متفاوت است و در اثر پرتو X داراي تغييرات ساختاري مانند حذف (deletion) و واژگوني (inversion) نشده است . مولر اين بخش را که از اثرات پرتو در امان مانده بود، تلومر (Telomere) که از ريشه يوناني Telo به معني انتها و mere به معني بخش است نام نهاد.٢و١ دو سال پس از اين نام گذاري Barbara McClintock که بر روي ژنتيک غلات از جمله ذرت (Zea mays) کار مي کرد، با توجه به آزمون هاي خود بيان نمود که شکستگي در کروموزوم ها موجب اتصال آنها از نواحي انتهايي و شکل گيري کروموزوم هاي دو سانترومري (dicentric) مي شود. مک کلينتاک اين گونه نتيجه گيري کرد که پايانه هاي کروموزوم نقش مهمي را در حفظ يکپارچگي (integrity) کرموزوم دارند و مانع ايجاد پل الحاق - شکست (rupture-fusion-bridge) که موجب ايجاد بحران در حيات سلول مي شود مي گردند.٤-١ حدود ٣٠ سال بعد James Watson هنگام مطالعه بر روي همانندسازي (replication) DNA بيان کرد مشکل همانندسازي انتهايي کروموزوم end) (replication problem موجب ناتواني سلول در همانند سازي کامل کروموزوم خطي مي شود. او فرض کرد که به دليل وجود ساختاري ويژه در انتهاي کروموزوم ، آنزيم DNA پليمراز قادر به همانندسازي کامل انتهاي ′٣ کروموزوم نيست ، در نتيجه در هر تقسيم سلولي بخشي از تلومر و در واقع از کروموزوم کوتاه مي شود.٦و٥و٢ در سال ١٩٦١ Hayflick بيان کرد که در محيط آزمايشگاه (in vitro) سلول هاي طبيعي در حدود ٥٠ بار تقسيم مي شوند و پس از آن وارد مرحله عدم فعاليت سلولي (senescence) مي گردند. در همان زمان Olovinkov توانست بين end replication problem که توسط واتسن و senescence که توسط هيفليک بيان شده بودند ارتباط برقرار کند.
او چنين استنباط کرد که end replication problem موجب کوتاه شدن تلومر در تقسيمات سلولي متوالي مي شود و تلومر مانند يک ساعت دروني (internal clock) عمل کرده و تعيين کننده تعداد تقسيمات سلولي است که يک سلول مي تواند انجام دهد و در روند پيري (aging) نيز نقش دارد.٨-٦و١ در سال ١٩٧٥، Blackburn و Gall پژوهش هاي خود را در اين زمينه بر روي يک پرتوزوا مژکدار به نام تتراهايمنا ترموفيلا (Tetrahymena thermophila) که تلومرهاي درازي داشت آغاز کردند و در سال ١٩٧٨ در انتهاي کروموزوم توالي هاي تکراري CCCCAA را به عنوان توالي احتمالي تلومري شناسايي کردند. سپس Szostak در آزمايشي تلومر تتراهايمنا را که توسط Blackburn و Gall کشف شده بود در دو انتهاي پلاسميد خطي مخمر قرار داد و ملاحظه کرد که اين پلاسميد به شکل پايدار در مخمر همانندسازي مي شود. Szostak و Blackburn با توجه به بلندتر شدن تلومر تتراهايمنا در دو انتهاي پلاسميد خطي مخمر نتيجه گرفتند که چون مخمر قادر به شناسايي و استفاده از توالي تلومري يک ارگانيسم با فاصله تکاملي زياد است پس مکانيسم همانندسازي تلومر از لحاظ تکاملي در بين موجودات حفاظت شده است و اين دراز سازي تلومر در اثر کارکرد يک آنزيم ايجاد مي شود.٢و١ سرانجام در سال ١٩٨٤ Blackburn و Greider پس از پژوهش هاي خود بر روي عصاره تتراهايمنا آنزيمي را شناسايي کردند که موجب حفظ طول تلومر مي شد و آن را ترانسفراز انتهايي تلومر ( telomere terminal transferase) نام نهادند که بعداً تلومراز نام گرفت . حدود پنج سال بعد يعني در سال ١٩٨٩، Gregg فعاليت آنزيم تلومراز را در سلول هاي سرطاني کشف کرد که مسوول ناميرايي در سلول هاي سرطاني است (immortalization). سپس Greider بيان کرد که آنزيم تلومراز تقريباً در همه سلول هاي طبيعي سوماتيک وجود ندارد.١٢-٩و٢ کارهاي Blackburn يک شاخص در زيست شناسي بود، آنها از يک سو ارتباط بين کوتاه شدن پيوسته تلومر و تقسيمات متوالي را بيان کرد و از سوي ديگر کوتاه شدن تلومر و مکانيسم مربوط به آن را براي تشخيص سرطان و نيز به عنوان يک هدف در درمان سرطان پيشنهاد کرد. در سلول هاي طبيعي کوتاه شدن تلومر مانند يک مکانيسم مهارکننده تومور (tumor suppressor) عمل کرده ، رفته رفته در اثر تقسيمات متوالي تلومر کوتاه تر شده و سرانجام موجب خروج سلول از چرخه سلولي و ورود به مرحله عدم فعاليت سلولي (senescence) مي شود، جايي که سلول ديگر تقسيم نمي شود و در نهايت مي ميرد.١٥-١٣و٧ در سال ١٩٩٠، Shay و Harley با انجام آزمون هايي در ٥٠ نمونه از بافت هاي طبيعي سوماتيک مشاهده کردند که همگي فاقد فعاليت آنزيم تلومراز هستند، در حالي که در ٩٠ نمونه از ١٠١ نمونه توموري فعاليت اين آنزيم قابل تشخيص بود. از آن زمان تا سال ٢٠٠٤ بيش از ٢٦٠٠٠ نمونه توموري مورد آزمايش قرار گرفته و فعاليت آنزيم تلومراز در ٩٠ درصد تومورها مشاهده شده است . اين در حالي است که فعاليت آنزيم تلومراز در بافت هاي طبيعي سوماتيک وجود ندارد. اين مطالعات نشان مي داد که آنزيم تلومراز مي تواند نقش آشکاري در شکل گيري تومور (tumurogenesis) داشته باشد. تلومر به مثابه يک ساعت زيستي است و در هر تقسيم سلولي در انسان ، به دليل end replication problem،
٣٠ تا ١٠٠ جفت باز از درازاي آن کاسته مي شود.١٧و١٦و٨و٤ کاهش درازاي تلومر را که در هر تقسيم سلولي رخ مي دهد، آنزيم تلومراز در صورت فعاليت مي تواند جبران کند. در سلول هاي سوماتيک به دليل فعال نبودن اين آنزيم ، پس از هر يک از تقسيمات متوالي درازاي تلومر کاهش مي يابد تا به حد آستانه اي از کوتاه شدن مي رسد که در اين حالت تلومر کوتاه شده مانند سدي در برابر تقسيمات سلولي عمل مي کند و مانع انجام تقسيمات بيشتر مي گردد. اما در سلول هاي سرطاني که آنزيم تلومراز فعال است ادامه تقسيم هاي متوالي به دليل بيان بالاي آنزيم تلومراز ممکن مي شود و سلول به سمت ناميرايي (immortalization) و تومور زايي پيش مي رود.
ساختار تلومر: تلومر ساختار انتهايي کروموزوم در يوکاريوت ها است که وظيفه حفاظت از انتهاي کروموزوم را بر عهده دارد و با بياني ساده مي توان آن را مانند ساختار انتهاي بند کفش دانست که مانع تجزيه و تخريب آن مي شود.٢١ در انسان و مهره داران تلومر از هزاران تکرار '3-TTAGGG-'5 که به شکل پشت سر هم (tandem) در انتهاي کروموزوم قرار دارند، تشکيل شده است . DNAي تکراري موجود در اين ناحيه همراه با گروهي از پروتيين ها، ساختاري به نام تلومر را شکل مي دهند که وظيفه اصلي آن حفاظت و پايداري کرموزوم مي باشد. تلومر انتهاي کرموزوم را از تجزيه شدن (degeneration)، نوآرايي (rearrangement) و الحاق انتهايي (end to end fusion) حفظ مي کند٢٢و٤ (شکل -٢ الف و ب).
DNA موجود در ساختار تلومر داراي چندين جايگاه اتصالي
(binding site) براي پروتيين هاي شلترين (shelterin) مي باشد.٢٣ تلومر، ساختاري دو رشته اي واقع در انتهاي کروموزوم است که در انتهاي ′٣ تک رشته اي مي شود و اين بخش رشته مکمل ندارد. اين انتهاي ′٣ آزاد به کمک مجموعه پروتييني به نام شلترين (shelterin) دچار تاخوردگي مي شود. در اثر اين تاخوردگي در ساختار تلومر دو حلقه T loop( T) و D loop( D) پديد مي آيد. T loop حلقه تلومري (Telomeric loop) و D loop حلقه جايگزيني (Displacement loop) هستند٢٣و٢ (شکل ٣). شلترين از دو مجموعه به نام هاي TRF1 و TRF2
شکل -٢: الف - اتصال پايانه هاي کروموزومي (تلومرها) به هم در اثر تخريب آنها، ب- تصوير ميکروسکوپ الکتروني از الحاق انتهايي ٢٣
تشکيل شده است . TRF١، مجموعه اي حفاظتي است و داراي پروتيين هايي مانند TRF١، POT١ است که عمل حفاظت از تلومر را در برابر آنزيم هايي مانند اگزونوکلئازها انجام مي دهند. TRF٢، مجموعه اي ترميمي است که داراي پروتيين هاي ترميمي مانند Mre١١ و Rad٥٠ است و در فرايند ترميم بخش هاي آسيب ديده DNA نقش دارند (شکل ٤). برخي پروتيين ها مانند TRF١ و TRF٢ به DNA دو رشته اي تلومر متصل مي شوند و شماري ديگر مانند Pot١ به DNA
٢٣و٥ تک رشته موجود در ساختار تلومر متصل مي شوند.
تلومر ساختاري پويا (dynamic) است و پروتيين هاي اتصالي به آن مرتباً در رفت و آمد هستند و در هنگام همانندسازي نيز اين ساختار ٢٤و٣ باز شده و تا آنجا که ممکن است همانندسازي انجام گيرد. در هر همانندسازي آنزيم DNA پليمراز قادر نيست بخش انتهايي تلومر را به نحو کامل همانندسازي کند و پليمراز قادر نيست آخرين قطعه اکازاکي
شکل -٣: ساختار تلومر شامل دو حلقه T loop( T) و D loop( D)٢٣
شکل -٤: قرارگيري مجموعه هاي پروتييني TRF١ و TRF٢ بر روي DNA تلومري و ايفاي نقش هايي مانند حفاظت و ترميم در اين ناحيه ٢٣
را سنتز کند، اين رويداد در گذشته به نام End replication problem مطرح شده بود.٢٥ از سويي در اثر فعاليت اگزونوکلئازها، که موجب تجزيه انتهاي خطي DNA مي شوند، اين ناحيه از کروموزوم نيز تا حدي تجزيه مي شود. بنابراين در هر تقسيم سلولي به شکل پيوسته بخشي از درازاي تلومر کوتاه مي شود. کوتاه شدن پيوسته تلومر به جدا شدن يک سري از پروتيين ها از ساختار تلومرو تغيير بيان ژن منجر مي شود.
اين رخداد، پيامدهاي مهمي را در سرنوشت سلولي به دنبال دارد. بر اساس اثر مکاني تلومر (Telomere position effect)، وجود تلومر موجب سرکوب ژن هاي مجاور و مانع بيان اين ژن ها مي شود. کوتاه شدن تلومر به نوبه خود موجب کاهش قلمرو اثر آن در سرکوب ژن هاي مجاور مي گردد، و ژن هايي که تاکنون خاموش بوده اند، روشن مي شوند.
در اين حالت تلومر کوتاه شده ديگر نقش حفاظتي را مانند پيش نمي تواند براي کرموزوم ايفا کند، در نتيجه در تقسيمات سلولي بالا و بالا رفتن سن ، تجزيه شدن کرموزوم ، نوآرايي و الحاق انتهايي در کرموزوم ها مشاهده مي شود که در نهايت به ايجاد بحران (crisis) در سلول منجر مي شود (شکل ٥). تلومر کوتاه شده در واقع مانند پيامي است که سلول بيشتر از اين نبايد به تقسيمات خود ادامه دهد. در سلول ميرا (mortal) پس از اين مرحله عدم فعاليت سلولي (senescence) وجود دارد که تکثير سلولي متوقف مي شود و به دنبال آن مرگ سلولي
(apoptose) پيش مي آيد.٢٧و٢٦ البته چنانچه در اين فرايند رو به مرگ سلولي ، سلول در مرحله بحران بتواند به نحوي از کوتاه شدن بيشتر تلومر جلوگيري کند مي تواند از مرگ گريخته و به تقسيمات خود ادامه داده و ناميرا (immortal) شود. در خلال فرايند سرطاني شدن ، سلول توموري داراي تغييرات ژنتيکي و اپي ژنتيکي مي شود که به آنها اجازه فرار از تنظيم سلولي طبيعي را مي دهد. يکي از مهم ترين اين مکانيسم ها فعال شدن تلومراز است (شکل ٦).١٩
شکل -٥: بحران در سلول در اثر کوتاه شدن پيوسته تلومر در حين تقسيم سلول ٢٣
ساختار تلومراز: سه مکانيسم کلي براي افزايش درازاي تلومر در موجودات يوکاريوت وجود دارد: ١- مکانيسم کلي و غالب در انسان و اغلب موجودات يوکاريوت استفاده از آنزيم تلومراز است . ٢- در دروزوفيلا، DNAي تلومري به وسيله انتقال رتروترنسپوزون هاي ويژه اي به نام HeT-A و TART به انتهاي کروموزوم افزايش مي يابد.
٣- در مخمر DNAي تلومري توسط کروموزوم هاي هومولوگ (هم ساخت ) و کروموزوم هاي غير هومولوگ افزايش مي يابد.٧و٢ انتهاي ′٣ تلومر (overhang ′٣) تک رشته است و توانايي جفت شدن را با توالي الگوي تلومراز را دارد.٨ آنزيم تلومراز يک ترنسکريپتاز معکوس است که با استفاده از ملکول RNA به عنوان الگو مي تواند مولکول DNA را سنتز کند. تلومراز، يک DNA پليمراز وابسته به RNA است . آنزيم تلومراز انساني يک ريبونوکلئوپروتيين است که از دو بخش پروتييني و RNAاي ساخته شده است . مجموعه پروتييني آنزيم ، ترنسکريپتاز معکوس تلومراز انساني (hTERT) گفته مي شود و در واقع نقش آنزيمي را انجام مي دهد. بخش hTERT داراي ١١٣٢ اسيد امينه با وزن ملکولي kd١٢٧ و فعاليت آنزيمي تلومراز مربوط به hTERT است .
افزون بر بخش پروتييني ، آنزيم تلومراز داراي يک RNA به عنوان الگو است که به آن ، RNA تلومراز انساني (hTR) گفته مي شود. hTR داراي ٤٤٥ نوکلئوتيد است که در انسان ١١ نوکلئوتيد آن نقش الگو را در سنتزتوالي هگزامري تلومر (TTAGGG) ايفا مي کند.١٩و٢ در جريان تقسيم سلولي ساختار تلومر به نحو کنترل شده و موقتي باز مي شود تا آنزيـم تلومراز بتواند به انتـهاي تک رشته تلومر (انتهاي ′٣) دسترسي سلول هاي رده زايا
