تاریخچه :
در سال 1933 ، خانم باربارا مک کلینتوک، سایتوژنتیست امریکایی و اولین بانوی دریافت کننده جایزه نوبل پزشکی و فیزیولوژی، متوجه انتهای چسبنده کروموزوم ها شد و این فرضیه را مطرح کرد که احتمالا وجود یک ساختار ویژه در انتهای کروموزوم در نگهداری و پایداری آن ها نقش دارد. همین فرضیه توسط هرمن مولرهم مطرح شده بود و وی نام این قسمت را «تلومر» گذاشت.
در ابتدای دهه 1970 میلادی، تئوریسین روسی، الکسی اولونیکف، متوجه شد که کروموزوم ها  نمی توانند به طور کامل انتهای خود را سنتز کنند. بر این اساس و بر پایه ایده لئونارد هایفلیک مبنی  بر محدود بودن تقسیمات سلولی اولونیکف پیشنهاد داد که در سلول به ازای هر تقسیم سلولی بخشی از DNA از بین می رود و وقتی به یک مرز بحرانی رسید، سلول دیگر تقسیم  نمی شود.
طی سال های 1975 - 1977 ، الیزابت بلک برن توانست با تلاش های فراوان توالی تلومر را پیدا کند و متوجه شد که انتهای کروموزوم ها از تکرارهای شش نوکلئوتیدی TTAGGG تشکیل شده است. نهایتا در سال 2009 جایزه نوبل پزشکی و فیزیولوژی به خانم بلک برن به همراه کارول گریدر 6 و جک ژوستاک برای کشف اینکه  چگونه انتهای کروموزوم ها بوسیله تلومر و آنزیم تلومراز محافظت می شود، تعلق گرفت.

 

تلومر :
DNA تلومری در انسان و سایر مهره داران توالی است که از تکرارهای شش نوکلئوتیدی تکراری TTAGGG تشکیل شده است. تعداد این تکرارها در گونه های مختلف متفاوت است به طوریکه در انسان بین 10-15 kb و در گونه های موش و رت بین 20-50 kb می باشد. DNA تلومری بصورت دو رشته ای (dsDNA) می باشد اما انتهای رشته غنی از G (رشته ای که توالی TTAGGG را در خود دارد) به صورت تک رشته ای می باشد. این انتهای تک رشته دو امتیاز کلیدی را ایجاد می کند: فراهم سازی پرایمرها برای امتداد رشته توسط آنزیم تلومراز؛ و اتصال پروتئین های اختصاصی تلومری جهت کلاهک گذاری انتهای کروموزوم و حفظ پایداری ژنومی.

 

کوتاه شدن طول تلومر :
سنتز ناکامل انتهای رشته پیرو در هر بار تقسیم DNA ، به دلیل تجزیه آخرین پرایمر،  ایجاد یک overhang ا ’ 3 می کند. از دست دادن مقدار بیشتری از انتهای کروموزوم طی پروسه ای که بر روی رشته پیشرو  اعمال می شود اتفاق می افتد. این تغییرات بوسیله دو آنزیم نوکلئازی شامل آنزیم Apollo و آنزیم اگزونوکلوئاز  EXO1  رخ می دهد و  منجر به این می شود که انتهای رشته های پیرو و پیشرو در تلومرها جهت تشکیل ساختار T-loop که برای حفظ پایداری انتهای کروموزوم ضروری است برش بیشتری بخورند. در ادامه کمپلکس CST ( CTC1-STN1-TEN1 ) فضای خالی رشته C-rich را پر می کند(شکل1)

شکل 1 فرآیند کوتاه شدن طول تلومر

 

 

کنترل طول تلومر :
در حفظ طول تلومر و پایداری انتهای کروموزوم ها دو جزء دخیل هستند:
الف) کمپلکس Shelterin ؛ این کمپلکس که از اجزای مختلف پروتئینی تشکیل شده، سراسر  طول تلومر را می پوشاند (شکل2). Shelterinموجب کاهش پاسخ آسیب به DNA  می شود، بنابراین از فعال سازی کینازهای ATM و ATR که باعث القای توقف سیکل سلولی در پاسخ به آسیب های DNA از قبیل شکست دو رشته ای می شود، جلوگیری می کند.
Shelterin به طور نسبی از تلومر به وسیله تشکیل T-loop محافظت می کند. T-loop ساختاری است که بر اثر گرایش سمت ‘ 3 انتهای تلومر به سمت انتهای دو رشته ای آن بوجود می آید. نقش عمده کمپلکس Shelterin را می توان در سه مورد تقسیم بندی کرد :
1. نگهداری طول تلومر و حفظ تمامیت  ژنوم به وسیله کنترل دسترسی تلومراز به انتهای کروموزوم از طریق پوشاندن تلومر و ممانعت از ایجاد پاسخ آسیب به DNA 
2. نقش آن در افزایش سهولت دسترسی تلومراز به تلومر به وسیله دو جزء پروتئینی خود، TPP1 وTIN2
3. تعدادی از زیرواحدهای Shelterin به عنوان تنظیم کننده منفی طول تلومرند که به نظر می رسد با شمارش تکرارهای تلومری فعالیت تلومراز را بوسیله cis-acting negative-feedback loop تنظیم می کنند.
عدم وجود Shelterin از کلاهک گذاری تلومر جلوگیری می کند، بنابراین شرایط برای فعال شدن مسیرهای سیگنالی آسیب به DNA مهیا می شود و متعاقب آن ممکن است.
منجر به فعال سازی مسیرهای تعمیری سلول از جمله HDR و NHEJ(سیستم تعمیری مستعد خطای سلول)، پیری سلول و یا آپوپتوز شود.

ب) تلومراز: تکرارهای تلومری می توانند به وسیله تلومراز حفظ بشوند، که این کمپلکس  ریبونوکلئوپروتئینی(RNP) متشکل از آنزیم ترنسکریپتاز معکوس تلومراز  TERC ،TERT  و چندین جزء پروتئینی جانبی دیگر (اجزاء آبی رنگ در شکل ) تشکیل شده است. TERT به وسیله الگوی RNA ای خود یعنی TERC به صورت de novo نواحی تلومری را سنتز می کند

شکل2)  ترکیب و ساختار سیستم تلومری انسان

 

نقش تلومراز در پیشبرد سرطان :
اگر فرض کنیم از بین یک میلیون سلول، به ازای هر 20 تقسیم سلولی جهش خود به خودی رخ می دهد، و فرض کنیم که این جهش ها سلول را به سمت شرایط پیش سرطانی و یک مزیت رشد سوق دهد، دیده می شود بعد از 60 تا 100 تقسیم، سلول ها تلومر های کوتاه و بدون کلاهکی خواهند داشت، این باعث شروع DNA-damage signaling می شود که از آن به عنوان یک سد یا دیوار برای جلوگیری از سرطانی شدن سلول ها یاد می کنند و لازمه حیات گونه های با عمر طولانی مثل انسان است. در حال حاضر مشخص شده که به طور معمول 8 الی 15 تغییر انکوژنیکی لازم است تا یک سلول نرمال به سلول سرطانی تبدیل شود، بنابراین فرآیند پیری سلولی در انسان باعث جلوگیری از ابتلا به سرطان می شود. حال اگر سلول از این دیوار عبور کند، چه اتفاقی می افتد؟ سلول به دلیل از دست دادن سیستم های کنترلی خود که به دلیل جهش در ژن های  سرکوب کننده تومور و انکوژن ها بوجود آمده اند، بی وقفه تقسیمات خود را انجام می دهد با افزایش تقسیمات سلولی، تلومر هم به تدریج کوتاه می شود. بعد از محدوده خاصی از تقسیم، سلول ها تلومرشان به اندازه ای کوتاه شده است که وارد فاز توقف رشد یا پیری یا M1 شوند( شکل 3). این محدوده همان محدوده نظریه هایفلیک  است که پیش از این به آن اشاره شد. سلول پیش سرطانی برخلاف سلول سالم به  وسیله تغییرات انکوژنی خود می تواند از این سد عبور کند و وارد دوره عمر طولانی شود و تقسیمات خود را همچنان ادامه دهد که در این مرحله وارد فاز بحرانی یا M2 می شود (شکل 3). در این فاز، تعادلی بین رشد و مرگ سلولی وجود دارد و تعداد زیادی از سلول ها می میرند. تعدادی از سلول ها می توانند تلومراز خود را فعال کنند و به تقسیم خود ادامه دهند. بنابراین سلول هایی که وارد فاز بحران شده اند، تلومرهای کوتاه اما تلومراز فعالی دارند.

شکل 3 - تبدیل سلول نرمال به سرطانی به همراه فعال شدن تلومراز

تلومراز چگونه به صورت طبیعی غیرفعال می شود؟
تلومراز در طول تکامل جنین فعال است و این فعالیت تا حدود ماه 3 و 4 بارداری ادامه دارد. وقتی طول تلومر به یک مقدار معین رسید (15-20 kb) ساختار سه بعدی کروماتین به نحوی شکل می گیرد که ممکن است باعث خاموش شدن ژن TERT شود. این امکان کاملا میسر است که ژن TERT در سطوح مختلف مثل تشکیل ساختار سه بعدی  و chromatin modification تنظیم شود. در روند پیشرفت سرطان، با کوتاه شدن تلومر، کروماتین حالت آزاد به خود می گیرد تا به تلومراز و پروموتر آن اجازه اعمال موتاسیون و فعال شدن آن را بدهد.

 

نتیجه گیری :
شواهد نشان می دهند که پیری سلولی خود به عنوان یک ترمز برای ابتلا به سرطان عمل می کند، چرا که برای ایجاد سرطان تقسیم های متوالی نیاز است تا جهش ها بتوانند تجمع پیدا کنند. به علاوه مشاهده کردیم که تجمع این جهش ها در انکوژن ها و ژن های سرکوب کننده تومور که در تومورها اتفاق می افتد باعث مقاومت در برابر سیگنال های ممانعت کننده از تقسیم  سلولی می شوند. در بسیاری از موارد، سلول ها قبل از سرطانی شدن پیر می شوند. بنابراین aging  و سرطان دو انتهای یک طیف اند. مسدود کردن تلومراز در سلول های سرطانی می تواند یک روش درمانی باشد، در مقابل بیان تلومراز در سلول های نرمال می تواند باعث افزایش طول عمر شود، علی الخصوص برای بیمارانی که به شکل توارثی دارای طول تلومر کوتاه هستند. بطور خلاصه، تلومراز و تنظیم طول تلومر می تواند به عنوان یک هدف درمانی، هم برای سرطان و هم برای بیماری های وابسته به سن، مورد توجه بیشتری قرار بگیرد.

منبع : مجله پیام آزمایشگاهی شماره 102