UCSF-Studie enthüllt Mechanismus des Telomerase-Enzyms, der zu einem Ziel für die Krebstherapie und Zellregeneration führen könnte

UCSF-Studie enthüllt Mechanismus des Telomerase-Enzyms, der zu einem Ziel für die Krebstherapie und Zellregeneration führen könnte
UCSF-Studie enthüllt Mechanismus des Telomerase-Enzyms, der zu einem Ziel für die Krebstherapie und Zellregeneration führen könnte
Anonim

Forscher der UC San Francisco haben eine Region im Telomerase-Enzym entdeckt, von der sie sagen, dass sie sich als Ziel für das Abtöten von Krebszellen und die Regeneration geschädigter Zellen erweisen und auch zu einem möglichen Angriffsziel für HIV führen könnte.

Das Enzym, das vor zwei Jahren durch Studien bekannt wurde, die zeigten, dass es in Zellkulturen manipuliert werden könnte, um die Lebensdauer von Zellen zu verlängern, hat die Fähigkeit, die als Telomere bekannten Chromosomenspitzen, die ihre letzten Fragmente verlieren, wieder aufzufüllen mit jedem Zyklus der Zellteilung.Bei Aktivierung füllt Telomerase Telomere wieder auf, indem sie die darin gef altete RNA in telomerische DNA kopiert und an den Enden der Chromosomen zusammensetzt.

Telomere erh alten die Stabilität von Chromosomen auf vielfältige Weise aufrecht und verhindern, ähnlich wie chemische Buchstützen, dass sie sich aufwickeln. Aber in einem schönen Beispiel für den Einfallsreichtum der Natur spielen sie auch eine Rolle bei der Regulierung der Lebensspanne einer Zelle, weil die Spitzen der Telomere mit jedem Zellteilungszyklus Chromosomen abwerfen aufhören zu teilen erhöht sich allmählich. Infolgedessen sind nach vielen Zyklen der Zellteilung alle Zellen in einer Population gestorben.

Obwohl das Telomerase-Enzym die Fähigkeit hat, die Telomere an den Enden der Chromosomen wieder aufzufüllen, ist es in vielen erwachsenen menschlichen Geweben inaktiv. Es ist jedoch aktiv, wenn massive Zellteilungen im Gange sind – wie in sich selbst erneuernden erwachsenen Zellen des Immunsystems, während der Entwicklung eines Embryos und bei Krebserkrankungen.

In der UCSF-Studie, über die in der Science-Ausgabe vom 5. Mai berichtet wurde, stellten die Forscher fest, dass eine kleine Struktur innerhalb des RNA-Moleküls der Hefe-Telomerase die Präzision steuert, mit der das Enzym seine Schlüsselfunktion ausführt – das Spinnen der sich wiederholenden Sequenzen von Telomer-DNA, die an die Enden von Chromosomen bindet.

Als sie diese kleine RNA-Region zerstörten, begann das Enzym, die Outtelomere unkontrolliert zu drehen, bis sie stehen blieben wie ein Auto, das in einen Graben fährt. Dieses Ergebnis trat in der Kultur und in den Hefezellen selbst auf. Bald folgte der Zelltod.

Da die menschliche Version der Telomerase eine strukturelle Region zu haben scheint, die der im Hefeenzym untersuchten ähnelt, könnte sich die Region als Ziel für das Abtöten von Krebszellen erweisen, sagt die Hauptautorin der Studie, Elizabeth Blackburn, PhD, UCSF-Professor für Mikrobiologie und Immunologie sowie Biochemie und Biophysik, der 1985 die Telomerase mitentdeckte. (Die Funktion der menschlichen Version der Region wurde nicht bestimmt.) Darüber hinaus, sagt sie, könnte es sich als Angriffspunkt für die Regeneration von Zellen erweisen, die durch Verletzungen oder Abnutzung geschädigt wurden.

Telomerase und andere sogenannte reverse Transkriptasen, einschließlich HIV, enth alten beide RNA, die in Protein eingehüllt ist. Als solche werden sie als Ribonukleoproteine ​​bezeichnet. Die meisten Enzyme enth alten dagegen nur Proteine.

Ein Großteil der Aufregung über den aktuellen Befund rührt von der Tatsache her, dass sich die Forschung zu Telomerase und HIV bisher nur auf die Proteinkomponenten konzentriert hat, da sie einen zentralen Teil der aktiven Zentren der Enzyme ausmachen.

"Diese Entdeckung stellt das erste Mal dar, dass irgendjemand eine mechanistische Rolle einer RNA-Struktur bei der Wirkung von Telomerase gezeigt hat, und wir glauben, dass dies wahrscheinlich ein universelles Merkmal der Telomerase ist", sagt Blackburn.

Der Befund verstärkt auch die jüngsten Beweise, dass die RNA-Komponente von HIV, die in retroviralen Therapien traditionell als passiv vernachlässigt wird, eine integrale Rolle bei der HIV-Replikation spielt und daher als mögliches Ziel für eine Therapie erneut untersucht werden sollte. sagt Blackburn.

"Diese Entdeckung sollte die Aufmerksamkeit der Forscher wieder auf die RNA-Komponenten von Telomerase und HIV lenken", sagt sie.

Die Entdeckung könnte auch einen Einblick in die evolutionäre Vergangenheit bieten. Einige Forscher haben geglaubt, dass das RNA-Molekül in der Telomerase während einer früheren Periode in der Evolutionsgeschichte funktionelle Macht auf die Proteinkomponente übertragen haben könnte.

Die Entdeckung, dass die scheinbar archaische RNA eine mechanistische Schlüsselrolle bei der Intelomerase-Funktion behält, stützt die Theorie, dass Telomerase – und Reverse Transkriptasen wie HIV – einen Zwischenschritt in der Evolution von Enzymen von reinen RNA-Sequenzen zu reinen Proteinsequenzen darstellen, sagt Blackburn.

"Eine solche direkte Funktion der RNA-Struktur in der enzymatischen Wirkung von Telomerase unterstützt ein Evolutionsschema, in dem RNA-Enzyme Proteinkomponenten erworben haben, die sich zu Ribonukleoprotein-Enzymen entwickeln", sagt sie. „Die RNA-Komponenten verloren dann nach und nach ihre funktionelle Rolle in der Katalyse und wurden später entbehrlich."

Telomerase und die anderen Reverse-Transkriptase-Enzyme funktionieren, indem sie Kopien von DNA aus der in ihrem Protein gef alteten RNA synthetisieren. Nahezu alle Organismen haben ein Enzym, das die Umwandlung von DNA, die den genetischen Code oder Gene von Anorganismen enthält, in Boten-RNA stimulieren kann, der erste Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Proteinen. Nur die Reversen Transkriptasen machen das Gegenteil.

Aber Telomerase und HIV unterscheiden sich in einem Schlüsselaspekt ihres Transkriptionsmechanismus. Während HIV Tausende von RNA-Basen durch seine katalytische Stelle zieht und dabei lange Sequenzen viraler DNA ausspinnt, zieht die Telomerase nur einen sehr kleinen Teil ihrer langen RNA-Sequenz an die katalytische Stelle und kopiert dieses eine Segment, das als Matrize bekannt ist, immer wieder in telomerische DNA umgewandelt, die dann zusammengesetzt und an die Enden der Chromosomen angefügt wird.

Bis jetzt haben die Forscher nicht verstanden, was die Template-Grenzen des Enzyms festlegt, die das ungezügelte Spinnen von Telomer-DNA auf die Enden der Chromosomen verhindern.In der aktuellen Studie stellten die Forscher fest, dass die Begrenzung der DNA-Synthese durch ein kleines RNA-Segment gesteuert wird, das sich benachbart zum stromabwärts gelegenen Ende der RNA-Matrize befindet. Die Region, die aus RNA-Basenpaaren besteht, die innerhalb eines größeren RNA-Segments „zusammengeschnürt“sind, fungiert als Grenze für den Replikationsprozess.

Als die Forscher diese RNA-Region veränderten, "entpackte" sich der Puffer und lieferte einen langen RNA-Streifen - auf einer Seite des Reißverschlusses - für das Enzym, um die Umwandlung in DNA fortzusetzen. Mit freier Hand zog das Enzym immer mehr Theribonukleotide in sein aktives Zentrum, bis es so viel Telomer-DNA synthetisierte, dass sich die Telomerase-RNA schließlich, so Blackburn, zusammengeballt haben könnte, die Telomersynthese stoppte und den Zelltod verursachte.

Eine solche abnormale, fast ununterbrochene Replikation, sagt Blackburn, erinnert an das Verh alten normaler reverser Transkriptasen, wie sie in Retroviren wie HIV vorkommen.

"Unser Befund zur Telomerase unterstreicht die Wichtigkeit, die RNA-Komponente von HIV zu untersuchen", sagt Blackburn, "denn durch eine einfache Veränderung der Telomerase-RNA können wir bewirken, dass sie sich mehr wie HIV verhält, und das deutet darauf hin HIV ist eigentlich wie Telomerase - wenn es in Zellen wirkt, um neue Viren zu produzieren, wirkt es wirklich zusammen mit seinen RNAs. Ich denke, das ist etwas, worüber man bei Medikamentenzielen nachdenken sollte."

Der Befund verstärkt eine aktuelle UCSF-Studie unter der Leitung von Tristram Parslow, MD, PhD, Professor für Pathologie, und Thomas James, PhD, Professor und Lehrstuhl für pharmazeutische Chemie, die berichteten (Nature Structural Biology, Bd. 5, S. 432, 1998), dass eine andere "zusammengezippte" Region von RNA-Basenpaaren für die Replikation von HIV wesentlich ist. Als die Basenpaare mutiert waren, verlor HIV seine Fähigkeit, eine Zelle zu infizieren.

Co-Autoren der Studie waren Yehuda Tzfati, PhD, Postdoktorand, TracyB. Fulton, Doktorand, und Jagoree Roy, PhD, Postdoktorand, alle an der UCSF-Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie.

Die Studie wurde von den National Institutes of He alth finanziert.

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