معلومة

هل يتم تجريد النيوكليوتيدات الموجودة في نهايات الحمض النووي مع تقدم العمر؟

هل يتم تجريد النيوكليوتيدات الموجودة في نهايات الحمض النووي مع تقدم العمر؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كان لدي الفهم التالي (الآن بعد قراءة مقال علمي مشهور يبدو أنه فهم خاطئ):

الحمض النووي في الخلايا (العادية) (في الإنسان وبعض الكائنات الحية الأخرى) محمي بواسطة التيلومرات. يتم تقصير التيلوميرات في كل قسم. عندما تصل التيلوميرات إلى الحجم الصفري ، فإن نيوكليوتيدات نهايات الدنا تصبح "مجردة" بحيث يقصر الحمض النووي قليلاً. لا يعمل الحمض النووي المختصر بشكل كامل. هذا يؤدي إلى شيخوخة الكائن الحي.

لكن في مقال علمي مشهور قرأت أن التيلوميرات مهما كانت مختصرة لا يبدو أنها تصل إلى الصفر. لذا فإن نيوكليوتيدات الحمض النووي الموجودة في نهايات الحمض النووي لا يتم تجريدها أبدًا. ومع ذلك ، فإن تقصير التيلوميرات يؤدي إلى أن تصبح الخلية غير قابلة للتقسيم أو حتى موت الخلية.

إذن سؤالان مرتبطان:

  1. هل يتم تجريد النيوكليوتيدات المشفرة / التنظيمية (وليس التيلوميرات فقط) الموجودة في نهايات الحمض النووي نتيجة الشيخوخة؟

  2. إذا لم يتم تجريدها وبالتالي فإن الحمض النووي نفسه لا يتضرر ، فكيف يمكن أن يؤدي تقصير التيلوميرات إلى الشيخوخة؟ هذه هي الطريقة التي يمكن أن تحدث الشيخوخة بسبب تقصير التيلوميرات التي لا تصل إلى الصفر؟


إن مقالة ستانفورد التي قرأتها صحيحة ، بمعنى أن التيلوميرات لا تحتاج إلى إزالتها تمامًا عن طريق الانقسام الخلوي قبل حدوث التأثيرات الضارة وتبدأ الخلايا في الخضوع للشيخوخة.

تصف مقالة Nature هذه تجربة تم فيها تحديد الحد الأدنى لطول التيلوميرات (التي يحدث بعدها اندماج الكروموسومات):

كان طول التيلومير الحرج 12.8 تكرارًا (لستة أزواج أساسية) ، كما وجدوا - أي أقصر وبدأت الكروموسومات في الاندماج معًا في نهاياتها (R. Capper et al. Genes Dev. doi: 10.1101 / gad.439107؛ 2007) . يقترح بيرد أنه بدون أغطية تيلومير طويلة بما فيه الكفاية ، قد ترى الخلية نهايات الكروموسوم كخيوط مكسورة من الحمض النووي وتحاول تجميعها معًا.

لذلك ، يمكننا أن نستنتج أنه على الرغم من أنه ليس من المستحيل تجريد النيوكليوتيدات غير التيلوميرية من النهايات الصبغية ، إلا أن هذا لا يحدث عمومًا ، نظرًا لأن آليات الدفاع الخلوي مثل الانضمام إلى النهاية غير المتجانسة (NHEJ) والربط النهائي بوساطة علم الأحياء الدقيقة ( MMEJ) قبل تلك النقطة ، ويبدأ في ضم نهايات الكروموسومات معًا. سيؤدي ذلك بعد ذلك إلى حدوث مشكلات أثناء الانقسام الفتيلي ، والذي من المحتمل أن يوقف المزيد من انقسامات الخلايا.


تصور نهاية الجينوم البشري

لمح العلماء التركيب ثلاثي الأبعاد للبروتين الذي يحمي نهايات الكروموسومات البشرية ، وهي وظيفة ضرورية لانقسام الخلايا الطبيعي وبقائها على قيد الحياة. من خلال تصور البروتين وهو يحيط بنهاية الكروموسوم ، تعلم العلماء كيف يستقر البروتين في تسلسل DNA معين ويعمل كغطاء واقي لمنع تآكل نهايات الكروموسوم.

نشر الباحثون ، بقيادة توماس آر تشيك ، رئيس معهد هوارد هيوز الطبي ، الذي يوجد مختبره في جامعة كولورادو في بولدر ، النتائج التي توصلوا إليها في منشور مسبق على الإنترنت في Nature Structural and Molecular Biology في 21 نوفمبر 2004. Ming Lei و Elaine كان R. Podell في مختبر Cech مؤلفين مشاركين. وفقًا لـ Cech ، تثير النتائج أسئلة جديدة حول الوظائف الخلوية الأساسية التي تحدث في نهاية الكروموسوم.

أثناء تكرار الحمض النووي الطبيعي ، تُفقد أطراف جزيء الحمض النووي. من أجل منع التآكل ، يتم تغطية الكروموسومات بمنطقة متخصصة من الحمض النووي تُعرف باسم التيلومير - وهي عبارة عن تسلسل DNA قصير ومتكرر لا يرمز إلى أي بروتين. في البشر ، يبلغ طول التيلومير بأكمله آلاف الأزواج القاعدية ، ويتكون من سلسلة متكررة من ستة نيوكليوتيدات. يمتد آخر 100 إلى 300 نيوكليوتيد في النهاية إلى ما وراء اللولب المزدوج باعتباره "ذيل" DNA أحادي الجديلة. تصبح تيلوميرات الخلايا الطبيعية تدريجيًا أقصر وأقصر مع كل انقسام خلوي ، وهي علامة مميزة لشيخوخة الخلايا.

لكن الخلايا تمتلك أيضًا إنزيمًا فريدًا يُعرف باسم تيلوميراز يمكنه إطالة التيلوميرات عن طريق إضافة DNA إلى نهايات الكروموسوم باستخدام قالب RNA الخاص به. في معظم الخلايا ، يكون نشاط التيلوميراز منخفضًا جدًا بعد التطور الجنيني ، ويعد تنظيم التيلوميراز أمرًا بالغ الأهمية ، لأن الكثير من نشاط التيلوميراز يمكن أن يعزز تطور الورم.

في عام 2001 ، اكتشف الدكتور بيتر باومان في مختبر تشيك POT1 (من أجل "حماية التيلوميرات") ، وهو البروتين الوحيد المعروف ارتباطه بذيول الحمض النووي التيلومير البشري. يلعب الوعاء 1 دورًا مهمًا في تغطية نهايات الكروموسومات وفي تنظيم طول التيلومير. قال: "قبل هذا الاكتشاف ، لم يكن الناس متفقين حتى على وجود بروتين في نهايات الكروموسومات البشرية." في الوقت نفسه ، وجد فريق Cech نسخة من بروتين POT1 في الخميرة الانشطارية. تم العثور على إصدارات أخرى من POT1 منذ ذلك الحين في النباتات والفئران - كل منها يتعرف على تسلسل تيلومري فريد لهذا الكائن الحي.

يعتبر POT1 أمرًا بالغ الأهمية في الانقسام الطبيعي للخلايا ، وقد أظهرت تجارب البقاء على قيد الحياة في الخميرة الانشطارية أنه بدونه ، تموت معظم الخلايا على الفور. الخلايا التي تنجح في البقاء على قيد الحياة بسرعة تفقد التيلوميرات الخاصة بها ، مما يتداخل مع الانقسام الطبيعي للخلايا ويؤدي في النهاية إلى أخطاء جسيمة في الحمض النووي والكروموسومات الدائرية غير الطبيعية. في الخلايا البشرية المزروعة في المختبر ، يمكن أن يكون الكثير من POT1 معطلاً ، مما يتسبب في إطالة أو تقصير غير طبيعي للتيلوميرات.

قبل تحديد بنية POT1 البشري ، كان تنبؤ الباحثين لما قد يبدو عليه بناءً على فهمهم لنسخة الخميرة من البروتين. في الخميرة ، يلتف POT1 حول نهاية الكروموسوم عبر منطقة تعرف باسم طية ربط قليل النوكليوتيد / قليل السكاريد (OB-fold) & ndash وهو شكل موجود في العديد من البروتينات التي تتعرف على الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (DNA) وترتبط بهما. تتلاءم الوحدة التيلوميرية المكونة من ستة نيوكليوتيدات بشكل دقيق مع هذه الطية ، حيث ترتبط العديد من جزيئات POT1 بكل طرف كروموسوم.

توقع تشيك وزملاؤه أن يكون للبروتين POT1 البشري تصميم مماثل ، لكن نتائج تحليلاتهم الكيميائية الحيوية للبروتين لم تتناسب بسهولة مع هذا النموذج. على سبيل المثال ، عندما أضاف العلماء البروتين إلى قطع قصيرة من الحمض النووي تحتوي على ستة نيوكليوتيدات تشكل تكرارًا تيلومريًا بشريًا ، كان البروتين البشري POT1 مرتبطًا بشكل ضعيف.

ولدهشتهم ، وجدوا أن POT1 يتطلب امتدادًا من الحمض النووي التيلومري يحتوي على ما لا يقل عن عشرة نيوكليوتيدات من أجل التعرف الفعال على الحمض النووي وربطه. "لقد كنا في حيرة من أمرنا بشأن الكيفية التي كانت بها عشرة نيوكليوتيدات موقعًا ملزمًا ، لأنها لم تكن من مضاعفات ستة." قال تشيك. "إذا كنت بحاجة إلى طلاء شيء به فكرة متكررة مكونة من ستة ، فأنت بحاجة إلى ربط بعض مضاعفات الستة."

لفهم كيفية التعرف على POT1 البشري وربطه بالتيلومير ، بلور الباحثون شكلاً من POT1 مرتبطًا بالجزء الحرج المكون من عشرة نيوكليوتيدات من الحمض النووي. ثم استخدموا حيود الأشعة السينية للكشف عن بنية المعقد. بشكل غير متوقع ، وجدوا أنه على عكس نسخة الخميرة من البروتين ، فإن POT1 البشري يحتوي على طيات OB مميزة. تتماشى أخاديد الطيتين مع بعضها البعض ، وتشكل قناة متصلة حيث يمكن أن يتلاءم الحمض النووي التيلومري.

لقد تعلموا أيضًا أنه بينما يرتبط البروتين بتسلسل من عشرة نيوكليوتيدات ، يمكن للبنية أيضًا أن تستوعب اثني عشر نيوكليوتيدًا. وقال تشيك "لذلك اتضح أنها لا تربط واحدًا بستة ، إنها تربط اثنين ضرب ستة". وقال إنه على طرف كروموسوم واحد ، قد يكون هناك ثمانية إلى 24 جزيء POT1 يغطي ذيل الحمض النووي.

يشير هيكل المجمع إلى أن نهاية الكروموسوم محمية بإحكام بواسطة POT1 ، وتمكن الباحثون من التحقق من ذلك من خلال تجارب كيميائية حيوية إضافية. عندما عولج مركب POT1-DNA بمحلول من شأنه أن يعدل الحمض النووي في مواقع معينة بشكل طبيعي ، لم تحدث مثل هذه التغييرات - مما يشير إلى أن هذه المواقع كانت محاطة تمامًا ببروتين POT1.

وفقًا لـ Cech ، تثير النتائج أسئلة مهمة حول تنظيم التيلوميراز. عندما يتم دفن الحمض النووي التيلومري داخل POT1 ، لا يمكن للتيلوميراز الوصول إلى الحمض النووي لإطالة التيلومير. وقال "هذا شيء يمكن أن يمنع الخلية من صنع التيلوميرات طوال اليوم". "نعتقد أن هذا هو المستوى الذي يتم فيه تنظيم التيلوميراز." لذلك ، قال ، ستكون الخطوة التالية المهمة هي تحديد الآلية الخلوية التي تحول التيلومير إلى حالة التشغيل بحيث يمكن أن يحدث الاستطالة.

قال تشيك: "هذه نهاية الجينوم البشري. إذا تقدمت إلى نهايات الكروموسوم البشري ، فماذا هناك؟ الآن نعرف ما هو موجود وندش على الأقل جزء من الوقت". "قد تكون هناك حالات أخرى من التيلومير أيضًا ، لكننا نعتقد أن هذا هو المكان الصحيح الذي يوجد فيه الفعل".


هل يمكن تخزين جميع صورك الرقمية على هيئة حمض نووي؟

يوجد على الأرض الآن حوالي 10 تريليون غيغابايت من البيانات الرقمية ، وكل يوم ينتج البشر رسائل بريد إلكتروني وصور وتغريدات وملفات رقمية أخرى تضيف ما يصل إلى 2.5 مليون غيغابايت أخرى من البيانات. يتم تخزين الكثير من هذه البيانات في منشآت هائلة تُعرف باسم مراكز بيانات إكسابايت (إكسابايت هو 1 مليار غيغابايت) ، والتي يمكن أن تكون بحجم العديد من ملاعب كرة القدم وتتكلف حوالي مليار دولار للبناء والصيانة.

يعتقد العديد من العلماء أن الحل البديل يكمن في الجزيء الذي يحتوي على معلوماتنا الجينية: الحمض النووي ، والذي تطور لتخزين كميات هائلة من المعلومات بكثافة عالية جدًا. يقول مارك باثي ، أستاذ الهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن كوب قهوة مليء بالحمض النووي يمكنه نظريًا تخزين جميع بيانات العالم.

يقول باثي ، وهو أيضًا عضو مشارك في معهد برود في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهارفارد: "نحن بحاجة إلى حلول جديدة لتخزين هذه الكميات الهائلة من البيانات التي يقوم العالم بتجميعها ، وخاصة البيانات الأرشيفية". "الحمض النووي أكثر كثافة بألف مرة من ذاكرة الفلاش ، وخاصية أخرى مثيرة للاهتمام هي أنه بمجرد أن تصنع بوليمر الحمض النووي ، فإنه لا يستهلك أي طاقة. يمكنك كتابة الحمض النووي ثم تخزينه إلى الأبد."

لقد أثبت العلماء بالفعل أنه يمكنهم تشفير الصور وصفحات النص على أنها DNA. ومع ذلك ، ستكون هناك حاجة أيضًا إلى طريقة سهلة لانتقاء الملف المطلوب من خليط من قطع عديدة من الحمض النووي. أظهر باثي وزملاؤه الآن طريقة واحدة للقيام بذلك ، من خلال تغليف كل ملف بيانات في جسيم من السيليكا سعته 6 ميكرومتر ، والذي تم تمييزه بتسلسلات قصيرة من الحمض النووي تكشف عن المحتويات.

باستخدام هذا النهج ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم بدقة سحب الصور الفردية المخزنة كتسلسلات الحمض النووي من مجموعة من 20 صورة. نظرًا لعدد التسميات المحتملة التي يمكن استخدامها ، يمكن أن يصل حجم هذا الأسلوب إلى 1020 ملفًا.

باثي هو المؤلف الرئيسي للدراسة ، التي تظهر اليوم في مواد الطبيعة. المؤلفون الرئيسيون لهذه الورقة هم جيمس بانال ، باحث ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تايسون شيبرد ، زميل أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وجوزيف بيرليانت ، طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تخزين مستقر

تقوم أنظمة التخزين الرقمية بترميز النص أو الصور أو أي نوع آخر من المعلومات على شكل سلسلة من 0 و 1. يمكن تشفير هذه المعلومات نفسها في الحمض النووي باستخدام النيوكليوتيدات الأربعة التي تشكل الشفرة الجينية: A و T و G و C. على سبيل المثال ، يمكن استخدام G و C لتمثيل 0 بينما يمثل A و T 1.

يحتوي الحمض النووي على العديد من الميزات الأخرى التي تجعله مرغوبًا كوسيط تخزين: إنه مستقر للغاية ، ومن السهل إلى حد ما (ولكنه مكلف) التركيب والتسلسل. أيضًا ، بسبب كثافته العالية - كل نيوكليوتيد ، أي ما يعادل بتتين ، يساوي حوالي 1 نانومتر مكعب - إكسابايت من البيانات المخزنة على شكل حمض نووي يمكن وضعها في راحة يدك.

تتمثل إحدى العقبات التي تعترض هذا النوع من تخزين البيانات في تكلفة تصنيع مثل هذه الكميات الكبيرة من الحمض النووي. في الوقت الحالي ، تبلغ تكلفة كتابة بيتابايت واحد من البيانات (مليون جيجابايت) تريليون دولار. لكي تصبح منافسًا للشريط المغناطيسي ، والذي غالبًا ما يستخدم لتخزين البيانات الأرشيفية ، يقدر باثي أن تكلفة تخليق الحمض النووي ستحتاج إلى الانخفاض بنحو ستة أوامر من حيث الحجم. يقول باثي إنه يتوقع أن يحدث ذلك في غضون عقد أو عقدين ، على غرار الطريقة التي انخفضت بها تكلفة تخزين المعلومات على محركات أقراص فلاش بشكل كبير خلال العقدين الماضيين.

بصرف النظر عن التكلفة ، فإن العقبة الرئيسية الأخرى في استخدام الحمض النووي لتخزين البيانات هي صعوبة انتقاء الملف الذي تريده من جميع الملفات الأخرى.

"بافتراض أن تقنيات كتابة الحمض النووي وصلت إلى نقطة يكون فيها من المفيد من حيث التكلفة كتابة إكسابايت أو زيتابايت من البيانات في الحمض النووي ، فماذا بعد ذلك؟ سيكون لديك كومة من الحمض النووي ، وهي عبارة عن ملفات غازيليون أو صور أو الأفلام والأشياء الأخرى ، وتحتاج إلى العثور على الصورة أو الفيلم الذي تبحث عنه ". "إنها مثل محاولة العثور على إبرة في كومة قش."

حاليًا ، يتم استرداد ملفات الحمض النووي بشكل تقليدي باستخدام PCR (تفاعل البلمرة المتسلسل). يتضمن كل ملف بيانات DNA تسلسلاً يرتبط ببادئ PCR معين. لسحب ملف معين ، تتم إضافة هذا التمهيدي إلى العينة للعثور على التسلسل المطلوب وتضخيمه. ومع ذلك ، فإن أحد العوائق في هذا النهج هو أنه يمكن أن يكون هناك حديث متبادل بين التمهيدي وتسلسل الحمض النووي خارج الهدف ، مما يؤدي إلى سحب الملفات غير المرغوب فيها. أيضًا ، تتطلب عملية استرجاع تفاعل البوليميراز المتسلسل إنزيمات وينتهي الأمر باستهلاك معظم الحمض النووي الموجود في البركة.

يقول باثي: "إنك نوعًا ما تحرق كومة القش للعثور على الإبرة ، لأن كل الحمض النووي الآخر لا يتم تضخيمه وأنت تقوم برميها بعيدًا".

استرجاع الملف

كنهج بديل ، طور فريق MIT تقنية استرجاع جديدة تتضمن تغليف كل ملف DNA في جسيم سيليكا صغير. تتم تسمية كل كبسولة بـ "رموز شريطية" للحمض النووي أحادية السلسلة تتوافق مع محتويات الملف. لإثبات هذا النهج بطريقة فعالة من حيث التكلفة ، قام الباحثون بترميز 20 صورة مختلفة إلى قطع من الحمض النووي يبلغ طولها حوالي 3000 نيوكليوتيد ، وهو ما يعادل حوالي 100 بايت. (أظهروا أيضًا أن الكبسولات يمكن أن تلائم ملفات الحمض النووي التي يصل حجمها إلى غيغابايت).

تم تصنيف كل ملف باستخدام رموز شريطية مقابلة لتسميات مثل "قطة" أو "طائرة". عندما يريد الباحثون سحب صورة معينة ، فإنهم يزيلون عينة من الحمض النووي ويضيفون مواد أولية تتوافق مع الملصقات التي يبحثون عنها - على سبيل المثال ، "قطة" و "برتقالي" و "بري" للحصول على صورة نمر ، أو "قطة" ، "برتقالية" ، و "منزلية" لقط منزل.

يتم تمييز المواد الأولية بجزيئات فلورية أو مغناطيسية ، مما يجعل من السهل سحبها وتحديد أي تطابق من العينة. يسمح ذلك بإزالة الملف المطلوب مع ترك باقي الحمض النووي سليمًا لإعادته إلى التخزين. تسمح عملية الاسترجاع الخاصة بهم بتصريحات المنطق المنطقي مثل "الرئيس والقرن الثامن عشر" لتوليد جورج واشنطن نتيجة لذلك ، على غرار ما يتم استرداده باستخدام بحث الصور في Google.

"في الحالة الحالية لإثبات المفهوم لدينا ، نحن بمعدل بحث يبلغ 1 كيلوبايت في الثانية. يتم تحديد معدل بحث نظام الملفات لدينا من خلال حجم البيانات لكل كبسولة ، والذي يقتصر حاليًا على التكلفة الباهظة للكتابة 100 ميغا بايت من البيانات عن الحمض النووي ، وعدد الفرز التي يمكننا استخدامها بالتوازي. إذا أصبح تخليق الحمض النووي رخيصًا بدرجة كافية ، فسنكون قادرين على تعظيم حجم البيانات التي يمكننا تخزينها لكل ملف من خلال نهجنا ، "يقول بانال.

بالنسبة للرموز الشريطية الخاصة بهم ، استخدم الباحثون تسلسلات الحمض النووي أحادية السلسلة من مكتبة تضم 100000 تسلسل ، يبلغ طول كل منها حوالي 25 نيوكليوتيدًا ، طورها ستيفن إليج ، أستاذ علم الوراثة والطب في كلية الطب بجامعة هارفارد. إذا وضعت اثنتين من هذه الملصقات في كل ملف ، فيمكنك تسمية 1010 (10 مليارات) ملفًا مختلفًا بشكل فريد ، وبوجود أربعة تسميات على كل منها ، يمكنك تسمية 1020 ملفًا بشكل فريد.

يتصور باثي أن هذا النوع من تغليف الحمض النووي يمكن أن يكون مفيدًا لتخزين البيانات "الباردة" ، أي البيانات التي يتم حفظها في أرشيف ولا يتم الوصول إليها كثيرًا. يقوم مختبره بتدوير شركة ناشئة ، Cache DNA ، التي تعمل الآن على تطوير تقنية لتخزين الحمض النووي على المدى الطويل ، سواء لتخزين بيانات الحمض النووي على المدى الطويل ، أو العينات السريرية وغيرها من عينات الحمض النووي الموجودة مسبقًا على المدى القريب.

"بينما قد يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يصبح الحمض النووي قابلاً للتطبيق كوسيط لتخزين البيانات ، إلا أنه توجد بالفعل حاجة ملحة اليوم لحلول تخزين ضخمة منخفضة التكلفة لعينات الحمض النووي والحمض النووي الريبي الموجودة مسبقًا من اختبار Covid-19 والتسلسل الجيني البشري وغير ذلك من مجالات علم الجينوم "، يقول باتي.


عوامل العمر البيولوجي

يُستخدم العمر الزمني عادةً كمعيار لتقييم احتمالية إصابتك بأمراض مزمنة أو معاناتك من حالات مرتبطة بالعمر مثل ضعف الإدراك. ولكن بالنظر إلى عوامل أخرى ، قد يكون العمر البيولوجي مؤشرًا أفضل.

حتى أن الباحثين في King’s College London طوروا 16 مؤشرًا حيويًا قد توفر نهجًا موضوعيًا لحساب العمر البيولوجي. وهي تشمل لزوجة غشاء الخلية ، وقوة القبضة ، وحركة عضلات الرقبة ، والسعة الحيوية ، وتنظيم منعكس الضغط لمعدل ضربات القلب ومجموعة من التدابير الكيميائية مثل تركيز البروستاسكلين في الخلايا الليفية.

قد تلعب التيلوميرات أيضًا أدوارًا مهمة في عملية الشيخوخة.

التيلوميرات هي نيوكليوتيدات تحافظ على نهايات الكروموسومات من التدهور. تحدد هذه العملية مدى سرعة تقدم الخلايا في العمر وموتها. تشير الأبحاث إلى أنه كلما تقدم الشخص الأكبر سنًا ، كلما أصبحت التيلوميرات أقصر. وجدت دراسة نُشرت في Advances in Clinical Chemistry أن التيلوميرات الأقصر من المرجح أن تموت مبكرًا أو تصاب بمرض أو تصاب باضطراب تنكسي عصبي.

تزداد احتمالية موت التيلوميرات الأقصر مبكرًا ، أو الإصابة بمرض أو الإصابة باضطراب تنكسي عصبي


تصور نهاية الجينوم البشري

لمح العلماء التركيب ثلاثي الأبعاد للبروتين الذي يحمي نهايات الكروموسومات البشرية.

لمح العلماء التركيب ثلاثي الأبعاد للبروتين الذي يحمي نهايات الكروموسومات البشرية ، وهي وظيفة ضرورية لانقسام الخلايا الطبيعي وبقائها على قيد الحياة. من خلال تصور البروتين وهو يحيط بنهاية الكروموسوم ، تعلم العلماء كيف يستقر البروتين في تسلسل DNA معين ويعمل كغطاء واقي لمنع تآكل نهايات الكروموسوم.

نشر الباحثون ، بقيادة توماس ر. تشيك ، رئيس معهد هوارد هيوز الطبي ، الذي يوجد مختبره في جامعة كولورادو في بولدر ، نتائجهم في منشور مسبق على الإنترنت في علم الأحياء الهيكلية والجزيئية الطبيعة في 21 نوفمبر 2004. كان مينج لي وإلين ر. بوديل في مختبر تشيك مؤلفين مشاركين. وفقًا لـ Cech ، تثير النتائج أسئلة جديدة حول الوظائف الخلوية الأساسية التي تحدث في نهاية الكروموسوم.

قد تكون هناك حالات أخرى من التيلومير أيضًا ، لكننا نعتقد أن هذا هو المكان الصحيح الذي يوجد فيه الفعل.

أثناء تكرار الحمض النووي الطبيعي ، تُفقد أطراف جزيء الحمض النووي. من أجل منع التآكل ، يتم تغطية الكروموسومات بمنطقة متخصصة من الحمض النووي تُعرف باسم التيلومير - تسلسل DNA قصير متكرر لا يرمز لأي بروتين. في البشر ، يبلغ طول التيلومير بأكمله آلاف الأزواج القاعدية ، ويتكون من سلسلة متكررة من ستة نيوكليوتيدات. يمتد آخر 100 إلى 300 نيوكليوتيد في النهاية إلى ما وراء اللولب المزدوج باعتباره "ذيل" DNA أحادي الجديلة. تصبح تيلوميرات الخلايا الطبيعية تدريجيًا أقصر وأقصر مع كل انقسام خلوي ، وهي علامة مميزة لشيخوخة الخلايا.

لكن الخلايا تمتلك أيضًا إنزيمًا فريدًا يُعرف باسم تيلوميراز يمكنه إطالة التيلوميرات عن طريق إضافة DNA إلى نهايات الكروموسوم باستخدام قالب RNA الخاص به. في معظم الخلايا ، يكون نشاط التيلوميراز منخفضًا جدًا بعد التطور الجنيني ، ويعد تنظيم التيلوميراز أمرًا بالغ الأهمية ، لأن الكثير من نشاط التيلوميراز يمكن أن يعزز تطور الورم.

في عام 2001 ، اكتشف الدكتور بيتر باومان في مختبر تشيك POT1 (من أجل "حماية التيلوميرات") ، وهو البروتين الوحيد المعروف ارتباطه بذيول الحمض النووي التيلومير البشري. يلعب POT1 دورًا مهمًا في تغطية نهايات الكروموسومات وفي تنظيم طول التيلومير. قال: "قبل هذا الاكتشاف ، لم يكن الناس متفقين حتى على وجود بروتين في نهايات الكروموسومات البشرية." في الوقت نفسه ، وجد فريق Cech نسخة من بروتين POT1 في الخميرة الانشطارية. منذ ذلك الحين ، تم العثور على إصدارات أخرى من POT1 في النباتات والفئران - كل منها يتعرف على تسلسل تيلومير فريد لهذا الكائن الحي.

يعد POT1 أمرًا بالغ الأهمية في الانقسام الطبيعي للخلايا ، وقد أظهرت تجارب البقاء على قيد الحياة في الخميرة الانشطارية أنه بدونه ، تموت معظم الخلايا على الفور. الخلايا التي تنجح في البقاء على قيد الحياة بسرعة تفقد التيلوميرات الخاصة بها ، مما يتداخل مع الانقسام الطبيعي للخلايا ويؤدي في النهاية إلى أخطاء جسيمة في الحمض النووي والكروموسومات الدائرية غير الطبيعية. في الخلايا البشرية المزروعة في المختبر ، يمكن أن يكون الكثير من POT1 معطلاً ، مما يتسبب في إطالة أو تقصير غير طبيعي للتيلوميرات.

قبل تحديد بنية POT1 البشري ، كان تنبؤ الباحثين لما قد يبدو عليه بناءً على فهمهم لنسخة الخميرة من البروتين. في الخميرة ، يلتف POT1 حول نهاية الكروموسوم عبر منطقة تُعرف باسم طية ربط قليل النوكليوتيد / قليل السكاريد (طية OB) - شكل موجود في العديد من البروتينات التي تتعرف على الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي وتربطهما. تتلاءم الوحدة التيلوميرية المكونة من ستة نيوكليوتيدات بشكل دقيق مع هذه الطية ، حيث ترتبط العديد من جزيئات POT1 بكل طرف كروموسوم.

توقع تشيك وزملاؤه أن يكون للبروتين POT1 البشري تصميم مماثل ، لكن نتائج تحليلاتهم الكيميائية الحيوية للبروتين لم تتناسب بسهولة مع هذا النموذج. على سبيل المثال ، عندما أضاف العلماء البروتين إلى قطع قصيرة من الحمض النووي تحتوي على ستة نيوكليوتيدات تشكل تكرارًا تيلومريًا بشريًا ، كان البروتين البشري POT1 مرتبطًا بشكل ضعيف.

ولدهشتهم ، وجدوا أن POT1 يتطلب امتدادًا من الحمض النووي التيلومري يحتوي على ما لا يقل عن عشرة نيوكليوتيدات من أجل التعرف الفعال على الحمض النووي وربطه. "لقد كنا مرتبكين بشأن الكيفية التي كانت بها عشرة نيوكليوتيدات موقعًا ملزمًا ، لأنها لم تكن من مضاعفات ستة." قال تشيك. "إذا كنت بحاجة إلى طلاء شيء به فكرة متكررة مكونة من ستة ، فأنت بحاجة إلى ربط بعض من مضاعفات الستة."

لفهم كيفية التعرف على POT1 البشري وربطه بالتيلومير ، بلور الباحثون شكلاً من POT1 مرتبطًا بالجزء الحرج المكون من عشرة نيوكليوتيدات من الحمض النووي. ثم استخدموا حيود الأشعة السينية للكشف عن بنية المعقد. بشكل غير متوقع ، وجدوا أنه على عكس نسخة الخميرة من البروتين ، فإن POT1 البشري يحتوي على طيات OB مميزة. تتماشى أخاديد الطيتين مع بعضها البعض ، وتشكل قناة متصلة حيث يمكن أن يتلاءم الحمض النووي التيلومري.

لقد تعلموا أيضًا أنه بينما يرتبط البروتين بتسلسل من عشرة نيوكليوتيدات ، يمكن للبنية أيضًا أن تستوعب اثني عشر نيوكليوتيدًا. قال تشيك: "لذلك اتضح أنها لا تربط واحدًا بستة ، إنها تربط اثنين ضرب ستة". وقال إنه على طرف كروموسوم واحد ، قد يكون هناك ثمانية إلى 24 جزيء POT1 يغطي ذيل الحمض النووي.

يشير هيكل المجمع إلى أن نهاية الكروموسوم محمية بإحكام بواسطة POT1 ، وتمكن الباحثون من التحقق من ذلك من خلال تجارب كيميائية حيوية إضافية. عندما عولج مركب POT1-DNA بمحلول من شأنه أن يعدل بشكل طبيعي الحمض النووي في مواقع معينة ، لم تحدث مثل هذه التغييرات - مما يشير إلى أن هذه المواقع كانت محاطة تمامًا ببروتين POT1.

وفقًا لـ Cech ، تثير النتائج أسئلة مهمة حول تنظيم التيلوميراز. عندما يتم دفن الحمض النووي التيلومري داخل POT1 ، لا يمكن للتيلوميراز الوصول إلى الحمض النووي لإطالة التيلومير. قال: "هذا شيء يمكن أن يمنع الخلية من صنع التيلوميرات طوال اليوم". "نعتقد أن هذا هو المستوى الذي يتم فيه تنظيم التيلوميراز." لذلك ، قال ، ستكون الخطوة التالية المهمة هي تحديد الآلية الخلوية التي تحول التيلومير إلى حالة التشغيل بحيث يمكن أن يحدث الاستطالة.

"هذه نهاية الجينوم البشري. إذا خرجت إلى نهايات الكروموسوم البشري ، فماذا هناك؟ قال تشيك الآن نحن نعرف ما هو موجود - على الأقل جزء من الوقت. "قد تكون هناك حالات أخرى من التيلومير أيضًا ، لكننا نعتقد أن هذا هو المكان الصحيح الذي يوجد فيه الفعل."


إصلاح الحمض النووي: المدافعين الديناميكيين ضد السرطان والشيخوخة

هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه وفقًا لشروط إعلان المشاع الإبداعي للملكية العامة ، والذي ينص على أنه بمجرد نشر هذا العمل في المجال العام ، يمكن إعادة إنتاجه أو توزيعه أو نقله أو تعديله أو بنائه أو استخدامه بأي طريقة أخرى. أي شخص لأي غرض قانوني.

التمويل: تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة من خلال المنح P01 CA92584 و R01 CA63503 (PKC) وزمالة NRSA F32 CA108393 (JOF). العمل في مختبر لورانس بيركلي الوطني بموجب عقد DE-AC02-05CH11231 مع مكتب العلوم ، وزارة الطاقة الأمريكية.

تضارب المصالح: وقد أعلن الباحثون إلى أن لا المصالح المتنافسة موجودة.

الاختصارات: ActD ، Actinomycin D BER ، إصلاح الختان الأساسي CS ، متلازمة كوكايين DSB ، كسر مزدوج الخيط GFP ، بروتين الفلورسنت الأخضر GG-NER ، إصلاح الجينوم العالمي MMR ، إصلاح عدم التطابق NER ، إصلاح ختان النيوكليوتيدات RNAPII ، RNA polymerase II TCR ، النسخ المقترن إصلاح TTD ، trichothiodystrophy UV ، الأشعة فوق البنفسجية XP ، جفاف الجلد المصطبغ

ربما لم تكن تفكر في أنظمة إصلاح الحمض النووي لجسمك في آخر مرة جلست فيها على الشاطئ تحت أشعة الشمس الساطعة. لكن لحسن الحظ ، أثناء تعريض الحمض النووي الخاص بك للتأثيرات الضارة للأشعة فوق البنفسجية ، كانت خلاياك منشغلة في إصلاح الضرر. فكرة أن مادتنا الجينية يمكن أن تتلف بسبب الشمس لم تكن موضع تقدير في الأيام الأولى للبيولوجيا الجزيئية. عندما اكتشف واطسون وكريك بنية الحمض النووي في عام 1953 [1] ، كان من المفترض أن الحمض النووي مستقر بشكل أساسي لأنه يحمل مخطط الحياة. ومع ذلك ، فقد كشفت أكثر من 50 عامًا من الأبحاث أن حمضنا النووي يتعرض لهجوم مستمر من أشعة الشمس والأكسجين والإشعاع والمواد الكيميائية المختلفة وحتى عملياتنا الخلوية. بذكاء ، زود التطور خلايانا بمجموعة متنوعة من الأدوات لإصلاح الضرر الذي تسببه الطبيعة الأم.

تستعيد عمليات إصلاح الحمض النووي تسلسل النوكليوتيدات الطبيعي وبنية الحمض النووي بعد التلف [2]. هذه الاستجابات متنوعة للغاية ومنظمة بشكل رائع. تتميز آليات إصلاح الحمض النووي تقليديًا بنوع الضرر الذي تم إصلاحه. يمكن لمجموعة كبيرة ومتنوعة من التعديلات الكيميائية أن تغير قواعد الحمض النووي الطبيعية وتؤدي إما إلى حدوث طفرات أو تمنع النسخ إذا لم يتم إصلاحها ، وتوجد ثلاثة مسارات متميزة لإزالة الضرر الأساسي. يصحح إصلاح الاستئصال الأساسي (BER) تعديلات قاعدة الحمض النووي التي لا تشوه الهيكل العام للحلزون DNA ، مثل القواعد التي تضررت بسبب الأكسدة الناتجة عن التمثيل الغذائي الخلوي الطبيعي. بينما يزيل BER القواعد الفردية التالفة ، فإن إصلاح ختان النوكليوتيدات (NER) يزيل أجزاء قصيرة من النيوكليوتيدات (تسمى oligonucleotides) تحتوي على قواعد تالفة. يستجيب NER لأي تغيير يشوه لولب الحمض النووي وهو الآلية المسؤولة عن إصلاح الضرر الضخم للقاعدة الناجم عن المواد الكيميائية المسببة للسرطان مثل benzo [a] pyrene (الموجودة في دخان السجائر وعادم السيارات) بالإضافة إلى الروابط التساهمية بين قواعد بيريميدين المجاورة الناتجة من عنصر الأشعة فوق البنفسجية لأشعة الشمس. يمكن تقسيم NER إلى فئتين بناءً على مكان حدوث الإصلاح. يسمى NER الذي يحدث في الحمض النووي الذي لا يخضع للنسخ (أي ، معظم الجينوم) إصلاح الجينوم العالمي (GG-NER أو GGR) ، بينما يسمى NER الذي يحدث في الخيط المنسوخ للجينات النشطة الإصلاح المقترن بالنسخ (TCR أو TC-NER). سوف نستكشف NER بمزيد من التفاصيل أدناه. إصلاح عدم التطابق (MMR) هو نوع آخر من إصلاح الختان يزيل على وجه التحديد القواعد غير المتوافقة الناتجة عن أخطاء النسخ المتماثل.

يمكن أن يؤدي تلف الحمض النووي أيضًا إلى حدوث فواصل في العمود الفقري للحمض النووي ، في أحد الخيوط أو كلاهما. يتم إصلاح الفواصل أحادية الجدائل بكفاءة من خلال آلية تشترك في ميزات مشتركة مع الخطوات اللاحقة في معدل الخطأ في البتات (BER). تعتبر الفواصل المزدوجة الجديلة (DSBs) مدمرة بشكل خاص ، لأنه بحكم التعريف لا توجد خصلة تكميلية سليمة لتكون بمثابة قالب للإصلاح ، وحتى جهاز DSB واحد غير مُصلح يمكن أن يكون قاتلاً [3]. في الخلايا التي قامت بتكرار الحمض النووي الخاص بها قبل انقسام الخلية ، يمكن توفير المعلومات المفقودة بواسطة نسخة مكررة ، أو كروماتيد أخت ، ويتم إصلاح DSBs في هذه الخلايا بأمانة عن طريق إعادة التركيب المتماثل التي تنطوي على تبادل خيوط الحمض النووي بين النسختين. ومع ذلك ، فإن معظم الخلايا في الجسم غير منقسمة ، وفي هذه الخلايا فإن الآلية الرئيسية لإصلاح DSBs هي من خلال الانضمام غير المتماثل (NHEJ) ، والذي ، كما يوحي الاسم ، يتضمن الانضمام إلى نهايتي DNA مكسور دون الحاجة إلى التسلسل المتماثل والذي ، بالتالي ، لديه احتمالية عالية لفقدان المعلومات الجينية.

عيوب وراثية في إصلاح الحمض النووي.

تتنوع العواقب البيولوجية للعيوب أو النقص في إصلاح الحمض النووي ، وغالبًا ما تكون شديدة. تسبب الطفرات في الجينات التي تشفر بروتينات إصلاح الحمض النووي مجموعة متنوعة من المتلازمات البشرية الموروثة النادرة التي تظهر أنماطًا ظاهرية إكلينيكية متنوعة. تشتمل معظمها على النمط الظاهري للشيخوخة المبكرة ، إما حساسية للضوء أو زيادة الحساسية للتعرض للإشعاع المؤين ، أو زيادة خطر الإصابة بالسرطان بشكل كبير ، أو الثلاثة. تقريبًا جميع أمراض إصلاح الحمض النووي الوراثية متنحية ، مما يعني أنه يجب تحور نسختين من الجين حتى يتطور المرض. ونتيجة لذلك ، فإن هذه الأمراض نادرة للغاية ، حيث تمثل مجتمعة أقل من 5٪ من جميع السرطانات التي تصيب الإنسان [2]. الغالبية العظمى من السرطانات البشرية عفوية (غير وراثية) وتنتج عن مجموعة من المساهمات الجينية والبيئية. يعد تحديد الاختلافات الجينية في السكان الطبيعيين التي تزيد من خطر الإصابة بالسرطان ذا أهمية كبيرة للصحة العامة ، ومن المحتمل أن تكون جينات إصلاح الحمض النووي مرشحة. إن توضيح الآليات الجزيئية التي تكمن وراء العيوب الموروثة في إصلاح الحمض النووي سيوفر إطارًا لفهم الأنماط المعقدة للتغيرات الجينية المؤهبة التي ستظهر بالتأكيد من الدراسات واسعة النطاق للسرطانات البشرية التلقائية.

تم ربط الأمراض بعيوب في جميع أنواع مسارات إصلاح الحمض النووي. على سبيل المثال ، ينتج سرطان القولون الوراثي nonpolyposis عن عيوب في جينات إصلاح عدم التطابق ، وينتج سرطان الثدي الوراثي عن طفرات تؤثر على البروتينات المرتبطة بسرطان الثدي BRCA1 أو BRCA2 التي تلعب دورًا في إصلاح DSB عن طريق إعادة التركيب المتماثل. هنا نصف بمزيد من التفصيل الاضطرابات البشرية المدمرة المعروف أنها ناجمة عن عيوب في NER (الجدول 1).


وجدت دراسة في جامعة ستانفورد أن امتداد التيلومير يعيد ساعة الشيخوخة إلى الوراء في الخلايا البشرية المستزرعة

يمكن لإجراء جديد أن يزيد بسرعة وكفاءة من طول التيلوميرات البشرية ، وهي الأغطية الواقية على نهايات الكروموسومات المرتبطة بالشيخوخة والمرض ، وفقًا لعلماء في كلية الطب بجامعة ستانفورد.

تتصرف الخلايا المعالجة كما لو كانت أصغر بكثير من الخلايا غير المعالجة ، وتتكاثر مع الهجر في طبق المختبر بدلاً من الركود أو الموت.

يقول العلماء إن الإجراء ، الذي يتضمن استخدام نوع معدل من الحمض النووي الريبي ، سيحسن قدرة الباحثين على توليد أعداد كبيرة من الخلايا للدراسة أو تطوير الأدوية. تمكنت خلايا الجلد ذات التيلوميرات التي تطول من خلال الإجراء من الانقسام بما يصل إلى 40 مرة أكثر من الخلايا غير المعالجة. قد يشير البحث إلى طرق جديدة لعلاج الأمراض التي تسببها التيلوميرات القصيرة.

التيلوميرات هي الأغطية الواقية على أطراف خيوط الحمض النووي التي تسمى الكروموسومات ، والتي تؤوي جينوماتنا. In young humans, telomeres are about 8,000-10,000 nucleotides long. They shorten with each cell division, however, and when they reach a critical length the cell stops dividing or dies. This internal "clock" makes it difficult to keep most cells growing in a laboratory for more than a few cell doublings.

'Turning back the internal clock'

"Now we have found a way to lengthen human telomeres by as much as 1,000 nucleotides, turning back the internal clock in these cells by the equivalent of many years of human life," said Helen Blau, PhD, professor of microbiology and immunology at Stanford and director of the university's Baxter Laboratory for Stem Cell Biology. "This greatly increases the number of cells available for studies such as drug testing or disease modeling."

A paper describing the research was published today in the مجلة FASEB. Blau, who also holds the Donald E. and Delia B. Baxter Professorship, is the senior author. Postdoctoral scholar John Ramunas, PhD, of Stanford shares lead authorship with Eduard Yakubov, PhD, of the Houston Methodist Research Institute.

The researchers used modified messenger RNA to extend the telomeres. RNA carries instructions from genes in the DNA to the cell's protein-making factories. The RNA used in this experiment contained the coding sequence for TERT, the active component of a naturally occurring enzyme called telomerase. Telomerase is expressed by stem cells, including those that give rise to sperm and egg cells, to ensure that the telomeres of these cells stay in tip-top shape for the next generation. Most other types of cells, however, express very low levels of telomerase.

Transient effect an advantage

The newly developed technique has an important advantage over other potential methods: It's temporary. The modified RNA is designed to reduce the cell's immune response to the treatment and allow the TERT-encoding message to stick around a bit longer than an unmodified message would. But it dissipates and is gone within about 48 hours. After that time, the newly lengthened telomeres begin to progressively shorten again with each cell division.

The transient effect is somewhat like tapping the gas pedal in one of a fleet of cars coasting slowly to a stop. The car with the extra surge of energy will go farther than its peers, but it will still come to an eventual halt when its forward momentum is spent. On a biological level, this means the treated cells don't go on to divide indefinitely, which would make them too dangerous to use as a potential therapy in humans because of the risk of cancer.

The researchers found that as few as three applications of the modified RNA over a period of a few days could significantly increase the length of the telomeres in cultured human muscle and skin cells. A 1,000-nucleotide addition represents a more than 10 percent increase in the length of the telomeres. These cells divided many more times in the culture dish than did untreated cells: about 28 more times for the skin cells, and about three more times for the muscle cells.

"We were surprised and pleased that modified TERT mRNA worked, because TERT is highly regulated and must bind to another component of telomerase," said Ramunas. "Previous attempts to deliver mRNA-encoding TERT caused an immune response against telomerase, which could be deleterious. In contrast, our technique is nonimmunogenic. Existing transient methods of extending telomeres act slowly, whereas our method acts over just a few days to reverse telomere shortening that occurs over more than a decade of normal aging. This suggests that a treatment using our method could be brief and infrequent."

Potential uses for therapy

"This new approach paves the way toward preventing or treating diseases of aging," said Blau. "There are also highly debilitating genetic diseases associated with telomere shortening that could benefit from such a potential treatment."

Blau and her colleagues became interested in telomeres when previous work in her lab showed that the muscle stem cells of boys with Duchenne muscular dystrophy had telomeres that were much shorter than those of boys without the disease. This finding not only has implications for understanding how the cells function -- or don't function -- in making new muscle, but it also helps explain the limited ability to grow affected cells in the laboratory for study.

The researchers are now testing their new technique in other types of cells.

"This study is a first step toward the development of telomere extension to improve cell therapies and to possibly treat disorders of accelerated aging in humans," said John Cooke, MD, PhD. Cooke, a co-author of the study, formerly was a professor of cardiovascular medicine at Stanford. He is now chair of cardiovascular sciences at the Houston Methodist Research Institute.

"We're working to understand more about the differences among cell types, and how we can overcome those differences to allow this approach to be more universally useful," said Blau, who also is a member of the Stanford Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine.

"One day it may be possible to target muscle stem cells in a patient with Duchenne muscular dystrophy, for example, to extend their telomeres. There are also implications for treating conditions of aging, such as diabetes and heart disease. This has really opened the doors to consider all types of potential uses of this therapy."

Other Stanford co-authors of the paper are postdoctoral scholars Jennifer Brady, PhD, and Moritz Brandt, MD senior research scientist Stéphane Corbel, PhD research associate Colin Holbrook and Juan Santiago, PhD, professor of mechanical engineering.

The work was supported by the National Institutes of Health (grants R01AR063963, U01HL100397 U01HL099997 and AG044815), Germany's Federal Ministry of Education and Research, Stanford Bio-X and the Baxter Foundation.

Ramunas, Yakubov, Cooke and Blau are inventors on patents for the use of modified RNA for telomere extension.

Information about Stanford's Department of Microbiology and Immunology, which also supported the work, is available at http://microimmuno. stanford. ايدو.

The Stanford University School of Medicine consistently ranks among the nation's top medical schools, integrating research, medical education, patient care and community service. For more news about the school, please visit http://med. stanford. edu/ school. html. The medical school is part of Stanford Medicine, which includes Stanford Health Care and Lucile Packard Children's Hospital Stanford. For information about all three, please visit http://med. stanford. ايدو.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


موسوعة مشروع الجنين

Telomeres are bits of DNA on the ends of chromosomes that protect chromosomes from sticking to each other or tangling, which could cause DNA to abnormally function. As cells replicate, telomeres shorten at the end of chromosomes, and this process correlates to senescence or cellular aging. Integral to this process is telomerase, which is an enzyme that repairs telomeres and is present in various cells in the human body, especially during human growth and development. Telomeres and telomerase are required for normal animal development because they protect DNA as it duplicates copies of itself.

In 1965, Leonard Hayflick's research at the Wistar Institute in Philadelphia, Pennsylvania, showed the limit to which cells duplicate themselves before aging. Hayflick established what became called the Hayflick limit,which states that a cell can divide forty to sixty times before it cannot divide further and begins to age. In the 1970s, scientists researched telomeres. Elizabeth Blackburn studied telomeres while she worked at Yale University in New Haven, Connecticut. Alexey Olovnikov in Russia related telomeres to cellular aging and to the Hayflick Limit. Although Blackburn had helped discover telomeres in 1975, two years before, in 1973, Olovnikov had hypothesized the existence of telomerase, the length of telomeres, and their connections to cellular aging in his study on the Hayflick Limit. Unaware of Olovnikov's research, Blackburn and Joseph G. Gall independently found a repetitive sequence of DNA at the end of chromosomes of the yeast, Tetrahymena thermophila. Blackburn and Gall published the results of their research in 1978. In 1982 Blackburn, then at the University of California in Berkeley, California, collaborated with Jack W. Szostak at the Harvard Medical School in Boston, Massachusetts. The pair isolated and cloned telomeres in رباعية الغشاء الحمض النووي. Blackburn, with the help of her student Carol Greider, then identified telomerase in 1984 and isolated it from رباعية الغشاء in 1989 Blackburn, Jack Szostak, and Carol Greider received the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2009 for their work to identify and isolate telomeres and telomerase.

Blackburn and others found that cells age when the length of the telomeres in the cells shortens. Each time a cell replicates itself, the end of a strand of DNA or the telomere shrinks in length. The telomeres shrink across replications because the enzyme that replicates DNA, DNA polymerase, only works in one specific direction on the DNA strand. It creates what is called a leading and a lagging strand of duplication. The leading strand receives its name because DNA polymerase constantly moves in one direction and replicates the DNA until it completes the strand of DNA without any breaks. The lagging strand is composed of individual fragments of DNA created by DNA polymerase, called Okazaki fragments, that are later sealed together by the enzyme DNA ligase to create one continuous strand. The name lagging strand derives from the fact that it lags behind the leading strand since lagging or leading strand can take longer to seal together the individual DNA fragments. The DNA polymerase detaches from DNA at the end of a lagging strand and leaves a space that measures a few nucleotides in length. Telomerase normally fills in the gap at the end of the DNA after the polymerase detaches from it.

Telomerase, the enzyme that repairs telomeres, exists in high quantities in developing organisms and in embryonic stem cells. Some cells have higher amounts of telomerase activity than do others. As a human develops and cells replicate with greater frequency, excess telomerase is used and is later replenished only in minute quantities. At the end of the process of DNA replication, without telomerase to fill in the gaps of a new DAN strand, telomeres shorten with each cellular division. According to Blackburn, the Hayflick Limit is a result of decreased telomere length. Decreased telomere length also leads to chromosomal abnormalities that result in mutations in the genetic code, mutations that can cause cancer and further aging in humans. However, too much telomerase can also lead to cancer by helping cells to become functionally immortal by avoiding the Hayflick Limit. Immortal cells can carry mutations in unrepaired areas of the DNA, and they pass the cancerous mutations to other cells through replication.

Scientists continued researching telomerase, telomere activity, and cellular aging after Blackburn's experiments in the 1980s. Scientists studied how environmental factors could affect the length of telomeres and, consequently, cellular aging. In 2008, Geraldine Aubert and Peter Langsdorp at the Terry Fox Laboratory in Vancouver, Canada, published research showing that cells replicate in response to mutations in the genetic code or in response to stress. Aubert and Langsdorp showed that a cell will replicate to attempt to repair damaged DNA and, in turn, will shorten the telomeres.

In 2012, Blackburn, Jue Lin, and Elissa Epel at the University of California in San Francisco, California, showed the influence of lifestyle on the length of telomeres and cellular aging in humans. They found that stress, nutrition, and personality influence the length of telomeres and telomerase enzyme activity. They defined stress as adverse life events such as death in the family or chronically sick children, and they found that personality also influences how a person perceives stressful events. The authors noted that those who perceived events as less stressful than what the researchers expected had longer telomere lengths compared to individuals who perceived events as more stressful than what researchers expected. Behaviors such as smoking or eating processed meats also correlated with shorter than normal telomere lengths. Also, those who took vitamin C or E supplements had longer than normal telomere lengths. The results of Blackburn and her team's experiment verified that environmental factors affect the length of telomeres.

Some people have criticized telomere research. Harry Rubin, at the University of California in Berkeley argued that researchers who studied telomeres in relation to cancer sometimes produce suspect data. Others argued that scientists pay too much attention on telomere research when they should also study other factors involved in the cell cycle.


The end of the (DNA) line

Telomerases contain an essential RNA subunit (TER), as well as an essential protein reverse transcriptase subunit (TERT). The RNA subunit includes a short template region that is copied into telomeric DNA, but otherwise it is large and divergent. However, phylogenetic studies have revealed a conserved core secondary structure for TER. Much of the divergence can be accounted for by the acquisition of different types of RNA domains that function in RNA stabilization. Some of the nontemplate portions of TER, which include regions in the conserved core, are important for aspects of telomerase enzymatic activity independent of their role in telomerase assembly. Mutational studies indicate that telomerase enzyme function results from a collaboration of both protein and RNA functional groups contributed by TERT and TER.


Tiny fish makes big splash in aging research at Stanford

Researchers disabled aging-associated genes in the short-lived African killifish, including one for an enzyme called telomerase, whose absence caused humanlike disease in the animal.

Anne Brunet and her colleagues have mapped the location of specific genes involved in aging and age-related diseases along the killifish’s chromosomes.

“Live fast, die old” maybe isn’t the catchiest motto. But, for the African turquoise killifish, it’s apt. The life span of the tiny fish can be measured in months, not years, and it does everything quickly: hatch, mature, breed and even age. It’s an example of life on extreme fast-forward.

This accelerated life cycle is a necessity when one makes one’s home in seasonal ponds that regularly evaporate, and the fact that the fish shares many biological characteristics with humans makes it a promising candidate for the study of aging and longevity. But until now, scientists didn’t have the necessary tools and information with which to conduct genetic studies.

Now, researchers at the Stanford University School of Medicine have mapped the location of specific genes involved in aging and age-related diseases along the killifish’s chromosomes. They’ve studied patterns of gene expression in its various tissues, and used genome-editing technology to mutate 13 genes thought to be associated with the aging process.

One gene in particular, a component of an aging-associated enzyme called telomerase, causes fish to develop a constellation of traits similar to those seen in humans lacking the enzyme.

This new biological tool kit, which the researchers have made publicly available, will make it possible to trace the effect of specific genetic changes on aging and the diseases that accompany it. Eventually, it may lead to ways to slow or perhaps even reverse human aging.

‘Best of both worlds’

Although the similarities between fish and humans may not be immediately evident, people have much more in common with the tiny, minnowlike creature than with other short-lived laboratory animals.

“This fish gives us the best of both worlds,” said postdoctoral scholar Itamar Harel, PhD. “As a vertebrate, it shares many critical attributes with humans, including an adaptive immune system, real blood and similar stem cell biology. At the same time, its very short life span mimics those of the laboratory worms, yeast and fruit flies that until now have served as the traditional models of aging research.”

The life span of the tiny fish can be measured in months, not years, and it does everything quickly: hatch, mature, breed and even age.

A short life span allows researchers to quickly assess the effect of genetic variations among different strains of fish. It also allows them to breed and raise hundreds of progeny for study within the span of months, rather than the many years required to conduct similar experiments in other vertebrates.

“The life span of a mouse can be as long as three to four years,” said Anne Brunet, PhD, professor of genetics. “This is close to the average length of a postdoctoral or graduate student position. This means that it would be very difficult for a researcher to conduct a meaningful analysis of aging in the mouse within a reasonable time period.”

Harel is the lead author of a paper describing the research. Brunet, an associate director of Stanford’s Paul F. Glenn Center for the Biology of Aging, is the senior author. The paper was published Feb. 12 in Cell.

The killifish is one of the world’s shortest-lived vertebrates, with some varieties living only four months. Old killifish display many characteristics of aging humans: declining fertility and cognitive function, a loss of muscle mass and an increasing likelihood to develop cancerous tumors.

Mapping aging-related genes

Harel and his colleagues benefited from the recent sequencing and assembly of the entire killifish genome by postdoctoral scholar and fellow lab member Berenice Benayoun, PhD, which will be described in a separate, upcoming study. Benayoun is also a co-author of the current study. The availability of the whole genome sequence allowed the researchers to identify and map the location of genes involved in aging and longevity along the animal’s chromosomes. They then used a recently described technique called genome editing to specifically mutate certain genes involved in biological processes that represent hallmarks of aging, including those that control decisions regulating how cells enter or exit the cell cycle, whether and how stem cells self-renew and how organisms maintain their genomes and proteins over time.

The killifish’s rapid life cycle meant that Harel was able to generate fish carrying the mutations within 30-40 days, and stable lines — that is, fish with the mutation stably integrated into all their cells, which they will then pass on to all their progeny — within about two to three months.

One mutation in an enzyme called telomerase was of particular interest. Telomerase helps to maintain the length of protective DNA caps called telomeres found on the end of every chromosome. In most cells, telomeres shorten with every cell division. When they reach a certain minimum length, the cell stops dividing.

“There is a very strong link between telomere shortening and aging,” said Harel, “but the mechanism is not completely understood. Current animal models of aging, such as the mouse, have telomeres that are much longer than humans — about 50,000-100,000 nucleotides — making it difficult to compare with humans.”

Although telomerase is not normally active in most cells of an adult animal, it does work to maintain telomere length in rapidly dividing cells such as male germ cells, which make sperm, as well as tissues with high turnover such as blood and gut. In its absence, the telomeres of those cells shrink rapidly as they repeatedly divide.

Rapid results

In contrast to laboratory mice, the length of killifish telomeres, which average around 6,000-8,000 nucleotides, is similar to that of humans. As a result, Harel and his colleagues were able to quickly see the effect of a telomerase-disabling mutation in the fish. Interestingly, fish in which telomerase activity was disabled displayed a variety of traits that are similar to those seen in humans with a disorder called dyskeratosis congenita, which is also due to a mutation in telomerase.

“Very quickly we began to see an effect on rapidly dividing tissues such as the blood, gut and sperm,” said Harel. “The fish rapidly become sterile, their intestines began to atrophy and they made fewer types of blood cells than their peers.”

The researchers conclude that the killifish is currently the fastest way to study diseases of telomere shortening in vertebrates. They are hopeful that the other mutant strains will be equally useful in their lab and in other labs worldwide.

“Itamar has generated a range of tools necessary to study how genetic changes affect physical characteristics of the killifish,” said Brunet. “It’s a true ‘genotype to phenotype’ platform, and is likely to be transformative. Now we have what is essentially a high-throughput vertebrate model for aging research.”

Other Stanford authors are postdoctoral scholars Param Priya Singh, PhD, and Chi-Kuo Hu, PhD former postdoctoral scholar Dario Riccardo Valenzano, PhD graduate student Matthew Pech undergraduate Elisa Zhang research assistant Ben Machado technician Sabrina Sharp and professor of medicine and of biochemistry Steven Artandi, MD, PhD.

The work was supported by the National Institutes of Health (grant DP1AG044848) the Glenn Laboratories for the Biology of Aging Damon Runyon Cancer Research Foundation, Rothschild and the Human Frontier Science Program fellowships and a Stanford Dean’s Fellowship.