Telomere struktur — Funksjon forhold
Som nevnt tidligere, i fravær av telomerase, telomeres bli ikke-funksjonelle, forkorte med påfølgende celle divisjoner, og kromosom termini kan sikringen som en konsekvens av de-beskyttelse. Telomere fusions er et resultat av at ikke-homologe-end-bli med (NHEJ) som er en av de rådende mekanismer for en dobbel strand pause (DSB) healing., Utfallet av slike hendelser kan være etableringen av kromosomer bærer mer enn én centromeres, som trolig vil bli samlet til motsatte poler under mitosen, noe som resulterer i kromosom brudd og videre genomisk ustabilitet gjennom gjentatte fusion – brudd hendelser. I vertebrater, rollen av kromosom end beskyttelse for å skilles fra kromosom pauser er knyttet til en bestemt kompleks av proteiner samlet referert til som shelterin. Shelterin komplekset er i utgangspunktet består av seks proteiner., To medlemmer av shelterin komplekse, TRF1 og TRF2 (fra Telomere Gjenta-bindende Faktor 1 og 2) binder seg direkte til dobbel-strandet telomeric sekvens, mens POT1 binder ssDNA. TRF2 samhandler med og rekrutterer RAP1, mens TIN2 formidler TPP1 – POT1 binding til TIRF1 / TIRF2 core komplekse. POT1 binder seg til og beskytter 3 single-strandet DNA-overheng av telomeres (G-tail), mens TIN2 sannsynlig lenker singel og dobbel-strandet DNA-bindende komplekser, spesielt i området av telomeric D-loop-formasjonen (figur 3) ., Det ser ut til at denne kjernen shelterin komplekset er i hovedsak lokalisert på telomere slutten (også referert til som telosome) og serverer både i stabiliserende t-løkke struktur, beskytte den samtidig fra å være anerkjent som DNA-skade og repareres av NHEJ. I tillegg, shelterin regulerer tilgang til restaurering av prosesser telomeric DNA etter hvert genom replikering., Generelt, shelterin komplekse ser ut til å fungere som en plattform som regulerer rekruttering i en voksende liste av faktorer involvert i chromatin ombygging, DNA replikasjon, DNA-skade reparasjon, rekombinasjon og telomerase-funksjonen, og dermed regulere telomere tilgang / modifisering av ulike cellulære prosesser (figur 4), har nylig gjennomgått .
Figur 3.
Skjematisk modell av potensielle telomere tildekking arrangement av shelterin komplekse., Proteiner av shelterin komplekse delta i telomere beskyttelse, replikering og lengde regulering. TRF1 og TRF2 proteiner binder seg spesifikt til telomeric ds-DNA, mens POT1 (TPP1) anerkjenner ssDNA (stabiliserende D-loop). TIN2 forbinder ssDNA å dsDNA bindende komplekser, stabiliserende telosome struktur. Telomeric DNA består av repeterende DNA-sekvens, en tosidig regionen og en ssDNA G-strand overheng (G-strand, orange; C-strand, og blå). Den shelterin komplekset binder seg til både tosidig og ssDNA regioner gjennom spesifikke protein–DNA-interaksjoner., Dannelsen av t-loop innebærer strand invasjon av G-overheng til å opprette en vekt-loop-D-loop). T-loop er foreslått å maskere kromosom slutten fra DNA-skade sensorer. For enkelhets grunner shelterin komplekset er avbildet som en seks-protein kompleks homogeneously spredt på telomere. Se teksten for ytterligere detaljer.
det er Interessant at det ser ut til at mer enn én type core shelterin komplekse finnes, og ikke alle av dem er nødvendigvis en del av telosome. Komplekser som bare inneholder TRF1-TIN2-TPP1-POT1 eller TRF2-RAP1 har blitt oppdaget., Nyere data som måler de absolutte og relative mengder av TRF1 og TRF2 i cellen åpenbart at TRF2 er omtrent dobbelt så rikt som TRF1 og dette er i samsvar med TRF2 å bli oppdaget i romlig rettet DNA-skade indusert foci i ikke-telomeric kromosom regioner. TRF2 rekruttering til områder av DNA-skader som er forenlig med det å spille en avgjørende rolle i DNA-skade respons . Kompleksiteten i telosome opprettet nettverk er praktisk talt basert på den unike strukturelle funksjoner av shelterin medlemmer., TRF1 og 2 bære en SAB/MYB domene som de innser begge en TTAGGGTTA motiv på telomere ds-DNA, sure rik (D/E) terminal region og en spesifikk docking motiv referert til som TRF homologi (TRFH) motiv . Den TRFH domene formidler homo-dimerization av TRF1 eller TRF2 men forbyr heterodimerization på grunn av strukturelle begrensninger . En FxLxP motiv og et Y/FxLxP motiv er nødvendig for TRF1 og TRF2 bindende, henholdsvis. Dette er domener som er referert til som TRFH Bindende Motiver (TBM). Den Phe 142 aminosyre rester i TRF1-TRFH motiv er ansvarlig for TIN2 bindende gjennom sin TBM-regionen., TIN2-TBM har betydelig lavere affinitet for det tilsvarende område av TRF2 (Phe 120) på grunn av strukturelle forskjeller i nærheten av Phe 120 og til slutt er knyttet til TRF2 via en unik TRF2 regionen i nærheten av N-terminus av protein. Likevel, Phe 120 rester er avgjørende for en spesifikk interaksjon med andre telomere forbundet faktorer som Apollo nuclease, en TRF2 bindende partner. Komplekse dannelse mellom shelterin core medlemmer og assosierte faktorer med TBM som motiver er sannsynlig å være også regissert av endringer i bindende slektskap på grunn av post-translational endringer., Et fint eksempel er TRF1 parsylation av tankyrase, noe som resulterer i en betydelig reduksjon av DNA-TRF1 tilhørighet, slik at telomere forlengelse og søster telomeres separasjon av spesielt lindrende samhold komplekse fra TRF1 og TIN2 . Misbalance av slike interaksjoner kan være skadelig for genome integritet som vist ved forhøyede nivåer av TIFS dannet i cellene overexpressing en isolert TBM som en tandem YRL gjenta. Analogt skadelige resultater ble oppnådd ved å uttrykke et TRF2-F120 substitusjon allelet .,
Nylig strukturelle studier av et av de to OB (Oligonukleotid/oligosaccharide-bindende) folder i S. pombe Pot1, som utgjør bindende nettstedet av ssDNA, avslørte at ikke-spesifikke nukleotid anerkjennelse av ssDNA er oppnådd av hittil uidentifisert bindende moduser som thermodynamically kompensere for base-innbytter gjennom alternative stabling vekselsvirkningene og nye H-binding nettverk . Dermed avgrense i detalj strukturen av shelterin medlemmer og assosierte faktorer er forventet å geometrisk forbedre vår forståelse av nettverk besto og måten kvantitet vs., kvalitet endringer forstyrre strukturelle endringer som fører til funksjonelle endringer, fint tuning genom stabilitet. Utvilsomt, det vell av informasjon som er samlet inn har allerede åpnet veien for å bruke anti-telomerase agenter i kliniske studier, med robust forventet resultat.
Bortsett fra shelterin og samspill partnere, en annen betydelig komplekset har nylig dukket opp for å være involvert i telomere biologi, det CST komplekse. Den CST komplekset består av CTC1, STN1 (OBFC1) og TEN1, og har blitt tillagt for redning av fast replikering gafler under replikasjon stress., Den CST kompliserte sammenkoblinger telomeres å genom replikering og beskyttelse uavhengig av Pot1 veien .
å Samle bevis av en rekke publikasjoner ganske uventet vist at DNA-skade svar (DDR) og reparere veier, til tross for tilsynelatende et paradoks, deler felles funksjoner med telomere vedlikehold strategier. DDR tidlig respons proteiner er rekruttert til telomeres og proteiner antas å fungere i telomere vedlikehold har også blitt bevist å være involvert i DDR., Paradoksalt nok, DDR faktorer i telomeres, under normale forhold, ser ut til å forstyrre telomere restaurering og lengde bevaring. Denne distinkte fenomenet er knyttet til shelterin koordinering av DDR faktorer tilgang og funksjon til telomeres. TRF2 kan binde seg til og undertrykke ATM, mens POT1, når bundet til G-halen gjennom TPP1, hemmer ATR. Undertrykkelse av TRF2 aktivitet utløser p53 og MINIBANK aktivering, noe som fører til telomere dysfunksjon indusert foci (TIFs). TIFs resultere i ende-til-ende telomere fusions via NHEJ vei og deres utseende er korrelert med induksjon av senescence ., Samspillet synes å være basert på shelterin mengde og telomere lengde, to parametere som er direkte relatert til hverandre, som når telomeres er kritisk kort de er mindre tilbøyelige til å danne en t-løkke, en reaksjon catalysed av TRF2 in vitro, og i sin tur mindre shelterin er bundet på . Følgelig, to store telomere vedlikehold strukturer er betydelig redusert (t-loop og shelterin belegg), slik at DDR-aktivering., Likevel, ganske intriguingly, NHEJ maskiner kan også utøve en beskyttende rolle i telomeres gjennom enzymatisk aktivitet av Tankyrase knyttet til markedsføring av DNA-PKcs stabilitet og forebygging av dannelsen av telomere søster side utveksling (T-SCEs) som et produkt av inter-telomere rekombinasjon
en Annen spennende paradigme er MRN komplekse (et protein kompleks av meiotic rekombinasjon 11 (MRE11) – RAD50 og NBS1 proteiner), hvor en enkelt NBS1 molekylet er forbundet med to dimers av MRE11 og RAD50 ., Den MRE11 og RAD50 proteiner danner en heterotetramer som inneholder to DNA-bindende og behandling domener som kan bridge gratis DNA ender . Den MRN komplekse lokaliserer å telomeres under S og G2 faser av celle syklus gjennom direkte interaksjon av NBS1 med TRF2, antagelig bidra til G-tail formasjon på ledende telomeric strand og dermed telomere stabilitet ., I mennesker, mutasjon i NBS1 genet fører til kromosomale ustabilitet lidelse, Nijmegen brudd syndrom 1, forbundet med økt følsomhet for ioniserende stråling og kromosomale ustabilitet og tidlig utvikling av kreft selv i NBS1+/- heterozygote katter. NBS1 inneholder en forkhead-forbundet (FHA), en BRCT (BRCA1 C Terminus) domene, en MRE11-bindende domene, og en ATM-samspill domene. Samler bevis viser at NBS1 samhandler med telomeres og bidrar til deres stabilitet, ikke minst i menneske og mus celler., Indirekte immuno-fluorescens eksperimenter viste at NBS1 co-lokaliserer med TRF2 i S-fasen i kultivert HeLa celler , eventuelt ved modulerende t – loop-formasjonen. Som TRF2 har også blitt funnet på ikke-telomeric sekvenser virkningen av NBS1 co-lokalisering med TRF2 krever ytterligere avklaring. På samme måte, i musen embryonale fibroblaster, aktiv rekruttering av NBS1 å dysfunksjonelle telomeres har blitt observert . Den MRN komplekse ser ut til å spille en dobbel rolle i telomere biologi. Det ene er å megle, i det minste delvis, ATM respons fører til TIF-formasjonen etter TRF2 sletting ., For det andre, ved sin nuclease aktivitet, er det nødvendig for normal telomere dannelse, som MRN er innblandet i behandling av skadet telomeres ved å påvirke produksjonen av overhenget fra en butt ende telomere opprettet etter telomere replikering . Slik akselerasjon av G-tail-formasjonen, følgende telomere dysfunction / de-beskyttelsen hindrer den kombinasjonen av ledende butt-endte tråder av de-beskyttet telomeres i S-fasen. Apollo nuclease kan også bli rekruttert og være involvert i denne prosessen., Direkte interaksjon av NBS1 med telomere gjenta-bindende faktor 1 (TRF1) har vist for udødeliggjort telomerase negative celler noe som tyder på at denne interaksjonen kan være involvert i de alternative forlengelse av telomeres. Videre, i telomerase å uttrykke celler, MRN komplekse, gjennom downregulation og fjerning av TRF1 (NBS1-avhengige phosphorylation av TRF1 av ATM), kan også fremme tilgjengelighet av telomerase til 3 slutten av telomeres ., DNA-reparasjon intercommunication med telomere stabilitet er et forhold som ble etablert ganske tidlig i utviklingen, som angitt av det faktum at MRE11 og RAD50 sammen med protein kinases ATM og ATR, er også avgjørende for riktig telomere vedlikehold i planter .
Figur 4.
Shelterin forbundet faktorer også involvert i DNA-Skade Respons., Detaljer i teksten
Nylig, en annen protein fosfatase, PNUTS (fosfatase 1 atomvåpen-målretting subunit), som samhandler med TRF2, setter inn en annen brikke i puslespillet av DDR og telomere forhold . I tillegg oppdaget av genome-wide søker for TBM som inneholder proteiner, tre BRCT domene lager MCPH1 proksimale DDR-faktor også i samspill med TRF2. MCPH1 mutasjoner er forbundet med utviklingsmessige avvik og økt svulst forekomsten ., MCPH1 tomme celler til stede redusert nivå av BRCA1 og Chk1 og er defekt i G2/M sjekkpunkt .
En viktig rolle i telomere integritet er også tilskrevet BRCA2, er en sentral del av HR DNA-reparasjon veien. BRCA2 medarbeidere med telomeres under S/G2 celle syklus faser og ser ut til å legge til rette RAD51 recombinase lasting . Derfor, BRCA2-mediert HR aktivitet er nødvendig for telomere lengde vedlikehold. Disse funnene kan forklare, i hvert fall i en del kortere telomeres funnet i BRCA2 muterte menneskelige brystkreft svulster., Derfor, telomere dysfunksjon kan også være innblandet i genomisk ustabilitet observert i BRCA2-mangelfull bryst og eggstokk-kreft .
I samlet antall DNA-reparasjon-molekyler, som er samlet en del av HR, NHEJ, NER og Fanconi Anemi veier har blitt funnet til å være rekruttert på telomeres, med TRF2 i hovedsak fungere som en protein-huben., I normale forhold, MINIBANK/ATR signalering, på de-beskyttelse på grunn av kort telomere lengde og etterfølgende «pensjonering» i cellen (senescence / apoptosis) er en del av den normale, tumor-initiering beskyttende mekanisme mot genom-destabilized celler. I cellene lager normal telomere lengde det er hemmende forbindelser mellom disse ulike DNA-reparasjon-systemer, for å hindre hverandre aktivisering.
Telomeres er en del av heterochromatin struktur, noe som betyr at bestemte signaler definere sin posisjon i kjernen., Selv det faktum at telomeres er forventet å være av definisjonen stabil og inert kromosom ender, likevel ser ut til å være dynamisk nucleoprotein komplekser også involvert i chromatin ombygging. Rekruttering av heterochromatin bindende protein HP1 , beriket tri-metylering av histone H3 lysin 9 (H3K9) og H4K20 , samt metylering av CpG dinucleotides i subtelomeric DNA gjentar støtter denne oppfatningen. Disse heterochromatic merker er erstattet av egenskaper for åpne chromatin (økt acetylation på histone haler, etc.) når telomeres bli kortere., Slike endringer innebærer som et minimum telomere lengde er nødvendig for å opprettholde heterochromatin–som konformasjon på kromosom ender, en struktur som kan endre følgende telomere avgang. Videre, telomeres og shelterin komplekse skal løsne sine stramme struktur under kromosom replikering og re-etablere sin kompakte form etter gjennomføring av DNA-duplisering. En tilsvarende løsning av telomere struktur bør være obligatorisk i tilfeller av telomere restaurering av enten telomerase eller DNA-reparasjon mekanismer, selv om det muligens gjennom forskjellige prosedyrer., For å oppnå dette plastisitet, chromatin bør være omformet gjennom en rekke enzymer, ifølge en lokal histone kode . En rekke histone modifikasjoner er innblandet hvor forskjellige histone hale-protein interaksjoner fremme telomere kompleks struktur avslapping eller komprimering . Som et eksempel, SIRT6 (en histone H3K9 deacetylase som modulerer telomeric chromatin) uttømming eksperimenter av RNA-interferens bevis for økt kjernefysiske DNA-skade og dannelse av telomere dysfunksjon-indusert foci., Disse forsøkene antydet at SIRT6 beskytter endotelceller fra telomere og genomisk DNA skader, og dermed hindre en nedgang i replicative kapasitet og utbruddet av prematur senescence, i dette tilfellet innblandet i å opprettholde endotelial homeostatic funksjoner og forsinkelse vaskulær aldring.
en Annen viktig sett av faktorer trekker i telomere biologi er produkter av ATRX og DAXX gener, som er innblandet i chromatin ombygging sammen med histone H3.3 ., Mutasjoner eller sletting i disse genetiske loci har vært direkte korrelert med ALT+ status på cellelinjer eller svulster per se . I henhold til disse funnene, screening for ATRX/DAXX mutasjoner/uttrykk kan representere den mest – up til dato – pålitelig markør for svulster som har valgt ALT TMM veien.,
Samlet, det er riktig montering av shelterins i telomeres som er viktig for kromosom stabilitet (skiller kromosom ender fra DNA-ds pauser og forhindrer tap av genetisk informasjon gjennom enten nucleolytic angrep (exonuclease-mediert nedbrytning) eller avvikende kromosom fusions og uønskede rekombinasjon, under en celle ‘ s levetid., Sammen med riktig struktur, funksjonell koordinering kontrollere TMM og telomerase aktivitet er strengt regulert gjennom celle syklus av en rekke innblandet tilbehør faktorer, forbigående rekruttert av shelterin komplekser / subcomplexes .
Bortsett fra sine beskyttende rolle, riktig samspill av shelterins med deler av DNA-reparasjon av maskiner samt telomerase komponenter og telomerase rekruttering, lar telomere restaurering når det er hensiktsmessig., Viktigheten av riktig struktur – funksjon av shelterin komponenter i telomere biologi og kreft dannelse, sammen med telomere-assosierte sykdommer, er avbildet ved tilknytning av mutasjon deteksjon i dvs. TIN2 i mange av disse sakene .