Mega-telomera - Mega-telomere - Wikipedia

Srovnávací organizace telomerického pole v rámci různých genotypů kuřat a mezi nimi ilustruje intragenomickou, interindividuální a mezigenotypovou variaci

A mega-telomera (také známý jako ultra dlouhá telomera nebo a telomera třídy III), je extrémně dlouhý telomer sekvence, která sedí na konci chromozomy a zabraňuje ztrátě genetické informace během replikace buněk. Stejně jako běžné telomery jsou i mega-telomery vyrobeny z opakující se sekvence DNA a přidružené proteiny a jsou umístěny na koncích chromozomů. Mega-telomery jsou však podstatně delší než běžné telomery, jejichž velikost se pohybuje od 50 kilobází do několika megabází (pro srovnání je normální délka telomer telo obratlovců obvykle mezi 10 a 20 kilobázemi).[1]

Telomery fungují jako ochranné čepičky pro chromozom. Během dělení buněk bude buňka vytvářet kopie své DNA. The enzymy v buňce, která je odpovědná za kopírování DNA, nemůže kopírovat samé konce chromozomů. Někdy se tomu říká „problém s koncovou replikací“. Pokud by buňka neobsahovala telomery, genetická informace z DNA na koncích chromozomů by se při každém dělení ztratila. Protože však chromozomy mají na svých koncích telomery nebo mega telomery, jsou místo toho ztraceny opakované neesenciální sekvence DNA (viz: Zkrácení telomer ).[2][3] Zatímco chromozomy ve většině eukaryotický organismy jsou uzavřeny telomery, mega-telomery se vyskytují pouze u několika druhů, jako jsou myši[4] a pár ptáků.[5] Specifická funkce mega-telomer v buňkách obratlovců je stále nejasná.

Objev

Telomerické oblasti DNA byly poprvé identifikovány koncem sedmdesátých let (viz: Objev telomerové DNA ). Extrémně dlouhé oblasti sekvence telomer však byly u obratlovců rozpoznány až o více než deset let později. Tyto sekvence, jejichž velikost se pohybovala od 30 do 150 kilobází, byly poprvé identifikovány u laboratorních myší Davidem Kiplingem a Howardem Cookeem v roce 1990.[4]

V roce 1994 byly u kuřat identifikovány extrémně dlouhé telomerické oblasti.[6] U několika druhů ptáků byly také identifikovány telemerické sekvence v rozmezí od 20 kilobází do několika megabází.[5] Tyto velké oblasti byly v literatuře označovány jako „ultra dlouhé“ telomery, když byly identifikovány pomocí Southern blot[5] a „mega-telomery“, pokud je identifikuje cytogenetický metody.[7] Aktuálně přijímaná terminologie pro tyto sekvence je „mega-telomery“[1]

Struktura a funkce

Mega-telomery u obratlovců se skládají z opakování DNA sekvence šesti bazálních párů, TTAGGG. Mega-telomerická DNA se také váže na různé proteiny a vytváří složité struktury na koncích chromozomů.[8]Telomery jsou označeny pole telomer. Pole telomer je jedinečné uspořádání telomer ve vzorku (buňce, jednotlivci atd.), Které je definováno počtem opakování sekvence, vzorem fragmentů daných restrikčním štěpením, chromozomem, na kterém se nachází, a specifickým umístění sekvence na daném chromozomu. V literatuře jsou mega-telomery označovány jako telomery třídy III na základě charakteristik jejich polí.[5]

Mnoho studií na modelových organismech prokázalo význam struktury a funkce telomer při regulaci stability genomu, buněčné stárnutí, a onkogeneze.[9] Bylo navrženo, že mega-teleomery mohou sloužit jako ochranný mechanismus proti stárnutí v dlouhověkých organismech.[9] Na toto téma však existuje určitá debata, protože se nezdá, že by telomerická délka ovlivňovala životnost myší[4] a bylo prokázáno, že ptáci s dlouhou i krátkou délkou života mají mega-telomery.[5]

Přítomnost mega-telomer se u jednotlivých druhů liší. Například lidské chromozomy nemají mega-teloméry, zatímco myši a mnoho druhů ptáků ano. Existují také rozdíly v jejich struktuře a umístění v rámci stejného druhu. U myší a ptáků jsou oblasti mega-telomer hypervariabilní, což znamená, že existuje vysoký stupeň polymorfismus ve velikosti a poloze mega-telomer mezi jednotlivci, včetně vysoce inbredních linií.[5] Analýza sourozenců z vysoce inbredních kuřecích linií naznačuje, že tyto ultrakrátké telomerické sekvence jsou extrémně vysoké heterogenní.[5][9] Podobná pozorování heterogenity byla také provedena u myší.[10]

U ptáků, jejichž buňky obsahují mikrochromozomy, bylo navrženo, že existovala korelace mezi přítomností mega-telomer a počtem mikrochromozomů přítomných u druhu, takže ptačí genomy s velkým počtem mikromromozomů také vlastnily větší množství telomerní sekvence DNA. Předpokládalo se, že tyto telomerické sekvence mohou chránit geny na těchto drobných chromozomech před erozí během dělení buněk.[5] Následující studie však ukázaly, že mega-teloméry nemusí být nutně přítomny u všech druhů s mikrochromozomy, ani se nenacházejí na všech mikrochromozomech v buňce.[11] Předpokládá se také, že mega-telomery přispívají k vysoké míře rekombinace kuřecích mikrochromozomů. Nejdelší mega-telomera u kuřat je spojena s W (ženským) chromozomem, což naznačuje, že mega-telomery mohou také ovlivnit organizaci pohlavních chromozomů a generování genetických variací.[7]

Evoluční počátky

Chromozomální umístění mega-telomer v inbrední kuřecí linii: GGA (chromozom) 9 a W

Současný výzkum zkoumající mega-telomery naznačil neočekávanou heterogenitu a nemendelovskou segregaci mega-telomerových profilů mezi následujícími generacemi inbredních kuřat (Gallus gallus) řádky. Tato heterogenita nebo nekonzistence z generace na generaci, navzdory téměř identickým genomovým sekvencím, je důkazem, že mega-telomery podporují rekombinaci během meiózy.[7][11] Role mega-telomerů dále znamená preferenční umístění na mikrochromsomech a objev extrémně velkého mega-telomeru na ženském specifickém chromozomu W ptačích druhů.[7][8]

Mikrochromozomy je známo, že jsou genově husté[12] a zvláště náchylné k poškození, takže mega-telomery mohou konkrétně působit na ochranu těchto genově bohatých, ale křehkých chromozomů před erozí[7][8] nebo jiné formy chromozomálního poškození. Téměř 3 MB telomerické pole na chromozomu W naznačuje, že mega-telomery také hrají roli v organizaci nebo distribuci pohlavních chromozomů během meiózy, avšak mechanismus je ještě třeba identifikovat. Nezdá se, že by přítomnost mega-telomer v genomu mohla změnit „hodiny telomer“ nebo prodloužit životnost organismu.

Organismy s mega-telomery

Mega-telomery byly nejlépe popsány u druhů obratlovců, konkrétně inbredních myší a kuřecích linií. Ve skutečnosti byly některé z největších megalomerových polí hlášeny u vysoce inbredních a téměř homozygotních kuřecích linií, včetně UCD 003[13] a ADOL linka 0.[1] Normální velikosti pole telomer pro obratlovce se pohybují od 10–20 Kb,[14] mnoho genetických linií myší a kuřat však má extrémní pole velikosti telomer 50 kB nebo více. Několik dalších druhů ptáků, včetně křepelky japonské (Coturnix japonica), pštros (Struthio camelus) a emu (Dromaius novaehollandiae). Ačkoli většina ptačích genomů je třikrát menší než savčí genomy, jejich genomy jsou obohaceny o telomerickou sekvenci a pole třídy III (mega-telomer), snad kvůli relativně velkému počtu mikromchromozomů.

Přítomnost mega-telomer může být zvýšena procesem domestikace nebo vývojem vysoce inbredních linií obratlovců. Největší kuřecí pole byla objevena v nejvíce inbredních genetických liniích. Studie úplných sourozenců a jejich potomků z linie UCD 003,[13] založena v roce 1956 a udržována plně sourozenskými pářeními, vytvořila konzistentní profil s telomery o velikosti 200 kB nebo větší.[7] Méně inbrední rodiny drůbeže rudé džungle (předpokládaný předchůdce kuřat) však mají o něco kratší pole třídy II a jiné druhy ptáků, jako je americký orel bělohlavý (Haliaeetus leucocephalus), jestřáb severní (Accipter gentilis), mají méně mega-telomer a mají podstatně menší rozsah velikostí telomer. Dále laboratorní inbrední myší kmeny (Mus musculus) vykazují extrémně dlouhé telomery o délce 30–150 Kb, avšak druhy divokých myší (Mus spretus) má výrazně kratší telomery v rozmezí 5–15 Kb.[4]

Metody identifikace

Různé cytogenetický a molekulární metody byly použity k identifikaci a studiu mega-telomer v obratlovců druh. Mnoho z těchto technik umožňuje vědcům jednak objevit přítomnost mega-telomer v genomu, ale také charakterizovat pole telomer.

Cytogenetické studie využívají fluorescence in situ hybridizace (FISH) s telomerickými sondami[1][8] označit telomery na chemicky ošetřených buňkách fixovaných na skleněné podložní sklíčka. Přesněji řečeno, fluorescenční sondy telomer-peptidové nukleové kyseliny se často používají k identifikaci opakování telomerní sekvence na mitotické metafázi a mezifázi nebo meiotickém pachytenovém stadiu chromozomů. Obrázky FISH umožňují jak identifikaci mega-telomerních chromozomů, tak vizualizaci struktury chromozomů, oblastí DNA bohaté na GC a v závislosti na experimentu také společnou lokalizaci s genetickými oblastmi nebo geny.

K určení celkového množství telomerické sekvence na genom lze použít metodu blot blot (včetně intersticiálních a terminálních polí)

Molekulární techniky pro kvantifikaci telomerních sekvencí zahrnují gelovou elektroforézu pulzního pole (PFGE ), slot blot, horizontální gelová elektroforéza a homogenní gelová elektroforéza s pulzním polem s homogenním elektrickým polem (CHEF-PFGE). V těchto technikách je purifikovaná genomová DNA izolována a štěpena restrikční enzymy, jako HaeIII, HinfI, AluI, Sau3AI, EcoRI, EcoRV, PstI, SstI, BamHI, HindIII nebo BglII a kvantifikují se fluorometrií.[8][15]

Trávení DNA na menší fragmenty pomocí restrikční enzymy, oddělování fragmentů DNA s proměnnou velikostí pomocí elektroforézy a značení fragmentů obsahujících telomerickou DNA pomocí specifické radioaktivně nebo fluorescenčně značené sondy jsou základní kroky dokončené v rámci mnoha molekulárních technik. V mnoha případech jsou fragmenty DNA přeneseny na charakteristické membrány před značením pomocí blotovacích technik (tj. Southern blot). Specializované protokoly prokázaly schopnost izolovat telomerní DNA třídy III s vysokou molekulovou hmotností z fragmentů třídy I a II a také charakterizovat rozsahy velikostí nalezené v každé třídě. Vzor telomerních fragmentů na obarvené nebo značené membráně je typicky jedinečný pro vzorek DNA (tj. Pole telomer jsou zřídka identická). Markery molekulové hmotnosti jsou obvykle odděleny elektroforézou na agarózovém gelu spolu s fragmenty genomové DNA, které pomáhají při dimenzování telomerních polí a identifikaci variability polí a mezi jednotlivými jedinci. Slot blot se však provádí bez fragmentace nebo separace DNA, ke kvantifikaci celkové koncentrace telomerické DNA se používá spíše celá genomová DNA. Chyba této techniky spočívá v tom, že nelze identifikovat velikost značených molekul DNA. v slot blot (nebo dot blot ), je celková genomová DNA připojena k membráně a označena telomérovou sondou, která produkuje specifický vzorek chemiluminiscence signál, který je zachycen a kvantifikován fluorometrickým zařízením a softwarem. Známý koncentrační standard musí být označen a kvantifikován současně, aby bylo možné přesně určit koncentraci telomerické sekvence ve vzorcích DNA.[15]

Reference

  1. ^ A b C d O'Hare TH, Delany ME (2009). „Genetická variace existuje pro organizaci telomerického pole uvnitř a mezi genomy normálních, zvěčněných a transformovaných kuřecích systémů“. Chromozomový výzkum. 17 (8): 947–64. doi:10.1007 / s10577-009-9082-6. PMC  2793383. PMID  19890728.
  2. ^ "Údržba telomer".
  3. ^ Blackburn, Elizabeth. "Pokročilé informace: Údržba chromozomů telomerami a enzymem telomeráza" (PDF). Nobelprize.org.
  4. ^ A b C d Kipling D, Cooke HJ (září 1990). "Hypervariabilní ultra dlouhé telomery u myší". Příroda. 347 (6291): 400–2. doi:10.1038 / 347400a0. PMID  2170845.
  5. ^ A b C d E F G h Delany ME, Krupkin AB, Miller MM (listopad 2000). „Organizace sekvencí telomer u ptáků: důkazy o extrémně dlouhých sadách a zkrácení in vivo“. Cytogenetika a genetika buněk. 90 (1–2): 139–45. doi:10.1159/000015649. PMID  11060464.
  6. ^ Nanda I, Schmid M (1994). "Lokalizace telomerické (TTAGGG) n sekvence v kuřecích (Gallus domesticus) chromozomech". Cytogenetika a genetika buněk. 65 (3): 190–3. doi:10.1159/000133630. PMID  8222759.
  7. ^ A b C d E F Rodrigue KL, květen BP, Famula TR, Delany ME (2005). „Meiotická nestabilita kuřat ultra dlouhých telomer a mapování 2,8 megabázového pole na chromozom W-pohlaví“. Chromozomový výzkum. 13 (6): 581–91. doi:10.1007 / s10577-005-0984-7. PMID  16170623.
  8. ^ A b C d E Delany ME, Gessaro TM, Rodrigue KL, Daniels LM (2007). "Chromozomální mapování kuřecích megalomerových polí na GGA9, 16, 28 a W pomocí cytogenomického přístupu". Cytogenetický a genomový výzkum. 117 (1–4): 54–63. doi:10.1159/000103165. PMID  17675845.
  9. ^ A b C Delany ME, Daniels LM, Swanberg SE, Taylor HA (červen 2003). "Telomeres in the chicken: genome stability and chromozome ends". Drůbeží věda. 82 (6): 917–26. doi:10.1093 / ps / 82.6.917. PMID  12817446.
  10. ^ Starling JA, Maule J, Hastie ND, Allshire RC (prosinec 1990). „Rozsáhlá pole opakování telomer u myší jsou hypervariabilní“. Výzkum nukleových kyselin. 18 (23): 6881–8. doi:10.1093 / nar / 18.23.6881. PMC  332745. PMID  2175882.
  11. ^ A b Nanda I, Schrama D, Feichtinger W, Haaf T, Schartl M, Schmid M (listopad 2002). "Distribuce telomerních (TTAGGG) (n) sekvencí ve ptačích chromozomech". Chromozom. 111 (4): 215–27. doi:10.1007 / s00412-002-0206-4. PMID  12424522.
  12. ^ Smith J, Bruley CK, Paton IR, Dunn I, Jones CT, Windsor D, Morrice DR, Law AS, Masabanda J, Sazanov A, Waddington D, Fries R, Burt DW (duben 2000). "Rozdíly v hustotě genů na kuřecích makrochromozomech a mikrochromozomech". Genetika zvířat. 31 (2): 96–103. doi:10.1046 / j.1365-2052.2000.00565.x. PMID  10782207.
  13. ^ A b Pisenti J, M.E. Delany, R.L.Taylor Jr, UK Abbott, H. Abplanalp, J.A. Arthur a kol. (2001). „Ptačí genetické zdroje v ohrožení: Hodnocení a návrh na zachování genetických zásob v USA a Kanadě“ (PDF). Avian Poult Biol Rev. 12: 100–102. Archivovány od originál (PDF) dne 31. 7. 2003.
  14. ^ Davis T, Kipling D (prosinec 2005). „Biologie telomer a telomerázy u obratlovců: pokrok směrem k nehumánnímu modelu pro replikační stárnutí a stárnutí“. Biogerontologie. 6 (6): 371–85. doi:10.1007 / s10522-005-4901-4. PMID  16518699.
  15. ^ A b Swanberg SE, Delany ME (2003). "Dynamika eroze telomer v transformovaných a netransformovaných ptačích buňkách in vitro". Cytogenetický a genomový výzkum. 102 (1–4): 318–25. doi:10.1159/000075769. PMID  14970723.