Pengenalan Telomer

Telomer ( / ˈ t ɛ l ə m ɪ ə r / atau / ˈ t ɪ l ə m ɪ ə r / ) adalah bagian urutan nukleotida berulang pada setiap ujung kromosom, yang berfungsi melindungi ujung kromosom dari kerusakan. atau dari fusi dengan kromosom tetangga. Namanya berasal dari kata benda Yunani telos ( τέλος ) "ujung" dan mero (μέρος, root: μερ- ) "Bagian". Untuk vertebrata, urutan nukleotida dalam telomer adalah AGGGTT , ^[1] dengan untai DNA komplementer menjadi TCCCAA, dengan overhang TTAGGG untai tunggal. ^[2] Urutan TTAGGG ini diulang sekitar 2.500 kali pada manusia. ^[3] Pada manusia, panjang telomer rata-rata menurun dari sekitar 11 kilobase saat lahir ^[4] menjadi kurang dari 4 kilobase di usia tua, ^[5] dengan tingkat penurunan rata-rata lebih besar pada pria daripada wanita. ^[6]

Selama replikasi kromosom, enzim yang menggandakan DNA tidak dapat melanjutkan duplikasi mereka sampai ke ujung kromosom, sehingga dalam setiap duplikasi ujung kromosom memendek ^[7] (ini karena sintesis fragmen Okazaki membutuhkan primer RNA yang dilekatkan oleh primer RNA di depan untaian yang tertinggal). Telomer adalah buffer sekali pakai di ujung kromosom yang dipotong selama pembelahan sel; keberadaan telomer melindungi gen sebelahnya pada kromosom agar tidak terpotong. Telomer sendiri dilindungi oleh kompleks protein shelterin, serta oleh RNA yang dikodekan oleh DNA telomer ( TERRA ).  Seiring waktu, karena setiap pembelahan sel, ujung telomer menjadi lebih pendek. ^[8] Telomer diisi ulang oleh enzim, telomerase reverse transcriptase . ^[9]

Penemuan Pertama Kali

Pada awal 1970-an, ahli teori Rusia Alexei Olovnikov pertama kali mengakui bahwa kromosom tidak dapat sepenuhnya meniru tujuan mereka. Membangun ini, dan untuk mengakomodasi gagasan Leonard Hayflick tentang pembelahan sel somatik terbatas, Olovnikov berpendapat bahwa sekuen DNA hilang setiap kali sel bereplikasi sampai kehilangannya mencapai tingkat kritis, di mana pembelahan sel berakhir. ^[10]

Pada tahun 1975–1977, Elizabeth Blackburn, yang bekerja sebagai rekan pascadoktoral di Universitas Yale bersama Joseph G. Gall, menemukan sifat yang tidak biasa dari telomer, dengan sekuens DNA berulang yang sederhana yang menyusun ujung kromosom. ^[11] Blackburn, Carol Greider , dan Jack Szostak dianugerahi Hadiah Nobel 2009 untuk Fisiologi atau Kedokteran untuk penemuan bagaimana kromosom dilindungi oleh telomer dan enzim telomerase. ^[12]

Pada tahun 1983, Barbara McClintock , seorang ahli sitogenetika Amerika terkemuka dan wanita pertama yang menerima Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran, menerima Hadiah Nobel karena mengamati bahwa kromosom yang tidak memiliki bagian ujung menjadi "lengket" dan menghipotesiskan keberadaan struktur khusus di ujung kromosom yang akan menjaga stabilitas kromosom. ^[13]

Alam dan fungsi

Struktur, fungsi dan biologi evolusioner

Telomer adalah sekuens nukleotida berulang yang terletak pada termini kromosom linier pada sebagian besar organisme eukariotik . Untuk vertebrata, urutan nukleotida dalam telomer adalah  T T G G G. ^[14] Kebanyakan prokariota, yang memiliki kromosom sirkuler dan bukan linier, tidak memiliki telomer. ^[15] Telomer mengkompensasi replikasi DNA semi-konservatif tidak lengkap pada ujung kromosom. ^[16] Kompleks protein yang dikenal sebagai shelterin berfungsi untuk melindungi ujung telomer agar tidak dikenali sebagai jeda untaian ganda dengan menghambat rekombinasi homolog (HR) dan non-homologous end join (NHEJ). ^{[17] [18] [19]}

Pada sebagian besar prokariota, kromosom berbentuk lingkaran dan karenanya tidak memiliki ujung untuk mengalami terminasi replikasi dini. Sebagian kecil kromosom bakteri (seperti yang ada pada Streptomyces , Agrobacterium , dan Borrelia ) adalah linier dan memiliki telomer, yang sangat berbeda dengan kromosom eukariotik dalam struktur dan fungsi. Struktur telomer bakteri yang diketahui berbentuk protein yang terikat pada ujung kromosom linier, atau loop hairpin dari DNA untai tunggal di ujung kromosom linier. ^[20]

Saat mereplikasi DNA, enzim replikasi DNA eukariotik (kompleks protein polimerase DNA ) tidak dapat mereplikasi urutan yang ada di ujung kromosom (atau lebih tepatnya serat kromatid ). Oleh karena itu, urutan dan informasi yang dibawanya dapat hilang. Inilah alasan mengapa telomer sangat penting dalam konteks pembelahan sel yang sukses: Mereka "membatasi" urutan akhir dan mereka sendiri tersesat dalam proses replikasi DNA. Tetapi sel memiliki enzim yang disebut telomerase, yang melakukan tugas menambahkan sekuens nukleotida berulang ke ujung DNA. Telomerase "mengisi ulang" the "telomere" cap. Pada sebagian besar organisme eukariotik multiseluler, telomerase hanya aktif dalam sel kuman , beberapa jenis sel punca seperti sel punca embrionik, dan sel darah putih tertentu. Telomerase dapat diaktifkan kembali dan telomer direset kembali ke keadaan embrionik dengan transfer nuklir sel somatik. ^[21] Pemendekan telomer secara stabil dengan setiap replikasi dalam sel somatik (tubuh) mungkin memiliki peran dalam penuaan dan dalam pencegahan kanker . ^[22] [23] Ini karena telomer bertindak sebagai semacam "fuse" waktu tunda, akhirnya kehabisan setelah sejumlah pembelahan sel dan mengakibatkan hilangnya informasi genetik vital akhirnya dari kromosom sel dengan pembelahan masa depan. . ^[24]

Panjang telomer sangat bervariasi di antara spesies, dari sekitar 300 pasangan basa dalam ragi ^[25] hingga banyak kilobase pada manusia, dan biasanya terdiri dari susunan pengulangan guanine- rich, pengulangan panjang pasangan enam hingga delapan basa. Telomer eukariotik biasanya berakhir dengan overhang 3-untai tunggal DNA , yang sangat penting untuk pemeliharaan dan pembatasan telomer. Banyak protein yang mengikat DNA telomer tunggal dan ganda. ^[26] Fungsi-fungsi ini dalam pemeliharaan dan pembatasan telomer. Telomer membentuk struktur loop besar yang disebut loop telomer, atau T-loop. Di sini, untai beruntai tunggal melingkar dalam lingkaran panjang, distabilkan oleh protein pengikat telomer . ^[27] Pada akhir T-loop, DNA telomer beruntai tunggal dipegang pada daerah DNA beruntai ganda oleh untai telomer yang mengganggu DNA heliks ganda, dan pasangan basa ke salah satu dari dua untai. Struktur triple-stranded ini disebut loop perpindahan atau D-loop. ^[28]

Peran dalam siklus sel

Pemendekan telomer pada manusia dapat menginduksi penuaan replikatif, yang menghambat pembelahan sel. Mekanisme ini muncul untuk mencegah ketidakstabilan genom dan perkembangan kanker pada sel-sel usia manusia dengan membatasi jumlah pembelahan sel. Namun, telomer yang diperpendek merusak fungsi kekebalan tubuh yang mungkin juga meningkatkan kerentanan kanker. ^[29] Jika telomere menjadi terlalu pendek, mereka memiliki potensi untuk dibuka dari struktur tertutup yang mereka duga. Sel dapat mendeteksi pembungkusan ini sebagai kerusakan DNA dan kemudian berhenti tumbuh, memasuki usia lanjut seluler ( penuaan ), atau memulai pemusnahan diri sel ( apoptosis ) yang diprogram tergantung pada latar belakang genetik sel (status p53 ). Telomer yang tidak tertutup juga menghasilkan fusi kromosom. Karena kerusakan ini tidak dapat diperbaiki dalam sel somatik normal, sel tersebut bahkan dapat menjadi apoptosis. Banyak penyakit terkait penuaan terkait dengan telomer yang pendek. Organ memburuk karena semakin banyak selnya yang mati atau memasuki penuaan seluler.

Shelterin

Pada ujung paling jauh dari telomer adalah bagian pasangan berpasir tunggal 300 pasangan, yang membentuk T-loop. Lingkaran ini dianalogikan dengan simpul, yang menstabilkan telomer, mencegah ujung telomer diakui sebagai titik istirahat oleh mesin perbaikan DNA. Jika sambungan non-homolog terjadi di ujung telomer, fusi kromosom akan terjadi. T-loop disatukan oleh beberapa protein, yang paling terkenal adalah TRF1, TRF2, POT1, TIN1, dan TIN2, secara kolektif disebut sebagai kompleks shelterin. Pada manusia, kompleks shelterin terdiri dari enam protein yang diidentifikasi sebagai TRF1, TRF2, TIN2, POT1, TPP1, dan RAP1. ^[17]

Pemendekan Telomer

Telomer memendek sebagian karena masalah replikasi akhir yang diperlihatkan selama replikasi DNA hanya pada eukariota . Karena replikasi DNA tidak dimulai di kedua ujung untai DNA, tetapi mulai di tengah, dan mengingat bahwa semua DNA polimerase yang diketahui membaca untai cetakan dalam arah 3 'ke 5', orang menemukan untai terdepan dan tertinggal pada untaian Molekul DNA direplikasi.

Pada untai terkemuka, DNA polimerase dapat membuat untai DNA komplementer tanpa kesulitan karena membaca untai cetakan dari 3 'hingga 5'. Namun, ada masalah terjadi ke arah lain pada untaian tertinggal. Untuk mengatasi hal ini, sekuens pendek RNA yang bertindak sebagai primer menempel pada untaian tertinggal di depan bagian inisiasi. DNA polimerase dapat memulai replikasi pada titik itu dan menuju akhir situs inisiasi. Ini menyebabkan pembentukan fragmen Okazaki . Lebih banyak primer RNA menempel lebih jauh pada untai DNA dan DNA polimerase datang dan terus membuat untai DNA baru.

Untai yang tertinggal selama replikasi DNA

Akhirnya, primer RNA terakhir menempel, dan DNA polimerase, RNA nuclease, dan DNA ligase datang untuk mengubah RNA (primer) menjadi DNA dan untuk menutup celah di antara fragmen Okazaki. Tetapi, untuk mengubah RNA menjadi DNA, harus ada untai DNA lain di depan primer RNA. Ini terjadi di semua situs untai tertinggal, tetapi itu tidak terjadi pada akhir di mana primer RNA terakhir terpasang. Pada akhirnya, RNA itu dihancurkan oleh enzim yang menurunkan RNA yang tersisa pada DNA. Dengan demikian, bagian dari telomer hilang selama setiap siklus replikasi pada ujung 5 'anak perempuan yang tertinggal.

Namun, penelitian tabung menunjukkan bahwa telomer sangat rentan terhadap stres oksidatif . Ada bukti bahwa kerusakan DNA yang dimediasi oleh stres oksidatif merupakan penentu penting pemendekan telomer. ^[30] Pemendekan telomer karena radikal bebas menjelaskan perbedaan antara perkiraan kehilangan per divisi karena masalah replikasi akhir (sekitar 20 bp) dan tingkat pemendekan telomer aktual (50-100 bp), dan memiliki dampak absolut yang lebih besar pada panjang telomer dari pemendekan yang disebabkan oleh masalah replikasi akhir. Studi berbasis populasi juga menunjukkan interaksi antara asupan anti-oksidan dan panjang telomer. Dalam Proyek Studi Kanker Payudara Long Island (LIBCSP), penulis menemukan peningkatan moderat dalam risiko kanker payudara di antara wanita dengan telomere terpendek dan rendahnya asupan beta karoten, vitamin C atau E. ^[31] Hasil ini ^[32] menunjukkan bahwa risiko kanker akibat pemendekan telomer dapat berinteraksi dengan mekanisme lain kerusakan DNA, khususnya stres oksidatif.

Pemendekan telomer dikaitkan dengan penuaan, kematian dan penyakit terkait penuaan. Penuaan normal dikaitkan dengan pemendekan telomer pada manusia dan tikus, dan studi pada model hewan yang dimodifikasi secara genetik menunjukkan hubungan sebab akibat antara erosi telomer dan penuaan. ^[33] Namun, tidak diketahui apakah telomer pendek hanya merupakan tanda usia seluler atau sebenarnya berkontribusi pada proses penuaan itu sendiri. ^[34]

Penelitian pada manusia menunjukkan bahwa usia seorang ayah berperan dalam panjangnya telomer anak, yang memiliki implikasi evolusi. Meskipun telomer leukosit memendek seiring bertambahnya usia, telomer sperma memanjang seiring bertambahnya usia. Telomer yang lebih pendek berteori untuk memaksakan biaya energi yang lebih rendah (karena replikasi yang lebih sedikit) tetapi juga memiliki biaya yang berkaitan dengan sistem kekebalan dan penuaan lainnya dan penyakit, sehingga efek usia ayah pada panjang telomer mungkin merupakan adaptasi untuk meningkatkan peluang yang anak akan cocok untuk lingkungan tempat mereka dilahirkan. ^[35] [36]

Stres psikologis dan pemendekan telomer

Sebuah meta-analisis 2017 dari 23 studi menemukan bahwa peningkatan stres psikologis yang dirasakan dikaitkan dengan penurunan yang sangat kecil dalam panjang telomer - meskipun ada juga bukti potensi publikasi, yang ketika diperhitungkan melemahkan efek ini dan membuatnya tidak signifikan. ^[32]

Memanjang

Sel rata-rata akan membelah antara 50 dan 70 kali sebelum kematian sel. Sel membelah telomer di ujung kromosom menjadi lebih kecil. Batas Hayflick adalah batas teoritis untuk berapa kali sel dapat membelah sampai telomer menjadi begitu pendek sehingga pembelahan dihambat dan sel memasuki penuaan.

Fenomena divisi seluler terbatas pertama kali diamati oleh Leonard Hayflick , dan sekarang disebut sebagai batas Hayflick . ^[37] [38] Penemuan signifikan kemudian dilakukan oleh sekelompok ilmuwan yang diorganisasikan di Geron Corporation oleh pendiri Geron, Michael D. West yang mengikatkan telomer dengan pemendekan dengan batas Hayflick. ^[39] Kloning komponen katalitik telomerase memungkinkan percobaan untuk menguji apakah ekspresi telomerase pada level yang cukup untuk mencegah pemendekan telomer mampu mengabadikan sel manusia. Telomerase didemonstrasikan dalam publikasi tahun 1998 di Science yang mampu memperpanjang umur sel, dan sekarang dikenal sebagai mampu mengabadikan sel somatik manusia. ^[40]

Menjadi jelas bahwa membalikkan pemendekan telomer melalui aktivasi sementara telomerase mungkin merupakan cara ampuh untuk memperlambat penuaan. Alasan bahwa ini akan memperpanjang hidup manusia adalah karena itu akan memperpanjang batas Hayflick. Tiga rute telah diusulkan untuk membalikkan pemendekan telomer: obat-obatan, terapi gen, atau penekanan metabolisme, yang disebut, mati suri / hibernasi. Sejauh ini ide-ide ini belum terbukti pada manusia, tetapi telah dibuktikan bahwa pemendekan telomer terbalik dalam hibernasi dan penuaan diperlambat (Turbill, et al. 2012 & 2013) dan bahwa hibernasi memperpanjang masa hidup (Lyman et al. 1981 ). Juga telah dibuktikan bahwa ekstensi telomer telah berhasil membalik beberapa tanda penuaan pada tikus laboratorium ^[41] [42] dan spesies cacing nematoda Caenorhabditis elegans . ^[43] Telah dihipotesiskan bahwa telomer yang lebih lama dan khususnya aktivasi telomerase dapat menyebabkan peningkatan kanker (misalnya Weinstein dan Ciszek, 2002). Namun, telomer yang lebih panjang mungkin juga melindungi terhadap kanker, karena telomer pendek berhubungan dengan kanker. Juga telah disarankan bahwa telomer yang lebih panjang dapat menyebabkan peningkatan konsumsi energi. ^[29]

Teknik untuk memperluas telomer dapat berguna untuk rekayasa jaringan, karena mereka mungkin mengizinkan sel mamalia sehat dan non-kanker dikultur dalam jumlah yang cukup besar untuk menjadi bahan rekayasa untuk perbaikan biomedis.

Dua penelitian terbaru tentang burung laut berumur panjang menunjukkan bahwa peran telomere masih jauh dari pemahaman. Pada tahun 2003, para ilmuwan mengamati bahwa telomer dari petrel badai Leach ( Oceanodroma leucorhoa ) tampaknya memanjang dengan usia kronologis, contoh pertama yang diamati dari perilaku telomer seperti itu. ^[44] Pada 2006, Juola et al. ^[45] melaporkan bahwa pada spesies burung laut lain yang tidak terkait dan berumur panjang, frigatebird besar ( Fregata minor ), panjang telomer berkurang hingga setidaknya c. Usia 40 tahun (yaitu mungkin sepanjang masa hidup), tetapi kecepatan penurunan melambat secara masif dengan bertambahnya usia, dan tingkat penurunan panjang telomer sangat bervariasi di antara masing-masing burung. Mereka menyimpulkan bahwa pada spesies ini (dan mungkin pada burung frigat dan kerabat mereka secara umum), panjang telomer tidak dapat digunakan untuk menentukan usia burung dengan cukup baik. Dengan demikian, tampaknya ada jauh lebih banyak variasi dalam perilaku panjang telomer daripada yang diyakini sebelumnya.

Selanjutnya, Gomes et al. menemukan, dalam sebuah studi tentang biologi perbandingan telomer mamalia, bahwa panjang telomer dari spesies mamalia yang berbeda berkorelasi terbalik, bukan secara langsung, dengan umur, dan mereka menyimpulkan bahwa kontribusi panjang telomer ke masa hidup masih kontroversial. ^[46] Harris et al. menemukan sedikit bukti bahwa, pada manusia, panjang telomer adalah biomarker signifikan dari penuaan normal sehubungan dengan kemampuan kognitif dan fisik yang penting. ^[47] Gilley dan Blackburn menguji apakah penuaan seluler di paramecium disebabkan oleh pemendekan telomer, dan menemukan bahwa telomer tidak dipersingkat selama penuaan. ^[48]

Urutan Nekluetida Telomer

Sekuen nukleotida telomer yang dikenal dan terkini tercantum dalam situs web Database Telomerase .

Beberapa sekuen nukleotida telomere dikenal
Kelompok	Organisme	Telomeric repeat (5 'hingga 3' menjelang akhir)
Vertebrata	Manusia , tikus , Xenopus	TTAGGG
Jamur berserat	Neurospora crassa	TTAGGG
Cetakan lendir	Physarum , Didymium	TTAGGG
	Dictyostelium	AG (1-8)
Protozoa Kinetoplastid	Trypanosoma , Crithidia	TTAGGG
Protozoa bersilia	Tetrahymena , Glaucoma	TTGGGG
	Paramecium	TTGGG (T / G)
	Oxytricha , Stylonychia , Euplotes	TTTTGGGG
Protozoa apicomplexan	Plasmodium	TTAGGG (T / C)
Tanaman yang lebih tinggi	Arabidopsis thaliana	TTTAGGG
	Cestrum elegans	TTTTTTAGGG [49]
	Allium	CTCGGTTATGGG [50]
Ganggang hijau	Chlamydomonas	TTTTAGGG
Serangga	Mori Bombyx	TTAGG
Cacing gelang	Ascaris lumbricoides	TTAGGC
Ragi fisi	Schizosaccharomyces pombe	TTAC (A) (C) G (1-8)
Ragi pemula	Saccharomyces cerevisiae	TGTGGGTGTGGTG (dari template RNA) atau G (2-3) (TG) (1-6) T (konsensus)
	Saccharomyces castellii	TCTGGGTG
	Candida glabrata	GGGGTCTGGGTGCTG
	Candida albicans	GGTGTACGGATGTCTAACTTCTT
	Candida tropicalis	GGTGTA [C / A] GGATGTCACGATCATT
	Candida maltosa	GGTGTACGGATGCAGACTCGCTT
	Candida guillermondii	GGTGTAC
	Candida pseudotropicalis	GGTGTACGGATTTGATTAGTTATGT
	Kluyveromyces lactis	GGTGTACGGATTTGATTAGGTATGT

Penelitian Risiko Penyakit

Telomer penting untuk menjaga integritas genom dan mungkin menjadi faktor untuk penyakit yang berkaitan dengan usia. ^[51] Studi laboratorium menunjukkan bahwa disfungsi atau pemendekan telomer umumnya didapat selama proses penuaan dan perkembangan tumor. ^[51] [52] Telomere pendek dapat menyebabkan ketidakstabilan genom, hilangnya kromosom, dan pembentukan translokasi non-resiprokal; dan telomer dalam sel tumor dan lesi prekursor mereka secara signifikan lebih pendek dari jaringan normal di sekitarnya. ^[53] [54]

Studi pengamatan telah menemukan telomer yang lebih pendek pada banyak jenis kanker eksperimental. ^[51] Selain itu, penderita kanker diketahui memiliki telomer leukosit yang lebih pendek daripada kontrol yang sehat. ^[55] Meta analisis terbaru menunjukkan 1,4 hingga 3,0 kali lipat peningkatan risiko kanker bagi mereka yang memiliki telomere terpendek vs terpanjang. ^[56] [57] Namun, peningkatan risiko bervariasi berdasarkan usia, jenis kelamin, jenis tumor, dan perbedaan faktor gaya hidup. ^[51]

Pengukuran

Beberapa teknik saat ini digunakan untuk menilai panjang telomer rata-rata dalam sel eukariotik. Salah satu metode adalah Terminal Restriction Fragment (TRF) Southern blot. ^[58] [59] Uji PCR Real-Time untuk panjang telomer melibatkan penentuan rasio Telomere-to-Single Copy Gene (T / S), yang ditunjukkan proporsional dengan panjang telomer rata-rata dalam sebuah sel. ^[60]

Sementara beberapa perusahaan menawarkan layanan pengukuran panjang telomer, kegunaan pengukuran ini untuk penggunaan klinis atau pribadi yang luas telah dipertanyakan. ^[61] [62] Pemenang Hadiah Nobel Elizabeth Blackburn , yang merupakan salah satu pendiri satu perusahaan, mempromosikan kegunaan klinis ukuran panjang telomer. ^[63]

Telomer Ectothermic

Sebagian besar penelitian tentang panjang dan regulasi telomer, dan hubungannya dengan kanker dan penuaan, telah dilakukan pada mamalia, terutama manusia, yang memiliki sedikit atau tanpa produksi telomerase somatik. Ectotherms secara signifikan lebih mungkin daripada variasi endotherms untuk memiliki variasi dalam ekspresi telomerase somatik. Misalnya, pada banyak ikan, telomerase terjadi di seluruh tubuh (dan terkait dengan ini, panjang telomer kira-kira sama di semua jaringannya). Studi tentang ektoterm, dan organisme non-mamalia lainnya, menunjukkan bahwa tidak ada satu model universal erosi telomer; sebaliknya, ada variasi luas dalam dinamika yang relevan di seluruh Metazoa, dan bahkan dalam kelompok taksonomi yang lebih kecil, pola-pola ini tampak beragam. Karena garis waktu reproduksi yang berbeda dari beberapa ektoterm, pemilihan penyakit lebih relevan untuk sebagian kecil dari kehidupan makhluk ini daripada mamalia, sehingga panjang telomer kehidupan awal dan akhir, dan kemungkinan hubungan mereka dengan kanker, tampaknya terutama penting dalam spesies ini dari sudut pandang teori sejarah kehidupan . ^[64]