Biotech Vision

ROS reduction and mitochondrial localisation of telomerase

ชัชวาล สิงหะพล*

การลดลงของปริมาณ ROS production ทั้งก่อนและหลังการฉายรังษีในเซลล์  MCF7 (human breast adenocarcinoma cell line) ที่ถูก transfect ด้วย TERT ที่ mitochondria

Highlights

นอกจากเอ็นไซม์ telomerase จะมีหน้าที่ในการต่อขยายดีเอ็นเอส่วน telomere แล้ว telomerase ยังสามารถแสดงหน้าที่อื่นๆภายในเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับ cellular ageing และการลดการเกิด Reactive Oxygen species ใน mitochondria ได้อีกด้วย

Abstract

เอ็นไซม์ Telomerase ประกอบด้วยโครงสร้างสองส่วนคือ RNA component (hTR) ซึ่งเป็น antisense template สำหรับการสังเคราะห์ telomere และส่วนที่เป็น catalytic subunit ซึ่งมีความสามารถในการเป็น reverse transcriptase เรียกว่า hTERT หน้าที่หลักของ telomerase คือการป้องกันและต่อขยายดีเอ็นเอส่วน telomeres อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันมีการค้นพบหน้าที่อื่นๆของ telomerase ที่ไม่เกี่ยวข้องกับ telomere โดยที่เอ็นไซม์นี้เข้าไปเกี่ยวข้องกับ regulatory proteins หลายๆตัวที่เกี่ยวข้องกับขบวนการภายในเซลล์หลายๆขบวนการ

Keywords: Telomerase, Telomere, Mitochondria, ROS

Summary

          hTERT ใน hTERT overexpressing fibroblast สามารถแสดงการปกป้องเซลล์ในสภาวะที่เซลล์ถูกกระตุ้นด้วย  H₂O₂ (oxidative stress) โดยพบว่า hTERT เคลื่อนที่ออกจากนิวเครียส และไปสะสมรวมอยู่ในไมโตคอนเดรีย โดยเข้าไปช่วยทำให้ปริมาณการเกิด Reactive Oxygen species (ROS) ลดลง mitochondrial DNA เสียหายน้อยลง นอกจากนั้นยังพบว่า mitochondrial mass/mtDNA copy number ใน hTERT overexpressing fibroblast  มีปริมาณน้อยลง และ mitochondrial membrane potential มีความสามารถสูงขึ้น เมื่อเทียบกับเซลล์ fibroblast ปกติที่อยู่ภายใต้สภาวะเดียวกัน (Ahmed et al., 2008)    ไม่ใช่เฉพาะใน hTERT overexpressing fibroblast เท่านั้น จากการทดลองในเซลล์มะเร็งบางชนิดพบว่า สภาวะดังกล่าวนี้ก็สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน จากการทดสอบใน Hela (Cervical cancer cells), MCF7 (human breast adenocarcinoma cell line) และ U87 (human primary glioblastoma cell) พบการเคลื่อนย้ายของ hTERT จากนิวเครียสไปยังไมโตคอนเดรีย การลดลงของ ROS และการปกป้องเซลล์ภายใต้สภาวะการฉายรังษี (20 Gy) และสภาวะ oxidative stress เช่นกัน (Singhapol et al., 2013)  นอกจากนี้เมื่อ transfect เซลล์มะเร็งดังกล่าวด้วย mitochondrial localised hTERT ดังแสดงในรูป พบว่าเซลล์ที่ถูก transfect มีปริมาณการเกิด ROS น้อยกว่าเซลล์ที่ไม่ถูก transfect ทั้งในสภาวะปกติ และเมื่อถูกฉายรังษี (20 Gy) แสดงให้เห็นหน้าที่ของ telomerase นอกเหนือจากการต่อขยายดีเอ็นเอส่วน telomere ภายในนิวเครียส อย่างไรก็ตาม การลดลงของ ROS และการปกป้องเซลล์นี้อาจเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้การรักษาโรคมะเร็งโดยการฉายรังสี หรือการใช้เคมีบำบัด ไม่ได้ผลเต็มที่มากนักในผู้ป่วยมะเร็งบางรายเนื่องจาก มากกว่า 90% ของเซลล์มะเร็ง พบการทำงานของเอ็นไซม์ telomerase ดังนั้นจึงควรมีการศึกษาหน้าที่ของ telomerase ให้แน่ชัด เพื่อเป็นอีกแนวทางในการช่วยรักษาโรคมะเร็งต่อไป

References

Singhapol C, Pal D, Czapiewski R, Porika M, Nelson G, et al. (2013). Mitochondrial Telomerase Protects Cancer Cells from Nuclear DNA Damage and Apoptosis. PLoS ONE 8(1): e52989. doi:10.1371/journal.pone.0052989

Ahmed S.et al., 2008. Telomerase does not counteract telomere shortening but protects mitochondrial function under oxidative stress. J. Cell Sci. 17, 1046–1053.

doi: 10.1242/jcs.019372. Epub 2008 Mar 11.

* ภาควิชาเทคโนโลยีชีวภาพ คณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าฯพระนครเหนือ กรุงเทพ, ประเทศไทย

Telomere replication from youtube

source : http://www.youtube.com/watch?v=AJNoTmWsE0s&feature=player_embedded

อะไรคือ Telomere และ Telomerase

ในการสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายใหม่ เอ็นไซม์ DNA polymerase III จะทำการสังเคราะห์ดีเอ็นเอได้เฉพาะในทิศ 5’ ไป 3’ เท่านั้น ดังนั้นในการสังเคราะห์สาย lagging stand จึงต้องใช้การสังเคราะห์เป็นส่วนสั้นๆ หรือ Okazaki fragment โดยใช้หมู่ 3'-OH group จาก RNA primer แต่ปัญหาเกิดขึ้นคือ เมื่อการสังเคราะห์มาถึงส่วนปลายสุดของดีเอ็นเอ เมื่อสร้าง DNA เสร็จสมบูรณ์แล้ว RNA primer จะต้องถูกกำจัดออก และแทนที่ด้วย DNA โดย DNA polymerase I แต่ที่ RNA ส่วนสุดท้าย DNA polymerase I ไม่สามารถเติมดีเอ็นเอแทนที่ RNA ส่วนที่ถูกกำจัดออกได้ เพราะไม่มีหมู่ -OH ให้จับ ดังนั้นจึงทำให้สายดีเอ็นเอส่วนปลาย สั้นลงทุกครั้งที่มีการสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายใหม่ เรียกปัญหานี้ว่า “end replication” problem แบคทีเรียแก้ปัญหานี้โดยการมีโครโมโซมเป็นวงกลม ไม่มีปลายเปิด ส่วนยูคาริโอทที่มีดีเอ็นเอเป็นเส้นตรงปลายเปิด แก้ปัญหานี้โดยการมีลำดับนิวคลีโอไทด์พิเศษเพื่อสร้างโครงสร้าง ป้องกันส่วนปลายของดีเอ็นเอนี้ เรียกว่า ดีเอ็นเอส่วนเทโนเมีย “Telomere” เอ็นไซม์พิเศษที่ทำหน้าที่สังเคราะห์ส่วนปลายของดีเอ็นเอนี่ชื่อว่า เทโลเมอเรส “Telomerase” ปัญหาที่เกิดขึ้นก็คือในโซมาติกเซลล์ เอ็นไซม์ตัวนี้ไม่ทำงาน ทำให้ดีเอ็นเอสั้นลงทุกครั้งที่มีการจำลองสายใหม่เพื่อแบ่งเซลล์ เมื่อสายดีเอ็นเอส่วนเทโลเมี่ยสั้นลงมากๆจะทำให้ไม่สามารถสร้างโครงสร้างเพื่อป้องกันส่วนปลายของดีเอ็นเอได้ ทำให้เกิดข้อจำกัดของจำนวนครั้งของการแบ่งเซลล์

ที่มาของรูป : http://cancerres.aacrjournals.org/content/64/10.cover-expansion