Deel dit artikel

hoe weet een normale lichaamscel dat ze te oud is om te delen? Hoe kunnen kankercellen ongelimiteerd delen zonder oud te worden? kunnen we ervoor zorgen dat normale cellen jong blijven? iedereen wil zo lang mogelijk leven, maar oud zijn we liever niet. een nieuwe piste in de zoektocht naar de eeuwige jeugd werd ontsluierd eind jaren tachtig van de vorige eeuw met de ontdekking van humane telomeren en telomerase.

Telomeren en telomerase: een bron van jeugd?

Thierry Voet

Telomeren vormen de natuurlijke uiteinden van chromosomen – dit zijn de functionele dragers van onze genetische informatie. Bij de bevruchting erven we DNA van onze ouders onder de vorm van 23 paar chromosomen. De bevruchte eicel of zygote moet vervolgens heel wat celdelingen ondergaan om uit te groeien tot een functioneel organisme. Per celdeling moet ons DNA éénmaal worden gekopieerd en die chromosoomkopieën moeten evenredig worden verdeeld over de dochtercellen. Midden jaren vijftig van de vorige eeuw stonden genetici echter voor een raadsel. Enkele jaren na de beschrijving van de DNA-structuur door James Watson en Francis Crick in 1953 werd het kopieerapparaat van ons DNA, het enzyme DNA-polymerase, ontdekt door Arthur Kornberg. Het mechanisme waarmee dit enzyme ons DNA kopieert, bracht de natuurlijke uiteinden van de chromosomen in de spotlights. DNA-polymerase was niet in staat de genetische informatie aan de uiteinden volledig te repliceren. Dit betekende dat chromosomen met elke celdeling zouden verkorten en dat uiteindelijk cruciale genetische informatie verloren zou kunnen gaan. Om dit eindreplicatieprobleem te doorgronden werd de bepaling van de moleculaire structuur en de functie van de dynamische chromosoomuiteinden van essentieel belang.

Telomeren (afgeleid van het Griekse ‘telos = einde’ en ‘meros = deel’) werden voor het eerst functioneel beschreven in de jaren dertig door Hermann Muller en door Barbara McClintock, die respectievelijk met fruitvliegen en maïs werkten. Beiden kwamen tot dezelfde conclusie: de natuurlijke chromosoomuiteinden bezaten de eigenschap chromosomen te beschermen tegen recombinaties en fusies met andere chromosomen. Vandaag weten we dat die eigenschap één van de belangrijkste telomeerfuncties is omdat ze ons genoom mee stabiel en intact houdt. Een chromosoom dat een telomeer verloren heeft, is onstabiel en is bovendien capabel om een telomeer te stelen van een ander chromosoom door ermee te recombineren of te fusioneren. Die mechanismen herschikken bijgevolg ons genetische materiaal met potentieel pathologische gevolgen.

Eind jaren zeventig kraakte Elizabeth Blackburn de eerste telomerische DNA-sequenties door de opeenvolging van de DNA-bouwstenen – de A-, C-, G- en T-nucleotiden – te bepalen aan chromosoomuiteinden. Aangezien DNA-kloneringsmethoden nog niet op punt stonden en de chromosomen van meercellige dieren en mensen te groot waren om te manipuleren, had ze om de telomeren te bestuderen ‘minichromosomen’ nodig, die bovendien lineair waren. Die relatief korte, lineaire DNA-moleculen vond ze in de ééncellige eukaryoot, tetrahymena thermophila. Dit trilhaardiertje genereert extra kopieën van het rDNA-gen dat codeert voor ribosomaal RNA onder de vorm van lineaire DNA-moleculen. Op elk uiteinde van deze ‘minichromosomen’ vond ze de hexanucleotide TTGGGG-DNA-sequentie die twintig- tot zeventigmaal in tandem werd herhaald. Was die terminale, repetitieve DNA-sequentie echter specifiek voor het ééncellige trilhaardiertje en kon ze wel degelijk chromosoomuiteinden beschermen?

In 1980 ging Blackburn samenwerken met Jack Szostak, die zijn onderzoek toespitste op het recombinogene karakter van DNA-uiteinden. Szostak manipuleerde DNA-moleculen in vitro en bracht ze vervolgens in de cellen van bakkersgist (saccharomyces cerevisiae). Circulaire DNA-moleculen lieten de gistchromosomen meestal ongemoeid. Knipte hij echter hetzelfde DNA-molecule open, dan leidde dit tot sterk reactieve DNA-uiteinden waardoor het DNA-molecule kon recombineren met de gistchromosomen en bijgevolg het gistgenoom kon muteren. Blackburn en Szostak wilden weten of de telomeren van het trilhaardiertje die DNA-uiteinden zouden stabiliseren. De opengeknipte DNA-moleculen werden voorzien van TTGGGG-telomeersequenties en opnieuw in de gistcellen gebracht. Het resultaat was verbluffend: in de meeste gistcellen werd het geïntroduceerde DNA behouden in een lineaire vorm zonder te recombineren met de gistchromosomen.

Janis Shampay, onder het wakende oog van Blackburn, besloot die gestabiliseerde DNA-uiteinden in gist verder te analyseren. Ze waren verbaasd door hun bevinding dat die uiteinden niet alleen bestonden uit een reeks tetrahymena TTGGGG-eenheden, maar bovenop ook nog een aantal telomeer-‘TG1-3’-DNA-eenheden van bakkersgist bevatten. Blackburn en Szostak waren ervan overtuigd dat er een enzymatisch proces in het spel was dat telomeer-DNA-eenheden kon toevoegen aan chromosoomuiteinden. Eind jaren tachtig vonden Carol Greider en Blackburn het onbekende enzyme en doopten het telomerase. Het bestond uit ten minste twee essentiële componenten: een ‘telomerase reverse transcriptase’ (TERT) en een ‘telomerase RNA-component’ (TERC). TERT kan aan een bestaande telomeer nieuwe telomeereenheden aanbreien en gebruikt hiervoor het RNA-molecule TERC als matrijs. Het eindreplicatieprobleem in ééncellige organismen was opgelost: telomerase kon compenseren voor de DNA-erosie die optrad bij de onvolledige replicatie van de chromosomen. In meercellige organismen is het eindreplicatieprobleem echter complexer en vormt het de basis voor hedendaags gerontologisch en pathologisch onderzoek.

Telomerase kon compenseren voor de DNA-erosie die optrad bij de onvolledige replicatie van chromosomen

In 1988 werd de repetitieve TTAGGG-DNA-sequentie van menselijke telomeren ontcijferd, een jaar later werd humane telomerase beschreven. Een onmiddellijke medische toepassing was er niet, maar dit zou snel veranderen. Alexei Olovnikov had in zijn A theory of marginotomy (1973) een belangrijke hypothese geformuleerd. Uit de experimenten van Leonard Hayflick wist hij dat menselijke huidcellen die in cultuur werden gebracht na een veertigtal celdelingen stopten met delen. Die ‘uitgeputte’ cellen bevonden zich in senescentie, dit is een staat van cellulaire veroudering waarbij de cel niet meer deelt en verandert van morfologie en genexpressiepatroon. Frappant was dat donorcellen van een oudere persoon minder delingen ondergingen dan van een jonger iemand. Olovnikov maakte een belangrijke hersenkronkel. Hij voorspelde dat door het eindreplicatieprobleem telomeren progressief zouden verkorten door opeenvolgende celdelingen en dat die geleidelijke telomeererosie de oorzaak zou zijn van het beperkt aantal delingen dat de primaire fibroblastcellen kunnen ondergaan in vitro. In 1990 werd zijn theorie gedeeltelijk bevestigd. Carol Greider en Calvin Harley vonden inderdaad dat de telomeren verkortten in gecultiveerde, menselijke cellen. Omdat die cellen geen telomerase tot expressie brachten, konden ze geen normale telomeerlengte onderhouden.

Het laatste stukje van de puzzel werd geleverd door Woodring Wright in 1998. Hij kwam op het idee om op een kunstmatige manier telomerase tot expressie te brengen in gecultiveerde, menselijke cellen. Zijn resultaten waren fenomenaal. De cellen overstegen de beperkte levensduur van identieke cellen die geen telomerase bevatten. Niet alleen bleven de cellen delen maar ook de telomeren in deze cellen erodeerden niet door opeenvolgende celdelingen. De bron van eeuwige jeugd leek ontdekt. Korte telomeren bleken de levensduur van cellen te beperken, terwijl telomeerverlengingsmechanismen cellen in een jeugdig stadium konden houden. Vandaag kennen we het grondbeginsel waarmee telomeren kunnen fungeren als cellulaire klokken. DNA in een eukaryote cel is opgerold op een dynamisch fundament van verschillende eiwitten die een open of gesloten structuur opleggen aan het DNA. Telomerisch DNA is echter ‘gebouwd’ op een speciale variant van het dynamische fundament dat het uiterste van het telomeer-DNA terugkrult in de telomerische DNA-dubbelstreng. Op die manier verbergt het uiteinde van een chromosoom zich voor de cel. Door opeenvolgende celdelingen tikken echter telomeereenheden weg tot de telomeren kritisch kort worden. Dan stort hun bouwconstructie in en moeten telomeer-DNA-uiteinden hun schuilplaats prijsgeven. De cel zal die DNA-uiteinden herkennen en stoppen met delen.

Cellen registreren hun leeftijd aan de hand van weggetikte telomeereenheden

Het denkbeeld dat cellen hun leeftijd registreerden aan de hand van weggetikte telomeereenheden werd nog versterkt door de bevinding dat vele menselijke kankers spontaan telomerase tot expressie brachten. Telomerase kon weggetikte telomeereenheden voortdurend opnieuw aanvullen en dit verklaarde gedeeltelijk hoe kankercellen in staat waren om ongelimiteerd te delen. Ondertussen hebben een aantal onderzoekers bewezen dat inhibitie van telomerase inderdaad de replicatieve levensduur van anders onsterfelijke cellen kan beperken. Die antitelomerasetesten zijn echter gefundeerd op in-vitroculturen van humane tumorcellen of op xenotransplantaties van een bepaald tumorceltype in dieren. Hoe die testen verband houden met de ‘echte’ tumorprogressie in de patiënt zal de toekomst moeten uitwijzen. Een antitelomerasetherapie dwingt een kankercel haar telomeren progressief te verkorten door opeenvolgende celdelingen en dus uiteindelijk tot senescentie of zelfs tot zelfmoord. Er wordt ijverig gezocht naar methoden om telomeraseactiviteit in kankers in vivo te stoppen. We moeten echter voorzichtig zijn. Door telomerase te inhiberen kunnen telomeren hun chromosoombeschermende functie verliezen met chromosoomherschikkingen tot gevolg die tumorprogressie net kunnen promoten. Bovendien maakt een beperkt aantal kankers helemaal geen gebruik van telomerase, maar van alternatieve routes om hun telomeerlengtes te onderhouden door middel van DNA-recombinatiesystemen. Bijgevolg kunnen kankercellen waarin telomerase geïnhibeerd wordt die alternatieve routes ontdekken. We moeten ook in ons achterhoofd houden dat tumoren uit verschillende celtypes bestaan met mogelijk verschillende telomeraseactiviteiten en delingsfrequenties. Het is intussen duidelijk dat een werkbare antitelomerasetherapie om kanker te bestrijden moeilijk te ontwikkelen is en op zichzelf hoogstwaarschijnlijk ontoereikend zal zijn.

Recent onderzoek in diermodellen heeft aangetoond dat telomerase nog andere functies bezit naast het verlengen van telomeren. Het zou eveneens het verouderingsproces kunnen uitstellen onafhankelijk van telomeerlengteregulatie. Muizen die TERT tot overexpressie brachten werden initieel ontwikkeld om de rol van hoge telomeraseniveaus te bestuderen in carcinogenese. Die transgene muizen bleken echter ook waardevolle gerontologische informatie te bevatten. K5-TERT-muizen bijvoorbeeld brengen TERT artificieel verhoogd tot expressie in bepaalde celtypes van de huid en andere weefsels. Opmerkelijk is dat deze muizen niet alleen meer vatbaar bleken voor de ontwikkeling van huidtumoren, maar dat ze ook huidwonden genazen op een veel efficiëntere manier. Studie van grote cohorten K5-TERT-muizen over verschillende jaren toonde vervolgens aan dat die transgene muizen een verhoogde maximale levensduur hadden in vergelijking met normale muizen. Hoewel die transgene muizen gedurende de eerste helft van hun leven te kampen hadden met een verhoogde sterftekans – door de verhoogde tumorgenese – bleek gedurende de tweede helft van hun leven de verhoogde telomeraseactiviteit gunstig te werken en de maximale levensduur te verlengen. Verwonderlijk was ook dat deze K5-TERT-muizen geen langere telomeren bevatten dan de controlemuizen. Die resultaten suggereerden dat op latere leeftijd een verhoogde telomeraseactiviteit een weefsel fitter kon maken. TERT kan de expressie van verschillende genen reguleren, TERT kan ook cellen beschermen tegen zelfmoordacties. Hoe TERT precies deze ‘verjongende’ impact kan hebben op cellen en weefsels onafhankelijk van telomeerlengteregulatie is nog niet geweten.

Dit alles toont aan dat de expressie en de activiteit van telomerase strikt moeten worden gereguleerd en van levensbelang zijn. Met uitzondering van geslachtscellen en sommige stamcellen hebben de meeste cellen in een normaal volwassen individu geen of slechts zeer zwak meetbare telomeraseactiviteit waardoor telomeren verkorten met iedere celdeling. Menselijke chromosoomuiteinden hebben gemiddeld tussen de 800 en 2 500 TTAGGG-DNA-eenheden en per celdeling tikken er zo’n tien tot vijfendertig weg. Bovendien kan de telomeerlengte en de snelheid van telomeererosie sterk verschillen tussen verschillende personen, maar ook binnen één persoon van weefsel tot weefsel en zelfs van chromosoom tot chromosoom. Telomeerlengte wordt bovendien niet alleen genetisch bepaald. Ook omgevingsfactoren hebben een invloed. Bij rokers bijvoorbeeld lijkt de telomeererosie groter dan bij niet-rokers. Hoe die verkorting van telomeren – met senescentie op cellulair niveau tot gevolg – uiteindelijk in relatie staat met de veroudering van het hele organisme weet men nog niet. Utz Herbig publiceerde in 2006 dat in huidbiopsieën van apen het aantal senescente huidfibroblasten exponentieel toenam met de leeftijd. Dit toonde niet alleen aan dat senescente cellen bestonden in vivo, maar ook dat ze vermeerderden met de leeftijd van het dier. Een sterke toename van het aantal senescente cellen kan het ‘microklimaat’ van een weefsel en uiteindelijk het weefsel zelf functioneel in de war sturen. Bovendien, door de beperkte delingscapaciteit van oudere (stam)cellen met verkorte telomeren kan de vernieuwing en homeostase van een weefsel in het gedrang komen. Echter een onomstotelijk bewijs dat replicatieve senescentie de veroudering van een organisme veroorzaakt, is er momenteel niet. Wel weet men dat korte telomeren in verband worden gebracht met ernstige genetische ziekten.

Dyskeratosis congenita (DKC) is een syndroom met een progressief ziektebeeld gekenmerkt door onder andere een hyperpigmentatie van de huid in een netvormig patroon, een geleidelijke afbraak van de nagels en leukoplakie – dit zijn witte vlekjes die gevormd worden in de slijmvliezen van onder andere mond en genitaliën en die zich verder kunnen ontwikkelen tot tumoren. DKC-lijders hebben een versneld proces van telomeererosie, ontwikkelen problemen in weefsels met een hoge celdelingactiviteit zoals het beenmerg en de huid en sterven op vroege leeftijd meestal als gevolg van beenmergfalen. Die aangeboren ziekte kan veroorzaakt worden door een mutatie in het dyskerineiwit, wat resulteert in een verminderde concentratie aan TERC – de essentiële RNA-component van het telomerasecomplex – maar kan ook worden veroorzaakt door mutaties in TERC zelf. Mutaties in TERC en andere componenten van het telomerasecomplex leiden tot een progressieve verkorting van de telomeren en kunnen bijgevolg de capaciteit van weefselvernieuwing verminderen. Aberrante telomeerlengtes en telomeraseactiviteit werden ook geassocieerd met cardiovasculaire ziekten en andere syndromen, maar of het aberrante telomeermetabolisme hier de oorzaak dan wel het gevolg is, moet nog worden uitgezocht.

Telomeren fungeren niet alleen als cellulaire timers en beschermers van onze genetische informatie

Vandaag weten we ook dat telomeren niet alleen fungeren als cellulaire timers en beschermers van onze genetische informatie. Telomeren vervullen eveneens een belangrijke functie bij correcte chromosoomovererving en blijken ook een invloed te hebben op de expressie van naburige genen. Zo blijkt de expressie van een gen in de nabijheid van een telomeer, althans in gist, sterk af te hangen van de lengte van de telomeer. Als dit ook het geval blijkt te zijn in dieren en mensen, dan heeft dit belangrijke gevolgen. Zo kan tijdens de ontwikkeling en veroudering van een organisme het expressiepatroon van subtelomerische genen afhankelijk zijn van de telomeererosie. Ook kunnen door chromosomale afwijkingen genen plots in de buurt van een telomeer terechtkomen waardoor de expressie van dit gen gedereguleerd wordt met mogelijk de ontwikkeling van een ziekte tot gevolg. Het telomeer-telomerase-onderzoeksdomein heeft ons inzicht in (cellulaire) veroudering, kanker en chromosoombiologie buitengewoon verruimd en zal dit in de nabije toekomst ongetwijfeld blijven doen. Dat dit onderzoeksdomein zeer naar waarde wordt geschat blijkt uit het feit dat in 2006 Elizabeth Blackburn, Carol Greider en Jack Szostak werden beloond met de Albert Lasker Award for Basic Medical Research.

S.E. Artandi, ‘Telomeres, telomerase, and human disease’,in: The New England Journal of Medicine, 2006, september 21, 355 (12), 1195-7.

Elisabeth H. Blackburn, Carol W. Greider, Jack W. Szostak, ‘Telomeres and telomerase: the path from maize, tetrahymena and yeast to human cancer and aging’, in: Nature Medicine, 2006, oktober 12, (10), 1133-8.

Thierry Voet is als geneticus verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen