Was ist die Telomerase?
Bei der Telomerase handelt es sich um ein bestimmtes Enzym eines Zellkerns. Es stellt ein Ribonukleoprotein dar, da es aus einem Protein- (TERT) sowie einem langen RNA-Anteil (TR) aufgebaut ist. Aufgabe des Enzyms ist es, die Endstücke der Chromosomen wiederherzustellen. Diese sind auch als Telomere bekannt. Gegenwärtig ist die Telomerase in der Molekularbiologie speziell hinsichtlich ihrer Funktion in biologischen Alterungsprozessen sowie im Zusammenhang mit dem Wachstum von Tumorzellen Gegenstand der Forschung.
Merkmale des Enzyms
Bei der Telomerase handelt es sich um eine reverse Transkriptase (TERT: Telomerase-Reverse-Transkriptase). Sie nutzt den RNA-Anteil (TR oder Telomerase-RNA, auch TERC) als Vorlage beziehungsweise Matrize. Bei menschlichen Zellen ist der RNA-Anteil (hTERC) die Sequenz 3′-CAAUCCCAAUC-5′. Daraus folgt, dass es sich um eine Verlängerung des Telomers um jeweils eine Sequenz d(5′-GGTTAG-3′) handelt. Das Kürzel d steht hierbei für DNA an Stelle der RNA.
Entdeckung der Telomerase
Das Enzym wurde erstmals im Jahr 1985 beim Wimpertierchen Tetrahymena entdeckt. Als Entdeckerinnen gelten die beiden Molekularbiologinnen Elizabeth Blackburn und Carol Greider. Im Jahr 2009 erhielten die beiden Wissenschaftlerinnen den Paul-Ehrlich-Preis sowie auch den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
Funktion der Telomerase
Verschiedene Organismen weisen unterschiedliche Längen der Telomere auf. Beim Menschen handelt es sich um eine Länge von etwa 10 Kilobasen. Die Länge kann sich nach mehreren Zellteilungen (zirka 50 bis 100 an der Zahl) auf 4 bis 6 Kilobasen verändern. Im Anschluss geht die entsprechende Zelle in eine Ruhephase über. Das heißt, es finden keine weiteren Zellteilungen mehr statt. Grundsätzlich geht bei jedem Prozess der Zellteilung ein Stück der Telomere verloren (etwa 100 Nukleotide). In bestimmten Zellen kann die Telomerase durch die Wiederherstellung der Telomere verhindern, dass die Chromosomen mit jedem Zellteilungsprozess kürzer werden. Damit umgeht die Telomerase das End-Replikationsproblem.
In der Mehrheit aller Körperzellen lässt sich keine Aktivität der Telomerase nachweisen. Nach aktuellem Kenntnisstand ist die Telomerase nur bei einzelligen Organismen aktiv sowie bei bestimmten Zellen, die sich kontinuierlich teilen. Dazu gehören in erster Linie embryonale Stammzellen, Knochenmarks-Zellen, Zellen der Keimbahn, Stammzellen und gewisse Arten von Immunzellen.
Weiterhin ist die Telomerase nachweislich in Krebszellen aktiv. In diesen trägt sie dazu bei, dass sich die Krebszellen unendlich teilen können. Auf diese Weise kommt es zu Wachstum beziehungsweise Wucherung des betroffenen Gewebes. Zellen, die nicht entartet sind, können nur eine begrenzte Anzahl von Zellteilungen haben. Die entsprechende Grenze für die Zellteilungen ist auch als Hayflick-Grenze bekannt.
Telomere und die Replikation
Bei Organismen mit Telomerase werden mit jeder Zellteilung die Telomere immer kürzer. Dies hängt damit zusammen, dass die (reguläre) DNA-Polymerase am Folgestrang nicht mehr ansetzen kann. Hierbei trägt die Telomerase dazu bei, dass die Verkürzung der DNA-Enden wieder ausgeglichen wird. Als RNA-Protein-Komplex fügt die Telomerase an das 3′-OH-Ende bestimmte Wiederholungseinheiten an. Die entsprechende RNA-Vorlage befindet sich in der Telomerase selbst. Der Aufbau gleicht dem Bau einer Brücke in selbsttragender Konstruktion.
Grundsätzlich ist die Telomerase in der Replikation nur bei einzelligen Eukaryoten beziehungsweise Protozoen aktiv. Handelt es sich um mehrzellige, höhere Organismen, kommt das Enzym nur noch in wenigen ausgewählten Zellen (beispielsweise den Zellen des Knochenmarks) vor. Telomerase ist insbesondere bei solchen Zellen präsent, die auf eine häufige Zellteilung angewiesen sind.
Die enzymatische Aktivität der Telomerase wird über die TRAP-Methode festgestellt. Diese steht als Abkürzung für Telomeric Repeat Amplification Protocol und ist ein molekularbiologisches Nachweisverfahren. Es dient der quantitativen Aktivitätsbestimmung des Enzyms.
Wenn die Länge der Telomere ein kritisches Minimum unterschreitet (etwa 4 Kilobasenpaare), ist die Zelle zu keiner weiteren Zellteilung mehr imstande. In diesem Falle tritt meist die Apoptose (programmierter Zelltod) oder die Seneszenz (ein permanenter Wachstumsstopp). Aus diesem Grund hat eine Zelle eine begrenzte Lebenszeit. Diese begrenzte Lebenszeit lässt sich als ein Mechanismus zur Unterdrückung von Tumoren verstehen. Wenn es trotz verkürzter Telomere zu weiteren Zellteilungen kommt (wie diese in manchen Krebszellen der Fall ist) ist ein Stabilitätsverlust der Chromosomen die Folge. In Studien mit Knockout-Mäusen hat sich gezeigt, dass sie über mehrere Generationen ohne Telomerase überlebensfähig sind. Es herrscht die Annahme, dass es auch über Rekombinationsereignisse zu einer Reparatur der Telomere kommen kann. Diese Annahme ist jedoch noch nicht vollständig geklärt.
Telomerase und ihr Stellenwert in der molekularbiologischen Forschung
Der Stellenwert der Telomerase und ihre Bedeutung sind speziell im Zusammenhang mit Krebszellen sowie mit biologischer Alterung Gegenstand molekularbiologischer Forschung. Tumorzellen sind allgemein geprägt durch eine hohe Telomerase-Aktivität. Anders als die sich normal entwickelnden somatischen Zellen nimmt die Telomerase-Aktivität hier nicht ab. Normalerweise sterben Zellen mit abnehmender Telomerase-Aktivität ab, sobald die Chromosomen die kritische Telomerlänge aufweisen. Bei Tumorzellen ist es so, dass die Zellen sich fortwährend weiter teilen, die Telomerase-Aktivität ist also weiterhin hoch und bedingt die Wucherung. Die genaue Funktion der Telomerase beziehungsweise der Telomere wird in Experimenten erforscht, in denen Zell-Linien oder Organismen mit erhöhter oder verminderter Telomerase-Aktivität gentechnisch hergestellt werden. In anderen Versuchen wurde damit experimentiert, Alterungsprozesse von Zellen aufzuhalten, indem die Telomerase durch Gen-Einschleusung künstlich exprimiert wurde.
- https://flexikon.doccheck.com/de/Telomerase
- https://refubium.fu-berlin.de/bitstream/handle/fub188/13474/03_Kapitel2.2-TelomeraseundTelomere.pdf?sequence=4&isAllowed=y
- https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/telomerase/65729
