إنزيم التيلوميراز العكسي

التيلوميراز هو بوليميراز بروتين نووي ريبوني يحافظ على نهايات التيلومير عن طريق إضافة تكرار التيلومير TTAGGG. يتكون الإنزيم من بروتين له نشاط النسخ العكسي ، المشفر بواسطة هذا الجين ، ومكون الرنا الذي يعمل كقالب لتكرار التيلومير. يلعب تعبير التيلوميراز دورًا في الشيخوخة الخلوية ، حيث يتم كبته عادةً في الخلايا الجسدية بعد الولادة ، مما يؤدي إلى تقصير التيلوميرات التدريجي. تشير الدراسات التي أجريت على الفئران إلى أن الإنزيم تيلوميراز يشارك أيضًا في إصلاح الكروموسومات ، حيث قد يحدث تخليق دي نوفو لتكرارات التيلومير عند حدوث فواصل مزدوجة الشريطة . وبدلاً من ذلك ، تم التعرف على متغيرا ت تشفر مصاوغات المختلفة للنسخة العكسية للإنزيم تيلوميراز ؛ و لم يتم تعيين تسلسل الطول بالكامل لبعض المتغيرات. يُعتقد أن التضفير البديل في هذا الموضع هو إحدى آليات تنظيم نشاط التيلوميراز. [7]

يتكون جين hTERT (إتش تيرت) ، الموجود على الكروموسوم 5 ، من 16 إكسونات و 15 إنترونًا تمتد على 35 كيلو قاعدة نووية. يشتمل المحفز الأساسي لـ إتش تيرت على 330 زوج قاعدي من موقع بدء الترجمة (AUG نظرًا لأنه RNA باستخدام الكلمتين "إكسون" و "إنترون") ، بالإضافة إلى 37 زوجًا قاعديا من إكسون 2 من جين إتش تيرت . [8] [9] [10] محفز إتش تيرت غني بـ GC ويفتقر إلى صناديق صندوق TATA وصندوق كات CAAT box ولكنه يحتوي على العديد من المواقع للعديد من عوامل النسخ ، مما يشير إلى مستوى عالٍ من التنظيم بواسطة عوامل متعددة في العديد من السياقات الخلوية. [8] تتضمن عوامل النسخ التي يمكن أن تنشط إتش تيرت العديد من الجينات المسرطنة (الجينات المسببة للسرطان) مثل c-Myc و Sp1 و HIF-1 و AP2 وغيرها ، في حين أن العديد من الجينات المثبطة للسرطان مثل p53 و WT1 و Menin تنتج عوامل تثبط نشاط إتش تيرت. [10] [11] شكل آخر من أشكال تنظيم بالإنقاص وتنظيم بالزيادة هو من خلال إزالة ميثيل الهستونات القريبة من منطقة المحفز ، مما يقلد الكثافة المنخفضة للهستونات ثلاثية الميثيل التي تظهر في الخلايا الجذعية الجنينية . [12] هذا يسمح بتوظيف هيستون أسيتيل ترانسفيراز HAT لفك التسلسل الذي يسمح بنسخ الجين. [11]

غالبًا ما يرتبط نقص التيلومير بالشيخوخة والسرطان وظروف خلل التقرن الخلقي ومتلازمة المواء. وفي الوقت نفسه ، غالبًا ما يرتبط الإفراط في التعبير عن أتش تيرت بالسرطانات وتشكيل الورم. [13] [14] [15] [16] يعد تنظيم إتش تيرت مهمًا للغاية للحفاظ على الخلايا الجذعية والسرطانية ويمكن استخدامه بطرق متعددة في مجال الطب التجديدي .

غالبًا ما يكون تنظيم إتش تيرت في الخلايا التي تنقسم بسرعة ، بما في ذلك الخلايا الجذعية الجنينية والخلايا الجذعية البالغة . [17] إنه يطيل تيلوميرات الخلايا الجذعية ، مما يؤدي إلى زيادة عمر الخلايا الجذعية عن طريق السماح بانقسام غير محدد دون تقصير التيلوميرات. لذلك فهي مسؤولة عن خصائص التجديد الذاتي للخلايا الجذعية. تم العثور على تيلوميراز ، على وجه التحديد لاستهداف التيلومير الأقصر على التيلومير الأطول ، وذلك بسبب الآليات التنظيمية المختلفة داخل الخلايا التي تقلل من تقارب التيلوميراز إلى التيلوميرات الأطول. يحافظ هذا التقارب التفضيلي على التوازن داخل الخلية بحيث تكون التيلوميرات بطول كافٍ لوظيفتها ومع ذلك ، في نفس الوقت ، لا تساهم في استطالة التيلومير الشاذة. [18]

غالبًا ما يستخدم التعبير العالي لــ إتش تيرت كمعلم لحالة تعدد القدرات وتعدد الإمكانات للخلايا الجذعية الجنينية والبالغة. تم اكتشاف إفراط في التعبير لــ إتش تيرت التي تعمل على تخليد أنواع معينة من الخلايا وكذلك نقل خصائص مختلفة مثيرة للاهتمام إلى خلايا جذعية مختلفة. [19] [20]

إذا كانت زيادة نشاط التيلوميراز مرتبطة بالورم الخبيث فإن علاجات السرطان المحتملة يمكن أن تتضمن تثبيط مكونه التحفيزي، إتش تيرت ، لتقليل نشاط الإنزيم والتسبب في موت الخلايا. [26]ونظرًا لأن الخلايا الجسدية الطبيعية لا تعبر عن تيرت ، فإن تثبيط التيلوميراز في الخلايا السرطانية يمكن أن يسبب الشيخوخة وموت الخلايا المبرمج دون التأثير على الخلايا البشرية الطبيعية.[27] لقد وجد أن الطفرات السلبية السائدة في إتش تيرت يمكن أن تقلل من نشاط التيلوميراز داخل الخلية. أدى هذا إلى موت الخلايا المبرمج وموت خلايا من الخلايا ذات أطوال التيلومير القصيرة، وهي نتيجة واعدة لعلاج السرطان. وعلى الرغم من أن الخلايا ذات التيلوميرات الطويلة لم تتعرض لموت الخلايا المبرمج إلا أنها طورت خصائصا مميتة وخضعت لتقصير التيلومير. تم أيضًا اكتشاف أن نشاط التيلوميراز يتم تثبيطه بواسطة المواد الكيميائية النباتية مثل الأيزوبرنويدات و الجينيستين و الكركمين وما إلى ذلك. تلعب هذه المواد الكيميائية دورًا في تثبيط مسار mTOR (إم تور) عبر التنظيم السفلي للفسفرة. يعد مسار إم تور مهمًا جدًا في تنظيم تخليق البروتين فهو يتفاعل مع التيلوميراز لزيادة تعبيره. تم العثور على العديد من المواد الكيميائية الأخرى التي تمنع نشاط التيلوميراز ويتم اختبارها حاليًا كخيارات علاجية سريرية محتملة مثل نظائرها النيوكليوسيدية ومشتقات حمض الريتينويك والمضادات الحيوية الكينولونية و مشتقات الكاتشين .[28] هناك أيضًا طرق جزيئية وراثية أخرى لتثبيط التيلوميراز، مثل العلاج المعكوس و تداخل الحمض النووي الريبوزي (الرنا) .[28] لقد ثبت أن أجزاء ببتيد إتش تيرت تحفز تفاعل الخلايا التائية القاتلة ضد الخلايا السرطانية الإيجابية للتيلوميراز في المختبر . ويتم التوسط في الاستجابة بالخلايا الجذعية التي يمكنها عرض المستضدات المرتبطة بـ إتش تيرت على مستقبلات MHC من الفئتين الأولى والثانية بعد انتقال الفيروس الغداني لبلازميد إتش تيرت إلى الخلايا الجذعية، التي تتوسط في استجابات الخلايا التائية . تصبح الخلايا الجذعية بعد ذلك قادرة على تقديم المستضدات المرتبطة بالتيلوميراز حتى في وجود كميات غير قابلة للاكتشاف من نشاط التيلوميراز، طالما أن البلازميد إنش تيرت موجود. ويــٌعتبر العلاج المناعي ضد الخلايا السرطانية الإيجابية للتيلوميراز مجالًا واعدًا في أبحاث السرطان والذي أثبت فعاليته في الدراسات المختبرية ونماذج الفئران.[29]

على الرغم من أن الآلية ليست مفهومة تمامًا، إلا أن تعرض الخلايا المكونة للدم التي تعاني من نقص تيرت للأندروجينات أدى إلى زيادة مستوى نشاط تيرت.[30] يمكن استعادة الخلايا التي تحتوي على طفرة تيرت متغايرة الزيجوت، مثل تلك الموجودة في مرضى DKC (خلل التقرن الخلقي)، والتي تظهر عادةً مستويات أساسية منخفضة من تيرت، إلى مستويات طبيعية مماثلة لخلايا التحكم. يتم أيضًا زيادة مستويات TERT mRNA مع التعرض للأندروجينات.[30] قد يصبح العلاج بالأندروجين طريقة مناسبة لعلاج أمراض الدورة الدموية مثل تنكس نخاع العظم وانخفاض عدد الدم المرتبط بـ DKC وغيرها من الحالات التي تعاني من نقص التيلوميراز.

الخلايا الجذعية المحفزة المستحثة (خلايا iPS) هي خلايا جسدية تمت إعادة برمجتها إلى حالة تشبه الخلايا الجذعية عن طريق إدخال أربعة عوامل (Oct3/4، وSox2، وKlf4، وc-Myc).[31] تتمتع الخلايا الجذعية متعددة القدرات بالقدرة على التجديد الذاتي إلى أجل غير مسمى والمساهمة في جميع الطبقات الجرثومية الثلاث عند زرعها في الكيسة الأريمية أو استخدامها في تكوين ورم مسخي.[31]

لم يكن التطوير المبكر لخطوط الخلايا الجذعية متعددة القدرات فعالا، حيث أنتج ما يصل إلى 5% من الخلايا الجسدية التي تمت إعادة برمجتها بنجاح إلى حالة تشبه الخلايا الجذعية.[32] باستخدام الخلايا الجسدية المخلدة (الخلايا المتمايزة مع تنظيم إتش تيرت)، تمت زيادة إعادة برمجة الخلايا الجذعية بمقدار عشرين ضعفًا مقارنة بإعادة البرمجة باستخدام الخلايا البشرية.[32]

تم استخدام إعادة تنشيط إتش تيرت، وبالتالي التيلوميراز، في خلايا iPS البشرية كمؤشر على تعدد القدرات وإعادة البرمجة إلى حالة تشبه الخلايا ES (الجذع الجنيني) عند استخدام الخلايا البشرية. تدخل الخلايا المعاد برمجتها والتي لا تعبر عن مستويات كافية من إتش تيرت إلى حالة هادئة بعد عدد من التكرارات اعتمادًا على طول التيلوميرات مع الحفاظ على القدرات الشبيهة بالخلايا الجذعية على التمايز.[32] يمكن تحقيق إعادة تنشيط نشاط تيرت باستخدام ثلاثة فقط من عوامل إعادة البرمجة الأربعة التي وصفها تاكاهاشي وياماناكا: على وجه التحديد، فإن Oct3/4 وSox2 وKlf4 ضرورية، في حين أن c-Myc ليست كذلك. ومع ذلك، تم إجراء هذه الدراسة على الخلايا التي تحتوي على مستويات داخلية من c-Myc والتي قد تكون كافية لإعادة البرمجة.

يطول طول التيلومير في الخلايا البالغة السليمة ويكتسب خصائص لاجينية مشابهة لتلك الموجودة في الخلايا الجذعية الجنينية عند إعادة برمجتها كخلايا iPS. تتضمن بعض الخصائص اللاجينية للخلايا الجذعية الجنينية كثافة منخفضة من الهستونات ثلاثية الميثيل H3K9 وH4K20 في التيلوميرات، بالإضافة إلى زيادة كمية يمكن اكتشافها من نسخ TERT ونشاط البروتين. وبدون استعادة تيرت وبروتينات التيلوميراز المرتبطة به، ستنخفض كفاءة الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات بشكل كبير. كما ستفقد الخلايا الجذعية المحفزة القدرة على التجديد الذاتي وستصاب بالشيخوخة في نهاية المطاف.[16]

يتميز مرضى DKC (خلل التقرن الخلقي) جميعًا بالصيانة المعيبة للتيلوميرات مما يؤدي إلى مشاكل في تجديد الخلايا الجذعية. [17] تُظهر الخلايا الجذعية المستمدة من مرضى DKC الذين لديهم طفرة متغايرة الزيجوت في جين تيرت انخفاضًا بنسبة 50% في نشاط التيلوميراز مقارنة بخلايا iPS من النوع البري.[38] على العكس من ذلك، يمكن التغلب على الطفرات في جين TERC (جزء رنا من مجمع التيلوميراز) عن طريق التنظيم الأعلى بسبب إعادة البرمجة طالما أن جين إتش تيرت سليم وفعال.[39] وأخيرًا، لا يمكن لخلايا iPS المولدة بخلايا DKC مع جين الديسكيرين المتحور (DKC1) تجميع مركب hTERT/RNA وبالتالي لا تحتوي على تيلوميراز وظيفي.[33]

يتم تحديد وظيفة وكفاءة خلية iPS المعاد برمجتها من خلال قدرة الخلية على إعادة تنشيط مركب التيلوميراز وإطالة التيلوميرات الخاصة بها مما يسمح بالتجديد الذاتي. يعد إتش تيرت أحد المكونات الرئيسية المقيدة لمركب التيلوميراز ونقص إتش تيرت السليم يعيق نشاط التيلوميراز، مما يجعل خلايا iPS مسارًا غير مناسب نحو علاج الاضطرابات التي تعاني من نقص التيلومير.[33]

مع تقدم عمر الكائنات الحية وتكاثر الخلايا، تقصر التيلوميرات مع كل جولة من التكاثر. الخلايا المقيدة بسلالة محددة قادرة على الانقسام فقط لعدد محدد من المرات، يحدده طول التيلوميرات، قبل أن تشيخ.[34] تم ربط استنفاد التيلوميرات وعدم تغطيتها بانحطاط الأعضاء وفشلها وتليفها بسبب أن الأسلاف أصبحت هادئة وغير قادرة على التفريق. باستخدام نموذج فأر يعاني من نقص TERT في الجسم الحي، تم إعادة تنشيط جين TERT في مجموعات سكانية هادئة في أعضاء متعددة، مما أدى إلى إعادة تنشيط التيلوميراز واستعادة قدرة الخلايا على التمايز.[35] إعادة تنشيط TERT ينظم إشارات تلف الحمض النووي المرتبطة بنقاط التفتيش الانقسامية الخلوية مما يسمح بالانتشار والقضاء على النمط الظاهري التنكسي. وفي دراسة أخرى، أدى إدخال جين TERT في فئران سليمة تبلغ من العمر عامًا واحدًا باستخدام فيروس مرتبط هندسيًا إلى زيادة العمر بنسبة 24%، دون أي زيادة في الإصابة بالسرطان.[36]

من المفارقة أن المتغيرات الجينية في موضع TERT، والتي ترتبط بطول تيلومير الكريات البيض الأطول، ترتبط بمعدلات شيخوخة لاجينية أسرع في الدم وفقًا للمؤشر الحيوي الجزيئي للشيخوخة المعروف باسم الساعة اللاجينية.[37] وبالمثل، فإن تعبير TERT البشري لم يوقف الشيخوخة اللاجينية في الخلايا الليفية البشرية.[37]

صبح جين hTERT محور التركيز الرئيسي للعلاج الجيني الذي يشمل السرطان بسبب ظهوره في الخلايا السرطانية ولكن ليس في الخلايا الجسدية البالغة.[38] إحدى الطرق هي منع ترجمة hTERT mRNA من خلال إدخال siRNA، وهي تسلسلات تكميلية ترتبط بالرنا المرسال وتمنع معالجة النسخ اللاحق للجين.[39] هذه الطريقة لا تقضي على نشاط التيلوميراز، لكنها تقلل من نشاط التيلوميراز ومستويات hTERT mRNA التي تظهر في السيتوبلازم. شوهدت معدلات نجاح أعلى في المختبر عند الجمع بين استخدام تسلسلات hTERT المضادة للفيروس مع إدخال البلازميد المثبط للورم عن طريق عدوى الفيروس الغدي مثل PTEN.[40]

هناك طريقة أخرى تمت دراستها وهي التلاعب بمروج hTERT للحث على موت الخلايا المبرمج في الخلايا السرطانية. يمكن تصنيع تسلسلات الحمض النووي البلازميد باستخدام مروج hTERT متبوعًا بترميز الجينات لبروتينات معينة. يمكن أن يكون البروتين سامًا أو عامل موت الخلايا المبرمج أو بروتينًا فيروسيًا. تتداخل السموم مثل ذيفان الخناق مع العمليات الخلوية وتؤدي في النهاية إلى موت الخلايا المبرمج.[38] يمكن استخدام عوامل موت الخلايا المبرمج مثل FADD (البروتين المرتبط بفاس مع مجال الموت) لإجبار الخلايا التي تعبر عن hTERT على الخضوع لموت الخلايا المبرمج.[48] يمكن استخدام البروتينات الفيروسية مثل ثيميدين كيناز الفيروسي لاستهداف محدد للدواء.[41] من خلال إدخال دواء أولي يتم تنشيطه بواسطة الإنزيم الفيروسي فقط، يمكن تحقيق استهداف محدد للخلايا التي تعبر عن hTERT.[41] باستخدام محفز hTERT، ستتأثر فقط الخلايا التي تعبر عن hTERT وهذا يسمح باستهداف محدد للخلايا السرطانية. .[38][41][42]

وبصرف النظر عن علاجات السرطان، فقد تم استخدام جين hTERT لتعزيز نمو بصيلات الشعر.[43] يتم عرض الرسوم المتحركة التخطيطية للعلاج الجيني على النحو التالي

HTERT Final gif

لقد ثبت أن إنزيم التيلوميراز المنتسخ العكسي يتفاعل مع:

• HSP90AA1,[44][45]
• Ku70,[46]
• Ku80,[46]
• MCRS1,[47]
• Nucleolin,[48]
• PINX1,[49] and
• YWHAQ.[50]
• PAWR[51]