テロメア長とテロメラーゼ活性、細胞の老化の陰陽

Summary

、正確な短い、洗練された安価な方法は、定量RT-PCRを使用して、複数の組織や種のテロメアの長さを評価することが記載されている。また、テロメアの長さのために相補的なバックボーン試験としてテロメラーゼ活性を評価するための簡単​​なアッセイについて説明する。

Abstract

テロメアは、先端にDNA配列を繰り返している長さおよび人間が15,000塩基対の長さに達することができるで多様である染色体終了する。テロメアは、それぞれの細胞分裂における染色体の消耗のbioprotectiveメカニズムとして機能します。一定の長さでは、テロメアは、染色体の不安定性や細胞死につながる可能性があり、プロセスの複製を可能にするには余りにも短くなる。摩滅および伸び：テロメアの長さは、2つの対向する機構によって調節される。それぞれの細胞が分裂するように消耗が発生します。対照的に、伸びは染色体の末端に繰り返し配列を付加する酵素テロメラーゼによって部分的に変調される。この方法では、テロメラーゼは、おそらくエージングメカニズムを逆転し、細胞生存率を活性化させることができる。これらは、電池寿命を維持する上で不可欠な要素であり、細胞の老化を評価するために使用される。本稿で我々は、複数の組織ではテロメアの長さを評価するため、正確な短い、洗練された安価な方法を説明するsと種。この方法は、2つの主要な要素、テロメア配列のタンデムリピート及び試験した試料の差コピー数を検出する定量RT-PCRの感度を利用しています。また、テロメアの長さのために相補的なバックボーン試験としてテロメラーゼ活性を評価するための簡単​​なアッセイについて説明する。

Introduction

テロメアは染色体の末端にあり、DNA量体（TTAGGG）のシーケンスを繰り返している。各セルの複製では、これらの染色体の端部が短くなる。彼らはあまりにも短くなった場合、染色体テロメア末端融合、異常再結合、および劣化を受けることができる。したがって、十分なテロメア長の維持は、染色体の安定性および細胞保護³⁸において主要な役割を果たしている。 DNA複製が染色体^1-2の非常に最後まで続けることができないため、テロメアの長さのメンテナンスは、染色体の末端の近くで見つけた遺伝子のためにも重要です。これにより、テロメアの短縮の防止は、細胞の安定性を改善することができる。

多くの研究では、テロメアの長さは、このような^3-4癌、糖尿病^5、および心血管疾患^6,7のように、生物の寿命や病気の状態と相関していることを報告している。さらに、短縮テロメアは過度のストレスやと関連しているおそらく時期尚早細胞老化と死^9を促進することにより不健康なライフスタイル^8、。一方、いくつかの研究は、疾患^{39、40、41に}関連テロメアの長さと寿命と年齢との間に有意差がないことを見出した。

テロメアの短縮からの保護の細胞の生来のメカニズムの一つは、独自の酵素テロメラーゼ逆転写酵素（TERT）を活性化することによるものである。この酵素とそのサブユニット、テロメラーゼRNA（TERC）、非コードRNA、染色体へのテロメア反復を追加するためのテンプレートとしてテロメアを使うには^、10を終了します。テロメラーゼ活性は、細胞やその他のメカニズムのいくつかのタイプには存在しないが、テロメア長の維持に関与している、テロメラーゼ活性の増加は、テロメアの長さの増加と相関している。テロメラーゼ活性化は、細胞が損傷やストレスに応答し、早期老化および死を回避するメカニズムの一つとして確立されている。例えば、長いテlomeresは例外的な寿命¹¹とアシュケナジユダヤ人集団において実証された、TERCまたはTERTにおける突然変異は、加齢に伴う疾患¹³に影響を及ぼすことが示されている致命的な疾患^12、及びテロメラーゼのエピジェネティック制御に寄与することが示されている。その発見以来、テロメアの長さは、様々な動物モデルで同様にヒトの健康状態のためのバイオマーカーとして提案されているが、使用方法は、退屈な長いと高価だったので、これらの初期の研究は広く再現することは困難であったされています。 2002年と、さらに2009年にはチューニングでは、Cawthonが提案とテロメアの長さを評価し、さらに老化や病気^19、細胞生物学の様々な側面での役割を調査するための新しい、正確、迅速かつ簡単PCRベースのプロトコルを示した。

研究のために正しいテロメア測定方法を選択することが不可欠です。現在、テロメアの長さを測定するために使用される様々な方法が、それぞれに独自のがあります長所と短所。 ：伝統的に、テロメアの長さを含む末端制限断片（TRFs）のサザンブロット分析を用いて測定される。 B、​​TRFsを得るためにテロメア繰り返しでカットしない制限酵素でDNAを消化。これらTRFsのサザンブロットは、テロメアプローブ^14、37を使用して、平均TRFの長さを決定することによって行われます。この方法は、変動係数が小さいと非常に正確であるが、直接の尺度であり、長さ分布を測定するために有利であり得る、TRF分析は、高価で労働集約的であり、DNAの少なくとも3μgのを必要とする。この方法は、短いテロメアと長さの決定に鈍感であること（TTAGGG）nは、彼らは^15、42が含まれているシーケンスのような原因で、プローブにより検出することができサブテロメアDNAによって混乱することができます。

テロメアの長さを測定する際、別の非常に正確な方法は、シングルテロメア伸長の長さの分析（STELA）、SINGLですDNAのみの少量を必要とする電子分子PCRに基づく方法。この方法では、プライマーは、染色体の末端にG-リッチオーバーハングを認識し、特定の染色体のテロメアを増幅1染色体上に独特なテロメア配列に結合するようになされる。得られた増幅は、その後、サザンブロットによって可視化される。この方法は、非常に正確であるという利点を有しており、短いテロメア¹⁶外れ値^を検出すること^ができる。すべてではない染色体がG-豊富な端を持っていると使用可能なサブテロメアシーケンス以来、残念ながら、テロメアの長さは、特定の染色体上に測定することができ、これらの測定は、セル¹⁵内のすべてのテロメアの長さを表していない可能性があります。

行われている別の方法は、テロメアの長さを検出するペプチド核酸（PNA）プローブの使用である。 in situハイブリダイゼーションの定量蛍光（Q-FISH）は、私たちがST中期、時のテロメアを視覚化することができますその大きさに比例してPNAプローブとテロメアのaining、特定の染色体間のテロメアの比較を可能にします。この方法はまた間期における細胞のために使用することができるが、ここに明確な染色体のテロメアの長さのために^、17老化又はまれに分裂細胞のテロメアの長さを測定する際の制限を導入し、これを検出することができない。フローFISHはなく、フローサイトメトリーを使用しており、現在は臨床の現場で血液細胞のテロメアの長さを測定するための最も感度の高い方法ですが、高度に熟練した技術者が¹⁸必要です。

現在、私たちの研究室で平均テロメアの長さを測定するための標準的な方法は、精度の感度を活用し、定量リアルタイムPCRやす。この方法は、他のように製造されたであろうプライマーダイマーに由来する生成物の合成を回避する新規なプライマーの開発によってテロメアの長さを測定するために可能になったテロメアの繰り返し性質に起因tandardアッセイ。このアッセイのために、テロメア長の測​​定は、単一コピー遺伝子数にT / S比は、テロメアリピートコピー数で表される。 PCRの開始段階でテロメアの長さとDNAに結合する標識されたテロメアプライマーの数との間の直接的な比例関係があるので、T / S比は、テロメアの長さに正比例する。 T / S比は、Ctは、試料を蛍光はテロメアプライマーおよびプライマーSCG ¹⁹と試料との間に、ベースライン蛍光上記のいくつかの標準偏差であるしきい値を超えて蓄積れる小数サイクル数の差を比較することによって測定される。この方法は、染色体の重複またはコピー数の変化¹⁵の場合には、不正確な測定につながる可能性テロメアの長さの、その間接的な測定は、例えばのために批判されている。また、研究間の比較では、多くの場合、ジですfficultが、標準的なオリゴマーは、絶対的なテロメアの長さ^20を測定するために開発されてきた。この方法は、モノクロマルチプレックス定量PCRアッセイを用いて、Cawthonによって時改善進めたた。このアッセイでは、PCRは、プライマー二量体の結合を避けるために、最初の数サイクルの間、より低い温度で実行され、テロメア及び制御遺伝子がさらにエラーを回避するために同一のPCRチューブ中で分析した。得られたテロメア長の測定は非常TRFsのサザンブロット分析によって測定テロメアの長さと相関し、より高精度^{15、19、36で}あった。現時点では、定量RT-PCRは、大きなサンプルサイズをテストするために使用できる唯一の​​便利な方法であり、唯一の遂行するために少量のDNAを必要とします。この方法の重要な部分は、それが正しく行われている場合に、この方法は、テロメアの長さに関する貴重な比較情報を提供することができるように、包括的な品質管理対策である。さらに、この方法は、測定用白血球を超えての使用に適合された異なる組織の様々な⁴²でテロメアの長さ。

さらに、さらにテロメア長の維持と対向する2つの効果（テロメラーゼ酵素による複製および伸長の間すなわちテロメア短縮）との間の相互作用の背後にある生物学を理解するために、私たちは、テロメラーゼ活性を測定し、追加のアッセイとテロメアの長さの方法を伴う。

この目的のために、我々は、テロメアリピート増幅プロトコールにおいて、in vitroアッセイを使用した。簡単に言えば、溶解、保存、酵素的に活性な細胞がテロメラーゼを用いたオリゴヌクレオチドを​​基板上にテロメア反復を合成し、製品はSYBRグリーンの存在下でPCRを用いて増幅した。結果は、試料および対照のCtのしきい値を比較することによって分析した。テロメラーゼは、熱に敏感な酵素であるため、追加の熱制御治療を各試料²¹と一緒に実行されます。

<p class="jove_content">テロメアの長さを測定すると、老化や疾患の病態生理におけるテロメア長の可能な役割に貴重な洞察を提供することができますが、テロメアの長さは、静的プロパティではなく、多くの情報がテロメアの機能を理解するのに必要です。テロメラーゼ活性の研究は、テロメア長の調節機構に関する情報を追加することができる。例えば、テロメラーゼの活性化が制御されたテロメアの長さと細胞増殖を維持することができるが、テロメラーゼの制御されない活性化は、癌になる可能性があります。組み合わせたこれら二つの安価で、まっすぐ進む方法はテロメアの長さと細胞の安定性との関係に向けた強力な証拠はなく、テロメアの短縮と復旧の可能なメカニズムにさらなる洞察力だけではなく私たちを提供した。これらの方法で、私たちはさらに、中央mechanisのより良い理解の究極の目標で老化や細胞増殖のさまざまな状態への細胞の応答を解明したいと考えて細胞生物学のMS。

Protocol

1。テロメアの長さプロトコル19 DNA単離法ほとんどのDNAの単離方法を用いることができる。私たちの研究室は、血液ソースのキアゲンDNeasyキット（＃69506）を好む。例えば口腔または他のソースとして、DNAの供給源に応じて、異なる分離法を用いることができる。 プライマー： 必要になるまで全てのプライマ…

Representative Results

テロメアの長さ定量RT-PCRアッセイの例を図1に示されている。左上のパネルで、赤と緑でラベルサンプルは、96ウェルプレート上でテストされた被写体の位置を表しています。右上のパネルでは、増幅曲線が示されています。各被験者は、三重で行われる2つのアッセイ（テロメアとシングルコピー遺伝子）によってテストされています。選択された個体の2つのアッセイで製造異な…

Discussion

テロメアの長さはストレスや老化細胞を研究するためのユニークな細胞のマーカーを提供し、老化のメカニズムについての洞察を提供しています。高齢化におけるその役割が最初に示唆されていたので、研究の多くは、年齢にテロメアの長さ、長寿、加齢に伴う疾患、癌、ストレスに関連行われている。何十年もの間、テロメアの長さ測定のゴールドスタンダードは、サザンハイブリダイゼ?…

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number
Quantitative Telomerase Detection	Allied Biotech	MT3012
Qiagen DNeasy Kit	Qiagen	69506
LightCycler 480 SYBR Green I Master, Ready-to-use hot start reaction mix for SYBR Green I-based real-time PCR using the LightCycler 480 Instrument	Roche Diagnostics	4707516