テロメラーゼ

テロメラーゼ (: telomerase) は、真核生物染色体末端(テロメア)の特異的反復配列を伸長させる酵素細胞分裂の後に短くなるテロメアを伸長させる機能を持ち、その伸長のときのテンプレート(鋳型)を含むRNA分子と逆転写酵素活性を持つタンパク質およびその他の制御ユニットによって構成されている[1][2][3][4][5]

酵素によりテロメアが伸長されることは、1973年にアレクセイ・オロヴニコフ (Alexey Olovnikovによって最初に予測された[6]。彼はまた細胞老化に関するテロメア仮説およびガンとテロメアの関連について示唆を行った。この酵素をテトラヒメナから最初に単離したのは、カリフォルニア大学キャロル・W・グライダーエリザベス・H・ブラックバーン1984年)である[7]。グライダーとブラックバーンはジャック・W・ショスタクと共に、この発見で2009年ノーベル生理学・医学賞を受賞した[8][9]。彼らの研究内容にはテロメラーゼがレトロウイルスに起源するという例証が含まれている[10]

概要

構造と機能

テロメラーゼはテロメア配列の鋳型となるRNA逆転写酵素、その他の制御ユニットからなる複合体である[1]。RNA要素はTERC (Telomere RNA Component[3]、逆転写酵素はTERT (Telomere Reverse Transcriptase[2]と呼ばれる。このRNAの長さはテトラヒメナで159塩基長、哺乳類で450塩基長、出芽酵母で1,300塩基長と様々である。逆転写酵素の活性部位はRNA型トランスポゾンがコードするそれと相同性がある。過剰発現の実験から、テロメラーゼ活性自体はRNAと逆転写酵素の二つの構成因子で十分であることがわかっている[1]が、テロメラーゼは生体内において巨大な複合体 (1MDa以上) を形成しており、正常な機能には他の構成因子も必要である。テロメラーゼ自体もテロメアの維持に機能すると考えられている。

ヒトのテロメラーゼは、TERT、TERC、ジスケリン (dyskerin[4]それぞれ2分子を含む構成であることが2007年に明らかにされた[11]。2種類のタンパク質サブユニットゲノム中の2つの異なる遺伝子にコードされている。ヒトTERT遺伝子のコード領域は3396bpであり、1131アミノ酸タンパク質翻訳される。TERT翻訳産物は、非翻訳RNAのままであるTERC(451塩基長)と一緒に折りたたまれる。TERTは一本鎖テロメア反復配列を付加できるように染色体の周囲を覆う二股の構造をとる。TERTとテロメアの鋳型を含むTERCは隣接している。

コクヌストモドキ (Tribolium castaneum TERTのタンパク質構造の詳細な解析が、2008年に行われた[12]。このTERTは4つの保存されたドメイン(TRBD[13], fingers, palm, thumb)からなるタンパク質であり、レトロウイルスの逆転写酵素・ウイルスのRNAポリメラーゼバクテリオファージDNAポリメラーゼ(ファミリーB)と共通の特徴を持つ環状構造をとっている。

ヒトTERCでは鋳型配列領域は 3'-CAAUCCCAAUC-5'であり、これを元にTERTはテロメアの3'側へ塩基を付加する(脊椎動物では6塩基配列5'-TTAGGG-3'(GGTTAG)を付加するが、他の生物では別の配列)[14]。テロメラーゼは、この塩基付加を繰り返し、染色体のテロメアの伸長を行う。

発現

テロメアおよびテロメラーゼの分子機構に関する実験には均一な細胞群を用いることが求められるため、主に出芽酵母やテトラヒメナといった単細胞生物、および哺乳類では培養細胞を用いて研究が行われている。

テロメラーゼは細胞周期のS期(DNA合成期)にテロメアに誘導されて機能する。出芽酵母の研究では、テロメラーゼは細胞内で最も短いテロメアから優先的に伸長させていくことがわかりつつあり、長すぎるテロメアには抑制的に働く機構が見いだされている。

テロメラーゼの発現については、生物組織・細胞の種類によって異なることが知られている。真核単細胞生物は例外なくテロメラーゼ活性を持ち、真核多細胞生物では生殖細胞にはテロメラーゼ活性があるが体細胞での発現はさまざまである[1]植物においては調べられたほとんどの体細胞でテロメラーゼ活性があり、このことが株分けなど栄養生殖でほぼ無限に増殖できる不死性を持つ一因になっていると考えられている。ヒトでは生殖細胞・幹細胞以外での発現がほとんど見られないが、同じ脊椎動物でも魚類マウスチンパンジーでは体細胞でのテロメラーゼ活性が観察されている[1]

ヒトでのテロメラーゼ構成要素の発現をみると、RNA要素TERCは体細胞でも発現しており、酵素活性は触媒ユニットTERTの発現で調節されている[15]。ヒト培養細胞でゲノム中のTERTを強制発現をさせることは困難であるが、人為的に別のプロモーターを付加したTERTを導入することにより細胞の不死化を行うことができる。ヒトのガン組織の多くではテロメラーゼが大量に存在しており、ガン細胞の不死化の原因の一つと考えられている[15](一部のガン組織はテロメラーゼ陰性[16])。また、生殖細胞は個体を超えて世代を継続させる一種の不死性を持つが、テロメラーゼが恒常的に発現していることがその一因となっている。

臨床関連

en:Telomerase 2009年11月24日 16:55(UTC) より翻訳(一部コメントアウト中)追加

老化

酵素テロメラーゼは、細胞が体細胞分裂の過程で失われるテロメアとして知られている短い部分のDNAを補う。

通常の状況では、テロメラーゼが存在しない時、細胞が繰り返し分裂を行うならば、数回の内に全ての子孫細胞はヘイフリック限界[17][18][19] (Hayflick limitに到達する(細胞老化を参照)。テロメアーゼが存在する時は、分裂細胞は失われるDNAを補うことができ、無限に分裂することができるようになる。この無限成長特性は多くの研究者を興奮させたが、この同じ無限成長はまさにガンの成長を可能とする重要なステップであるといった、この特性を利用する際には注意が必要とされる。

胚性幹細胞(ES細胞)はテロメラーゼを発現し、その発現はES細胞が繰り返し分裂して個体を形成することを可能としている。成体において、大部分の体細胞は細胞周期に依存した方法で非常に低いレベルのみで発現しているが、免疫系といった規則的に分裂する必要がある細胞においては高いレベルで発現している[要出典]

さまざまな早期老化症候群はテロメア短縮と関連している[20]。それらには ウェルナー症候群毛細血管拡張性運動失調症 (Ataxia telangiectasiaブルーム症候群 (Bloom syndromeファンコニー貧血症 (Fanconi anemiaナイミーヘン症候群 (Nijmegen breakage syndromeおよび毛細血管拡張性運動失調様の障害を含む。

これらの疾患で変異したすべての遺伝子にはDNA修復での役割があり、テロメア長の維持におけるそれら遺伝子の正確な役割について活発な研究が行われている。通常の老化過程に対してテロメア短縮の何が影響しているのかが現在知られていないが、一般的なDNAおよびテロメア特異的なDNAの維持についての研究が注目領域となりつつある。マイケル・フォッセルは、テロメラーゼに関連した療法がガンとの戦いのみで使われるだけではなく、ヒトの老化を実際に回避して寿命を有意に延長させることにも使われる可能性を示唆した[21]

いくつかの実験はテロメラーゼが老化防止医療(アンチエイジング)に使えるかどうかに疑問を提起してきている。つまり、それは高濃度テロメラーゼを持つマウスが、高いガン発症率を持つがゆえに長く生存できないという事実である。加えて、特定の早期老化症候群はテロメア短縮と関係しているが、テロメラーゼ活性が低いマウスが(必ずしも)早期老化症候群に罹患するようには見えない。

テロメラーゼはまた腫瘍形成を促進し、老化防止医療としてのその潜在能力に疑問を導く[22]。他方ある研究では、ガンになり難いマウスにおいて触媒サブユニットの過剰発現によるテロメアーゼ活性化が寿命を延ばすことを示された[23] 。テロメラーゼ活性化因子が、ガン成長に寄与する可能性は残っている。


ガン

細胞が培養においてヘイフリック限界に近づくとき、P53遺伝子Rb遺伝子といったガン抑制タンパク質の不活性化によって老化までの時間を伸ばすことができる[要出典]。培養中の細胞の大部分が死ぬとき、非常に変異した細胞は結局、「危機」と呼ばれるイベントがおきる。それら細胞が危機に達するとき、細胞は時として分裂を停止しない。典型的状況ではテロメアが失われ[要出典]、以降の各細胞分裂で染色体の健全性が減少する。(危機に)さらされた染色体端は、DNAの二本鎖切断末端(DSB)と解釈される;そのような損害は、通常、壊れた末端どうしを再結合(再ライゲーション)することによって修復される。細胞がテロメア-短縮のためにこれをするとき、異なる染色体の端は一緒に付けられることができる。これは、一時的にテロメアが不足している問題を解決する。しかし、細胞分裂の分裂後期に融合した染色体はランダムに娘細胞へ分配され、多くの突然変異と染色体異常の原因となる。このプロセスが続くことによって、細胞のゲノムは不安定になる。結局、(プログラム細胞死アポトーシスを通して)細胞が死ぬような細胞の染色体へのどちらにしても充分な損傷がおきるか、テロメラーゼを活性化する更なる突然変異が起こる[要出典]

ある種の細胞とその子孫細胞はテロメラーゼの活性化によって不死となり、すなわち何回も細胞分裂を行っても(ヘイフリック限界を回避して)それらの細胞の染色体は不安定にならず、複製の条件が適合する限り細胞死を逃れる。テロメラーゼ活性によって実質的に永遠に細胞分裂できるので、多くのガン細胞は「不死である」と考えられており、これがガン細胞が腫瘍を形成することができる理由である。ガン細胞の不死性の良い例が、ヒーラ細胞であり、1951年以来モデル培養細胞株として研究所で使われてきた。ヒーラ細胞はまさに不死であり、1日当たりの増殖量は数トンであると推定されている[要出典]

細胞培養においてヒトのガンをモデル化するこの方法が効果的であり、科学者によって長年使われてきたが、非常に不正確な面もある。上記の実験で腫瘍形成性のクローンの確立(の影響)を考慮に入れた正確な変化は、明白でない。種々のヒトのガンへ数回の突然変異を連続導入することにより、科学者はその後にこの疑問について解決を図ることができた。いろいろな細胞タイプにおいて、腫瘍形成性の細胞株の確立に十分である突然変異のいくつかの組合せの説明を、この研究はもたらした。

細胞タイプより(突然変異の)組合せは変化したが、以下の変更が必要とされるということが一般的であった:TERTの活性化、p53経路機能の消失、pRb経路機能の消失、Rasまたはmyc原癌遺伝子の活性化とPP2Aタンパク質リン酸化酵素の異常[要出典]。すなわち、細胞は活性化されたテロメラーゼを持っており、染色体の不安定性または消失による死の過程、アポトーシスを誘導する経路を失っており、体細胞分裂の活性化が続く。

細胞培養によるガンのこのモデルは、実際のヒトの腫瘍で正確にテロメラーゼの役割を表現する。テロメラーゼ活性化はすべてのヒトの腫瘍の上限90%程度で観察され、テロメラーゼによって与えられる不死がガンの進行で鍵となる役割を演ずることを示唆した[要出典]。TERTを活性化させなかった腫瘍のうち[24]、ほとんどはALT(Alternative Lengthening of Telomeres)と呼ばれるテロメア長を維持する別の経路が見出されている[25]。ALT経路によるテロメア維持の背景となる正確なメカニズムは、説明がなされていないが、テロメアでの複数の組み換えイベントをたぶん含んでいる。


他のヒトの疾患での役割

TERTの突然変異は、再生不良性貧血骨髄が血球を生産することができない疾患)になり易い患者に関係していることが示されてきた[26]

猫鳴き症候群 (Cri du chat Syndrome,CdCSは、5番染色体短腕の末端部分の欠損を含んでいる複雑な障害である。TERTは欠損領域(5p)にあり、TERTの1つのコピーの欠損はこの疾患の原因または関与要因として示唆されてきた[27]

先天性角化異常症 (dyskeratosis congenita, DCは、テロメラーゼRNAサブユニットTERCのある突然変異によって引き起こされる可能性がある骨髄の疾患である。TERCの突然変異は全ての症例の中で5%だけに関与しており、この変異でDCがおきるときには常染色体の優性疾患として遺伝する。遺伝子ジスケリン(DKC1)の突然変異は、DCの症例のおよそ35%を占め、この場合、遺伝パターンはX染色体に連鎖している劣性である。

DC患者は、いろいろな他の徴候だけでなく、異常な網状皮膚色素沈着、白板症(口腔粘膜の白い肥厚)と爪の発育異常として現れるひどい骨髄不全を示す。TERCまたはDKC1どちらの突然変異をもつ個人でも、同じ年齢のほかの人よりも短いテロメアと欠陥のあるテロメラーゼ活性を示す[28]

常染色体優性のDCがTERTでのヘテロ接合型突然変異に連鎖している一つの家系も存在している[29]。この患者たちはテロメア短縮の率の増加および発症する年齢の低下現象(表現促進)が見られた(すなわち、DC表現型は、各々の世代で悪化した)。


引用文献

  1. ^ a b c d e 井出利憲(2006年)「細胞増殖のしくみ—細胞周期,癌遺伝子,細胞老化—」YAKUGAKU ZASSHI, 126 (11): pp.1103-1104.
  2. ^ a b Jabion TERT
  3. ^ a b Jabion TERC
  4. ^ a b Jabion DKC1
  5. ^ Jabion TEP1
  6. ^ Olovnikov AM (1973 Sep 14). “A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon”. J Theor Biol. 41 (1): 181-90. doi:10.1016/0022-5193(73)90198-7. PMID 4754905. 
  7. ^ Greider, C.W. & Blackburn, E.H. (1985). “Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts”. Cell 43 (2 Pt 1): 405–413. doi:10.1016/0092-8674(85)90170-9. PMID 3907856. 
  8. ^ AFPBB News(2009年10月06日フランス通信社発信ニュース)「ノーベル医学賞、寿命をつかさどるテロメアとテロメラーゼ酵素とは?
  9. ^ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009
  10. ^ Witzany, G. (2008). “The Viral Origins of Telomeres and Telomerases and their Important Role in Eukaryogenesis and Genome Maintenance”. Biosemiotics 1: 191–206. doi:10.1007/s12304-008-9018-0. 
  11. ^ Cohen S, Graham M, Lovrecz G, Bache N, Robinson P, Reddel R (2007). “Protein composition of catalytically active human telomerase from immortal cells”. Science 315 (5820): 1850–3. doi:10.1126/science.1138596. PMID 17395830. 
  12. ^ Gillis, A. J.; Schuller, A. P. & Skordalakes, E. (2008), “Structure of the Tribolium castaneum telomerase catalytic subunit TERT”, Nature 455 (7213): 633–7, doi:10.1038/nature07283, PMID 18758444 
  13. ^ Rouda S, Skordalakes E. (2007), “Structure of the RNA-binding domain of telomerase: implications for RNA recognition and binding”, Structure 15 (11): 1403-12, PMID 17997966, http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6VSR-4R46KGV-F&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&_docanchor=&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=7de39bd118fa2aa3ed37d58be3095f6b 
  14. ^ Gavory G, Farrow M, Balasubramanian S (2002). “Minimum length requirement of the alignment domain of human telomerase RNA to sustain catalytic activity in vitro”. Nucleic Acids Res. 30 (20): 4470-80. PMID 12384594. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC137139/?tool=pubmed. 
  15. ^ a b 井出(2006), pp.1105-1109.
  16. ^ 井出(2006), p.1110.
  17. ^ Hayflick L, Moorhead PS (1961). “The serial cultivation of human diploid cell strains”. Exp Cell Res 25: 585-621. PMID 13905659. 
  18. ^ 東京都老人総合研究所ヒト胎児肺線維芽細胞(ヘイフリックモデル)
  19. ^ GEヘルスケア・ジャパン株式会社「バイオダイレクトメール vol.40 細胞夜話WI細胞~Hayflick Limit発見の立役者
  20. ^ Blasco MA. "Telomeres and human disease: aging, cancer, and beyond." Nat Rev Genet. 2005 Aug; 6(8):611-22. PMID 16136653
  21. ^ Fossel M (1998 Jun 3). “Telomerase and the aging cell: implications for human health”. JAMA 279 (21): 1732-5. PMID 9624027. 
  22. ^ de Magalhaes JP, Toussain O. "Telomeres and telomerase: a modern fountain of youth?" Rejuvenation Res. 2004 Summer; 7(2):126-33 PMID 15312299
  23. ^ Tomás-Loba A, Flores I, Fernández-Marcos PJ, Cayuela ML, Maraver A, Tejera A, Borrás C, Matheu A, Klatt P, Flores JM, Viña J, Serrano M, Blasco MA. "Telomerase reverse transcriptase delays aging in cancer-resistant mice." Cell. 2008 Nov 14;135(4):609-22 PMID 19013273
  24. ^ Bryan TM, Englezou A, Gupta J, Bacchetti S, Reddel RR. (1995). "Telomere elongation in immortal human cells without detectable telomerase activity." EMBO J. 14(17):4240-8. PMID 7556065
  25. ^ Henson JD, Neumann AA, Yeager TR, Reddel RR (2002). “Alternative lengthening of telomeres in mammalian cells”. Oncogene 21 (4): 598-610. doi:10.1038/sj/onc/1205058. PMID 11850785. http://www.nature.com/onc/journal/v21/n4/full/1205058a.html. 
  26. ^ Yamaguchi H, Calado RT, Ly H, Kajigaya S, Baerlocher GM, Chanock SJ, Lansdorp PM, Young NS (2005). “Mutations in TERT, the gene for telomerase reverse transcriptase, in aplastic anemia”. New England Journal of Medicine 352 (14): 1413–24. doi:10.1056/NEJMoa042980. PMID 15814878. 
  27. ^ Zhang A, Zheng C, Hou M, Lindvall C, Li KJ, Erlandsson F, Björkholm M, Gruber A, Blennow E, Xu D (2003). “Deletion of the telomerase reverse transcriptase gene and haploinsufficiency of telomere maintenance in Cri du chat syndrome”. The American Journal of Human Genetics 72 (4): 940–8. doi:10.1086/374565. PMID 12629597. 
  28. ^ Marrone A, Walne A, Dokal I. (2005). “Dyskeratosis congenita: telomerase, telomeres and anticipation”. Curr Opin Genet Dev. 15 (3): 249–57. doi:10.1016/j.gde.2005.04.004. PMID 15917199. 
  29. ^ Armanios M, Chen JL, Chang YP, Brodsky RA, Hawkins A, Griffin CA, Eshleman JR, Cohen AR, Chakravarti A, Hamosh A, Greider CW (2005). “Haploinsufficiency of telomerase reverse transcriptase leads to anticipation in autosomal dominant dyskeratosis congenita”. PNAS 102 (44): 15960–4. doi:10.1073/pnas.0508124102. PMID 16247010. 

参考文献

関連項目

外部リンク