Telomery to powtarzające się sekwencje heksameru DNA (TTAGGG) znajdujące się na końcach chromosomów. W każdej replikacji komórki te końce chromosomów są skracane. Jeśli staną się zbyt krótkie, chromosomy mogą ulegać fuzjom końców telomerów, nieprawidłowej rekombinacji i degradacji. Tak więc utrzymanie wystarczającej długości telomerów odgrywa ważną rolę w stabilności chromosomów i ochronie komórek 38. Utrzymanie długości telomerów ma również kluczowe znaczenie dla genów znajdujących się w pobliżu końców chromosomów, ponieważ replikacja DNA nie może trwać do samego końca chromosomów 1-2. W związku z tym zapobieganie skracaniu telomerów może poprawić stabilność komórek.
Liczne badania wykazały, że długość telomerów jest skorelowana z długowiecznością organizmu i stanem chorobowym, np. w przypadku raka 3-4, cukrzycy 5 i choroby układu krążenia 6,7. Ponadto skrócone telomery są związane z nadmiernym stresem lub niezdrowym stylem życia 8, być może poprzez promowanie przedwczesnego starzenia się i śmierci komórek 9. Z drugiej strony, niektóre badania wykazały, że nie ma znaczącej różnicy między długością i długowiecznością telomerów a chorobą związaną z wiekiem 39, 40, 41.
Jednym z wrodzonych mechanizmów ochrony komórki przed skracaniem telomerów jest aktywacja jej własnego enzymu odwrotnej transkryptazy telomerazy (TERT). Enzym ten i jego podjednostka, telomeraza RNA (TERC), niekodujący RNA, wykorzystują telomer jako matrycę do dodawania powtórzeń telomerów do końców chromosomów 10. Chociaż aktywność telomerazy jest nieobecna w kilku typach komórek, a inne mechanizmy są zaangażowane w utrzymanie długości telomerów, zwiększona aktywność telomerazy jest skorelowana ze zwiększoną długością telomerów. Aktywacja telomerazy została uznana za jeden z mechanizmów, dzięki którym komórki reagują na uszkodzenia i stres oraz unikają przedwczesnego starzenia się i śmierci. Na przykład dłuższe telomery wykazano w populacji Żydów aszkenazyjskich o wyjątkowej długości życia 11, wykazano, że mutacje w TERC lub TERT przyczyniają się do śmiertelnej choroby 12, a epigenetyczna regulacja telomerazy ma wpływ na choroby związane z wiekiem 13. Od czasu jego odkrycia, długość telomerów została zaproponowana jako biomarker stanu zdrowia w różnych modelach zwierzęcych, a także u ludzi, ale te wczesne badania były trudne do szerokiego powtórzenia, ponieważ zastosowana metoda była żmudna, długa i kosztowna. W 2002 r., a następnie w 2009 r., Cawthon zaproponował i zademonstrował nowy, dokładny, szybki i prosty protokół oparty na PCR do oceny długości telomerów i dalszego badania jego roli w różnych aspektach biologii komórki, starzenia się i chorób 19.
Wybór właściwej metody pomiaru telomerów do badania jest niezbędny. Obecnie istnieją różne metody pomiaru długości telomerów, z których każda ma swoje zalety i wady. Tradycyjnie, długość telomerów mierzy się za pomocą analizy Southern Blot końcowych fragmentów restrykcyjnych (TRF), która obejmuje: a. trawienie DNA za pomocą enzymów restrykcyjnych, które nie tną powtórzeń telomerowych w celu uzyskania TRF, b. Southern Blot tych TRF odbywa się poprzez określenie średniej długości TRF za pomocą sondy telomerowej 14, 37. Chociaż metoda ta jest bardzo dokładna z małym współczynnikiem zmienności, jest miarą bezpośrednią i może być korzystna do pomiaru rozkładu długości, analiza TRF jest kosztowna, pracochłonna i wymaga co najmniej 3 μg DNA. Metoda ta jest również niewrażliwa na krótkie telomery, a określenie długości może być zakłócone przez subtelomerowe DNA, które może być wykryte przez sondę dzięki sekwencjom podobnym do (TTAGGG)n, które zawierają 15, 42.
Inną bardzo dokładną metodą pomiaru długości telomerów jest Analiza Długości Wydłużenia Pojedynczego Telomeru (STELA), metoda oparta na PCR pojedynczej cząsteczki, która wymaga tylko niewielkiej ilości DNA. W tej metodzie startery są wytwarzane w celu rozpoznania nawisu bogatego w G na końcu chromosomów i związania się z unikalną sekwencją subtelomerową na jednym chromosomie, która amplifikuje telomer określonego chromosomu. Powstałe w ten sposób wzmocnienie jest następnie wizualizowane przez Southern Blot. Ta metoda ma tę zaletę, że jest bardzo dokładna i jest w stanie wykryć krótkie telomery odstające 16. Niestety, ponieważ nie wszystkie chromosomy mają końcówki bogate w G i użyteczną sekwencję subtelomerową, długość telomerów można zmierzyć tylko na określonych chromosomach, a pomiary te mogą nie reprezentować długości wszystkich telomerów w komórce 15.
Inną metodą, która była praktykowana, jest użycie sond peptydowych kwasów nukleinowych (PNA) do wykrywania długości telomerów. Ilościowa hybrydyzacja kwiatostanu in situ (Q-FISH) pozwala nam na wizualizację telomerów podczas metafazy, gdzie barwienie telomerów sondą PNA proporcjonalnie do ich wielkości pozwala na porównanie telomerów między określonymi chromosomami. Chociaż metoda ta może być również stosowana w przypadku komórek w interfazie, tutaj nie można wykryć długości telomerów dla odrębnych chromosomów, co wprowadza ograniczenie przy pomiarze długości telomerów w starzejących się lub rzadko dzielących się komórkach 17. Zamiast tego Flow FISH wykorzystuje cytometrię przepływową i jest obecnie najbardziej czułą metodą pomiaru długości telomerów komórek krwi w warunkach klinicznych, ale wymaga wysoko wykwalifikowanych techników 18.
Obecnie, standardowa metoda pomiaru średniej długości telomerów w naszym laboratorium wykorzystuje precyzję, czułość i łatwość ilościowego PCR w czasie rzeczywistym. Metoda ta umożliwiła pomiar długości telomerów dzięki opracowaniu nowych starterów, które pozwalają uniknąć syntezy produktów pochodnych dimerów starterów, które w przeciwnym razie zostałyby wytworzone w standardowym teście ze względu na powtarzalność telomerów. W tym teście pomiar długości telomerów jest reprezentowany przez stosunek T / S, liczbę powtórzeń telomerów do liczby genów z pojedynczą kopią. Ponieważ istnieje bezpośrednia proporcjonalna zależność między długością telomerów a liczbą znakowanych starterów telomerów wiążących się z DNA podczas początkowych etapów PCR, stosunek T / S jest wprost proporcjonalny do długości telomerów. Stosunek T / S mierzy się, porównując różnicę w Ct, liczbie cyklu ułamkowego, przy której skumulowany kwiatostan próbki przekracza próg, który jest kilka odchyleń standardowych powyżej pierwotnego kwitnienia, między próbkami ze starterami telomerów a starterami SCG 19. Metoda ta była krytykowana za pośredni pomiar długości telomerów, co może prowadzić do niedokładnych pomiarów, na przykład w przypadku duplikacji chromosomów lub wariacji liczby kopii 15. Ponadto porównanie między badaniami jest często trudne, ale standardowe oligomery zostały opracowane do pomiaru bezwzględnej długości telomerów 20. Metoda ta została dodatkowo ulepszona przez firmę Cawthon, przy użyciu monochromatycznego multipleksowego testu qPCR. W tym teście PCR przeprowadzano w niższych temperaturach przez pierwsze kilka cykli, aby uniknąć wiązania starter-dimer, a telomer i gen kontrolny analizowano w tej samej probówce PCR, aby jeszcze bardziej uniknąć błędu. Uzyskane pomiary długości telomerów silnie korelowały z długością telomerów mierzoną za pomocą analizy Southern blot TRF i miały wyższą dokładność 15, 19, 36. W tej chwili qRT-PCR jest jedyną dostępną wygodną metodą do badania dużych rozmiarów próbek i wymaga tylko niewielkiej ilości DNA do przeprowadzenia. Kluczową częścią tej metody są kompleksowe środki kontroli jakości, dzięki czemu, gdy zostanie wykonana prawidłowo, metoda ta może dostarczyć cennych informacji porównawczych na temat długości telomerów. Ponadto metoda ta została zaadaptowana do stosowania poza leukocytami do pomiaru długości telomerów w różnych tkankach 42.
Dodatkowo, aby lepiej zrozumieć biologię stojącą za utrzymaniem długości telomerów i interakcjami między dwoma przeciwstawnymi efektami (tj. skracaniem telomerów podczas replikacji i wydłużaniem przez enzym telomerazy), dołączyliśmy do metody długości telomerów dodatkowy test, który mierzy aktywność telomerazy.
W tym celu użyliśmy protokołu wielokrotnej amplifikacji telomerów, testu in vitro. Krótko mówiąc, zlizowane, zakonserwowane, enzymatycznie aktywne komórki zsyntetyzowały powtórzenia telomerowe na substracie oligonukleotydowym za pomocą telomerazy, a produkty amplifikowano za pomocą PCR w obecności SYBR Green. Wyniki zostały następnie przeanalizowane, porównując wartości progowe Ct próbki i kontroli. Ponieważ telomeraza jest enzymem wrażliwym na ciepło, przy każdej próbce 21 przeprowadza się dodatkową kontrolę poddaną obróbce cieplnej 21.
Podczas gdy pomiar długości telomerów może dostarczyć cennych informacji na temat możliwej roli długości telomerów w patofizjologii starzenia się i chorób, długość telomerów nie jest właściwością statyczną i potrzeba więcej informacji, aby zrozumieć funkcję telomerów. Badania aktywności telomerazy mogą dostarczyć informacji o mechanizmach regulacji długości telomerów. Na przykład kontrolowana aktywacja telomerazy może utrzymać długość telomerów i proliferację komórek, ale niekontrolowana aktywacja telomerazy może spowodować raka. Te dwie niedrogie i proste metody w połączeniu dostarczyły nam nie tylko silniejszych dowodów na związek między długością telomerów a stabilnością komórek, ale także dalszego wglądu w możliwe mechanizmy skracania i odzyskiwania telomerów. Dzięki tym metodom mamy nadzieję dokładniej wyjaśnić reakcję komórki na starzenie się i różne stany proliferacji komórek, a ostatecznym celem jest lepsze zrozumienie głównych mechanizmów biologii komórki.