テロメラーゼ

テロメラーゼの主要な触媒タンパク質は、ヒトでは2627アミノ酸からなるテロメラーゼ逆転写酵素である^{[ 15 ] 。 [ 16 ]}このタンパク質は、4つの保存ドメイン（RNA結合ドメイン（TRBD）、フィンガー、パーム、サム）から構成され、レトロウイルス逆転写酵素、ウイルスRNAレプリカーゼ、バクテリオファージBファミリーDNAポリメラーゼと共通の特徴を持つ「右手」リング構造に組織化されている^{[ 17 ] [ 18 ] 。}

多くの真核生物のTERTタンパク質の配列が決定されている。^{[ 19 ]}

ヒトの完全なテロメラーゼ複合体（ホロ酵素）は、テロメラーゼRNA（TRまたはTERC、452ヌクレオチド）、TERT、およびTCAB1がそれぞれ1コピーずつ、さらにH/ACAリボ核タンパク質サブ複合体が2コピーずつから構成される。H/ACAサブ複合体は、ジスケリン（DKC1）、NHP2、NOP10、およびGAR1がそれぞれ2コピーずつから構成される。H/ACAサブ複合体の各コピーは、テロメラーゼRNA上のヘアピン構造に結合する。これは脊椎動物に特有の特徴である。また、テロメアDNAが機能する際には、ヒストンH2A-H2B二量体がテロメアDNAに巻き付いており、その存在はテロメラーゼ複合体の機能に不可欠である。^{[ 14 ]} TPP1 とPOT1の存在はクライオ EM 研究では検出されませんでしたが、以前の研究に基づくと、テトラヒメナの​​ p50 と Teb1 と同様の方法で TERT の TEN ドメインに結合しているはずです。^{[ 14 ]}不死化細胞から抽出した触媒活性複合体に関する以前の実験では、ヒト TERT、テロメラーゼ RNA、およびジスケリン(DKC1)がそれぞれ2分子ずつ存在することが示されました。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}

比較のために、テトラヒメナの​​テロメラーゼ複合体は、コアにTR（TER）、TERT、p65がそれぞれ1コピーずつ、残りの構造への接続としてp50（ヒトTPP1の相同体）が1コピー、Teb1（ヒトRPA70のパラログ）、Teb2、Teb3がそれぞれ1コピーずつ（全体としてRPA様複合体）、p75、p45、p19がそれぞれ1コピーずつ（CST複合体）から構成されている。^{[ 13 ]}

テロメラーゼは、細胞分裂（有糸分裂）を繰り返すことで短くなるテロメアと呼ばれる短いDNA断片を修復する。

テロメラーゼが存在しない通常の状況では、細胞が再帰的に分裂すると、ある時点で子孫細胞はヘイフリック限界に達します^{[ 24 ]}。これは50～70回の細胞分裂の間であると考えられています。限界に達すると細胞は老化し、細胞分裂は停止します^{[ 25 ]} 。テロメラーゼは、各子孫細胞が失われたDNA断片を置き換えることを可能にし、細胞株が限界に達することなく分裂できるようにします。この同じ無制限の増殖は、癌の増殖の特徴です^{[ 26 ]}。

胚性幹細胞はテロメラーゼを発現し、それによって繰り返し分裂して個体を形成する。成人では、テロメラーゼは定期的に分裂する必要のある細胞、特に男性の精子細胞^{[ 27 ]}、表皮細胞^{[ 28 ]}、活性化T細胞^{[ 29 ]}およびB細胞^{[ 30 ]}リンパ球、特定の成人幹細胞でのみ高発現するが、大多数の体細胞はテロメラーゼを発現しない^{[ 31 ] 。}

哺乳類のテロメアの比較生物学研究では、一部の哺乳類種のテロメア長は寿命と直接相関するのではなく、逆相関することが示され、寿命に対するテロメア長の寄与は未解決であると結論付けられました。^{[ 32 ]}ラットの脳など、一部の分裂後組織 では、加齢に伴うテロメア短縮は起こりません。 ^{[ 33 ]}ヒトでは、骨格筋のテロメア長は23歳から74歳まで安定しています。^{[ 34 ]}完全に分化した分裂後細胞からなるヒヒの骨格筋では、筋核の3%未満に損傷したテロメアが含まれており、この割合は加齢とともに増加しません。^{[ 35 ]}したがって、テロメア短縮は、脳や骨格筋の分化細胞の老化における主要な要因ではないようです。ヒトの肝臓では、胆管細胞と肝細胞に加齢に伴うテロメア短縮は見られません。^{[ 36 ]}別の研究では、ヒトにおいてテロメア長が重要な認知能力や身体能力に関して正常な老化の重要なバイオマーカーであるという証拠はほとんど見つからなかった。 ^{[ 37 ]}

いくつかの実験では、テロメラーゼが抗老化療法として使用できるかどうかについて疑問が呈されている。すなわち、テロメラーゼのレベルが高いマウスは癌の発生率が高く、したがって寿命が長くなるわけではないという事実である。^{[ 38 ]}一方、ある研究では、癌耐性マウスでテロメラーゼの触媒サブユニットを過剰発現させることでテロメラーゼを活性化すると寿命が延びることが示された。^{[ 39 ]}ある研究では、長寿の人はテロメラーゼの過剰活性型を遺伝的に受け継いでいることがわかった。^{[ 40 ]}

テロメラーゼ活性化剤TA-65は市販されており、老化を遅らせ、特定の疾患状態を緩和するとされている。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}この製剤には、マメ科植物Astragalus membranaceus由来のシクロアストラゲノールと呼ばれる分子が含まれている。他にもいくつかの化合物がテロメラーゼ活性を高めることがわかっている。ツボクサ抽出物は 8.8倍、オレアノール酸は 5.9倍、オウギ抽出物は 4.3倍、TA-65は 2.2倍、マスリン酸は 2倍である。^{[ 46 ]}

間葉系幹細胞（MSC）由来の細胞外小胞を介したテロメラーゼのパラクリン活性化も報告されている。後向き臨床研究では、静脈内MSC療法は治療を受けた被験者の94%で末梢血テロメア長の増加と関連しており、平均変化は+2.47 kb/細胞（P<0.001）であった。これは、細胞外小胞を介したhTERT mRNAの送達が受容細胞内の内因性テロメラーゼ活性を刺激することと一致する。^{[ 47 ]}

試験管内では、細胞がヘイフリック限界に近づくと、腫瘍抑制タンパク質p53と網膜芽細胞腫タンパク質（pRb）を不活性化することで老化までの時間を延長できる。^{[ 49 ]}このように改変された細胞は、培養中の細胞の大部分が死滅する「危機」と呼ばれる事象を最終的に経験する。細胞は、危機に達しても分裂を止めないことがある。典型的な状況では、テロメアが短縮し^{[ 50 ]}、その後の細胞分裂ごとに染色体の完全性が低下する。露出した染色体末端は、DNAの二本鎖切断（DSB）として解釈される。このような損傷は通常、切断された末端を再結合することで修復される。細胞がテロメア短縮のためにこれを行うと、異なる染色体の末端が互いに結合することがある。これによりテロメアが不足している問題は解決されるが、細胞分裂後期には融合した染色体がランダムに引き裂かれ、多くの突然変異や染色体異常が生じる。このプロセスが続くと、細胞のゲノムは不安定になる。最終的には、細胞の染色体に致命的な損傷が生じ（アポトーシスによって細胞が死滅する）、またはテロメラーゼを活性化する追加の突然変異が生じる。^{[ 49 ]}

テロメラーゼが活性化すると、一部の細胞とその子孫は不死化（ヘイフリック限界を回避）し、複製条件が満たされている限り細胞死を回避します。多くの癌細胞は、テロメラーゼ活性によって他の体細胞よりもはるかに長く生存できるため「不死化」していると考えられており、制御不能な細胞増殖^{[ 51 ]}と相まって腫瘍を形成できるのです。不死化癌細胞の好例はHeLa細胞で、1951年以来、モデル細胞株として研究室で使用されています。

細胞培養でヒト癌をモデル化するこの方法は効果的で、科学者によって長年使用されてきましたが、非常に不正確でもあります。上記の実験で腫瘍形成クローンの形成を可能にする正確な変化は明らかではありません。科学者は、さまざまなヒト癌に存在する複数の変異を連続的に導入することによってこの問題に取り組みました。これにより、さまざまな細胞タイプで腫瘍形成細胞を形成する変異の組み合わせが特定されました。組み合わせは細胞タイプによって異なりますが、すべての場合において次の変化が必要です。TERTの活性化、p53経路機能の喪失、pRb経路機能の喪失、Rasまたはmycプロトオンコジーンの活性化、およびプロテインホスファターゼ2（PP2A）の異常。^{[ 52 ]}つまり、細胞は活性化テロメラーゼを持ち、染色体不安定性または喪失による死のプロセスを排除し、アポトーシス誘導経路がなく、有糸分裂の活性化が継続します。

細胞培養におけるこの癌モデルは、実際のヒト腫瘍におけるテロメラーゼの役割を正確に記述している。テロメラーゼの活性化は、すべてのヒト腫瘍の約90%で観察されており、^{[ 53 ]}テロメラーゼによってもたらされる不死性が癌の発生において重要な役割を果たしていることを示唆している。TERT活性化のない腫瘍のうち、^{[ 54 ]}ほとんどは、テロメア長を維持するために、代替テロメア伸長（ALT）と呼ばれる別の経路を利用している。^{[ 55 ]}この代替経路の存在は、SV40ウイルスによって形質転換されたヒト細胞株で最初に記述され、テロメア長の変化の動態に基づいて、組換えによって生じると提案された。^{[ 56 ]}しかし、正確なメカニズムは依然として不明である。

エリザベス・ブラックバーンらは、がんの増殖と体内への転移に関与することが知られている、または疑われている70個の遺伝子の発現上昇と、がん細胞が糖を迅速に利用してプログラムされた増殖速度（胎児の増殖速度とほぼ同じ）を促進する解糖系の活性化を特定した。^{[ 57 ]}

がん治療におけるテロメラーゼとテロメアの制御アプローチには、遺伝子治療、免疫療法、低分子化合物、シグナル伝達経路阻害剤などがある。^{[ 58 ]}

薬物

機能的なテロメアを維持する能力は、がん細胞が試験管内で数十年にわたって増殖できるメカニズムの一つである可能性がある。^{[ 59 ]}テロメラーゼ活性は多くの種類のがんの維持に必要であり、体細胞では不活性であるため、テロメラーゼ阻害によって副作用を最小限に抑えながらがん細胞の増殖を選択的に抑制できる可能性がある。^{[ 60 ]}薬剤ががん細胞のテロメラーゼを阻害できれば、世代を経るごとにテロメアが徐々に短くなり、腫瘍の増殖が制限される。^{[ 61 ]}

テロメラーゼは、ヒトのがん細胞の約85%が高レベルで発現しているため、がん検出の良いバイオマーカーです。 ^{[ 62 ] [ 63 ]}テロメラーゼ活性は、その触媒タンパク質ドメイン（ hTERT ）によって識別できます。hTERTはテロメラーゼ活性の律速段階であると考えられており、その結果、hTERTの発現増加は多くの種類のがんにおけるテロメラーゼ活性の上昇と関連しています。^{[ 64 ] [ 63 ]} hTERT cDNAで形質転換されたさまざまながん細胞と線維芽細胞は高いテロメラーゼ活性を示しますが、体細胞はそうではありません。hTERT陽性の細胞は核シグナルが陽性です。上皮幹細胞組織とその初期の娘細胞は、hTERTが検出できる唯一の非がん細胞です。hTERTの発現はサンプル内の腫瘍細胞の数のみに依存するため、hTERTの量はがんの重症度を示します。^{[ 63 ]}

hTERTの発現は、良性腫瘍と悪性腫瘍を区別するためにも使用できます。悪性腫瘍は良性腫瘍よりもhTERTの発現が高いです。^{[ 65 ] [ 66 ]}テロメラーゼ阻害は開発中ですが、理論的には潜在的な治療法として使用できます。^{[ 66 ]}さまざまな腫瘍サンプルでhTERTの発現を定量化するリアルタイム逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）により、この発現の変動が確認されました。^{[ 65 ]}

非癌性ヒト細胞のテロメアは一般的に癌細胞よりも長く、テロメラーゼ阻害療法は、非腫瘍細胞の正常なテロメラーゼ活性を維持しながら、癌細胞のテロメラーゼ活性を選択的に抑制することを目的としている。テロメアを標的とした治療法には、オリゴヌクレオチド、ヌクレオシド、低分子阻害剤などがある。植物油や動物油に含まれる脂肪酸であるオレイン酸など、テロメラーゼ阻害特性を持つ様々な天然化合物が同定されている。^{[ 66 ]}

テロメラーゼの欠如は、テロメアが細胞を「死滅させるか、増殖を停止させる」ほど短くなるまでは、細胞の成長に影響を与えません。しかし、テロメラーゼを阻害するだけでは、大きな腫瘍を破壊するには不十分です。手術、放射線療法、化学療法、または免疫療法と組み合わせる必要があります。^{[ 63 ]}

細胞は細胞分裂ごとにテロメア長をわずか50～252塩基対しか短縮しない可能性があり、長い遅延期につながる可能性がある。^{[ 67 ] [ 68 ]}

標的アポトーシス

別の独立したアプローチは、オリゴアデニル化された抗テロメラーゼアンチセンスオリゴヌクレオチドとリボザイムを使用してテロメラーゼRNAを標的とし、RNAの解離とアポトーシスを誘導することです（図5）。アンチセンス結合による迅速なアポトーシス誘導は、より遅いテロメア短縮の良い代替手段となる可能性があります。^{[ 67 ]}

ブラックバーン氏はまた、重病の子供を介護している母親は、精神的ストレスが最大になっていると報告した場合、テロメアが短くなること、そして冠動脈組織の閉塞部位でテロメラーゼが活性化し、心臓発作を加速させる可能性があることを発見した。

2009年には、心理的ストレス後にテロメラーゼ活性が有意に増加することが示された。患者サンプル全体では、ストレス終了1時間後に末梢血単核細胞のテロメラーゼ活性が18%増加した。 ^{[ 72 ]}

2010年の研究では、3ヶ月間の瞑想合宿後、参加者のテロメラーゼ活性が対照群よりも「有意に高い」ことが判明した。^{[ 73 ]}

テロメラーゼ欠損は、膵臓のインスリン産生細胞の喪失により、マウスの糖尿病およびインスリン分泌障害と関連付けられています。^{[ 74 ]}

TERTの変異は、骨髄が血液細胞を産生できなくなる疾患である再生不良性貧血の発症リスクを高めることが2005年に示唆された。^{[ 75 ]}

猫鳴き症候群（CdCS）は、 5番染色体の短腕末端部分の欠失を伴う複雑な疾患である。TERTは欠失領域に位置しており、TERTの片方のコピーの欠失がこの疾患の原因または寄与因子として示唆されている。^{[ 76 ]}

先天性角化異常症（DC）は、テロメラーゼサブユニットのいくつかの変異によって引き起こされる骨髄の疾患です。 ^{[ 77 ]} DC症例では、約35%がDKC1遺伝子座のX連鎖劣性であり^{[ 78 ]}、5%がTERT ^{[ 79 ]}およびTERC ^{[ 80 ]}遺伝子座の常染色体優性です。

DC患者は、異常な皮膚色素沈着、白板症（口腔粘膜の白色肥厚）、爪ジストロフィーなどの重度の骨髄不全と、その他さまざまな症状を呈します。TERCまたはDKC1変異を有する人は、同年齢の他の人と比較して、テロメアが短く、試験管内でのテロメラーゼ活性が欠損しています。 ^{[ 81 ]}

ある家族では、常染色体優性DCがヘテロ接合性のTERT変異と関連していた。^{[ 5 ]}これらの患者はテロメア短縮率の増加と遺伝的予期（すなわち、DC表現型が世代ごとに悪化する）も示した。