Elizabeth H. Blackburn (2011) - Telomeres and Telomerase in Human Health and Disease

Thank you very much and good morning everybody, it's wonderful to see so many faces here this morning. I feel as if I'm looking out at the future hope of much of what we'll see I think in biomedical research and medical research and biological research in the future. So welcome, I'm very glad to be here and giving this talk today. So my talk is going to be telling you something about the science which has been my journey from basic science and which has led us more recently into issues of human health and disease. And so I'm going to tell you just a very little bit about the early part of our work and then go into the aspect which is the human health and disease related part of it. And tell you a little bit about how I started that and then take you into how we're looking at, more recently we're looking at the interesting ramifications of all of this. So telomeres, they're the ends of chromosomes. And this kind of blobby picture where you sort of see the telomere lit up in pink here, that was pretty much what we knew about telomeres from about, you know from the stage when cytogeneticists looked at chromosomes under microscopes and could see that telomeres were, you know something at the end of chromosomes. And when I say something they were more defined by what they weren't. They didn't behave like DNA breaks, they didn't you know try to heal themselves when a break appeared, they're the end but they were not a broken end. And so it was conceptualised that they were really very different from breaks, but what were they. There was an absence of things that they did that more defined a telomere than what it actually was. So I was fortunate to be able to approach this question because. So first of all cast your minds back to the possibility that imagine a world in which you couldn't sequence DNA. Ok so that was the world in which I started my project in Cambridge in England in the lab of Fred Sanger who subsequently developed methods of DNA. But we didn't know how to sequence DNA. So there was this wonderful mystery of what on earth was the DNA like at the ends of the chromosome. And so being in Fred Sanger's lab I got very, you know well-acquainted with the then nascent methods of trying to sequence DNA, which was to try and piece together nucleotides in little patches by using a variety of chemical and biological methods. It doesn't matter but in other words you couldn't believe how impossible it was to sequence DNA in those days. But at least it seemed as if the ends might be a way of accessibility. And so I turned to a system by going to Yale University and the lab of Joe Gall where you could actually get at the ends of chromosomal DNA's, that is the DNA's of eukaryotes and their chromosomes which of course is linear. And this was because Joe Gall and others had discovered that there are very short chromosomes and large numbers of them. And one particular kind in this beast, shown in the slide here, which is the ciliated protozoan tetrahymena. Now this is not a famous organism in the sense that it doesn't cause diseases and it's not one of the favourite model systems although it's very well used now for certain questions relating to telomeres but it was just an obscure pond organism. But it had these large numbers of linear short chromosomes and that allowed me to biochemically if you will, using molecular techniques to get my hands on these, purify them out and analyse what might be going on at the ends of these chromosomes. And in fact I found that they ended up with these repeated sequences, very strange, you know there was no president for why they would do this. And they ended with short repeated sequences and that's the repeat unit shown there. And so they were the chromosomes in tetrahymena and then ending with short repeats. And then in collaboration with Jack Szostak who was in a different institution, we found the same thing was going on in yeast. And I should say that this was an example of where it's marvellous to go to meetings and have conversations because Jack and I struck up a conversation. I had just been talking about the telomeres of tetrahymena and we talked about how would you make, how would you use this information and see if you could get at telomeres in yeast, to cut a long story short. And so we did and we were able to see somewhat similar kinds of repeated sequences. Now a little bit irregular as you see from the formula on the slides. But the same kind of thing, at the end of yeast chromosomes. So this wasn't a peculiarity of this strange little beast that lived in pond scum, this was something that was more general. And indeed it had been found by others, starting to show up in slide moulds and you know, so these kinds of things were showing up at the end of chromosomes. So it looked as if it would be pretty general. And in fact, you know we did know from molecular biology, even back then, before we could sequence DNA properly, we did know that underlying principles of course of life were very similar as you look right across the living world. And so it wasn't too surprising to find some generalities here. But still it was good to find. So basically that then let us address a question which had been asked by others and which arose from the mechanism of DNA replication which as you recall occurs by a very beautiful complicated DNA replication enzymes, beautiful set of these enzymes which beautifully copy all the internal regions of chromosomal DNA. That is any linear DNA but they're just terrible at copying the very ends, because of the mechanistic aspects of how DNA replication occurs. And I won't go into the details, it's all in every text book, but the point is that the beautifully complicated sophisticated DNA replication machinery that so successfully and faithfully copies the genetic information inside chromosomes is terrible at copying the ends. So the ends can't get replicated. So every time a DNA replicated, if it's linear and unless something happened, it would just get shorter and shorter and shorter and shorter. So this was a mystery, well recognised from the early 1970's onwards and explicated by Olovnikov and Watson for example. This was a mystery. And now we knew what was at the ends of chromosomes. So there was the problem and there was a whole lot of interesting pieces of information. And I'm going to list them here because sometimes it sounds as though, when you say well you discovered telomeres, it sounds as though it just sort of fell out of the sky or something or we stumbled on it. Didn't work that way and I think this is more typical of real science, how real science works. What happened was that there were pieces of evidence, not all from one system, there were pieces of evidence in tetrahymena that the numbers of repeats at the ends of the chromosomes differed in the population of molecules. You could find that during the development of new chromosomes in this organism, has a very complicated lifestyle but it makes new telomeres and they got added on to non-telomeres. How did that happen? There was an interesting observation in the organism that causes sleeping sickness, these organisms when propagated, you could see the end DNA getting longer and longer. How did that happen? And Jack Szostak and I found that when you put a tetrahymena and a telomere into yeast, yeast telomere repeats, it got joined on to the tetrahymena repeats. So that was mysterious. And I was intrigued by another observation from the geneticist, the cytogeneticist who really conceptualised and named the features of telomeres, although not the name of telomeres, that is important, Barbara McClintock, maize geneticist and she had conceptualised telomeres and had even found a mutant that failed to heal broken ends which can normally happen if ends are broken at certain stages in development. Now when you've got a mutant that fails to do something, that says ah ha, there must be a normal process here. So all these pieces of the puzzle were there. Was there something going on in cells that could extend telomere DNA. So now as my little advice for the young moving into their careers here, ok so this was the question, we had a lot of interesting hints here that there may be something going on. Now you can't sit and write a grant application and say well I think I might find a new enzyme. Doesn't go down well with the review sections, ok. But you can, you can have wonderful funding which opens up the possibility which says let's look at how telomeres work. And I'm so grateful to a funding agency like the NIH that said you have a grant that's called structure and function of telomerics and within that I could run with the question. But I also want to tell you another very important thing that matter to me and that helped. Now I was studying the telomeric DNA, I was studying proteins associated with telomeric DNA. And what I then did was I got tenure and I had my grant and so I felt really brave, I thought ah I can do anything I like, I've got tenure, I've got a grant, right. So there's a very empowering feeling, even though of course I realised, you know later that that's not always true, that you can't do everything you like. But I felt very empowered because I had tenure and I had a grant, so I thought I'm just going to start looking for this enzyme activity. Now we kept the normal sort of things in our lab going, right, things that were on the grant application, things that were, you know things that were producing steady results. But I thought well I'll just try and do these experiments. And started to get hints that it was working. And then another important thing happened was that I would present this to people as they decided to join the lab and I'd say I've got this project, so one of my very sober post doctoral fellows said I think, when he came, he said I think Liz I don't think I'll work on this rather risky project. But Carol Greider, my graduate student who joined the lab, Carol was happy to do that and she thought it was the most interesting project in the lab and so I think that's very important, you know to find PhD students who want to go for what they think is the most interesting projects in the lab, even though it mightn't be the one that generates results. But in this case it did and so what in the end we were able to do was to have a synthetic DNA and I'd been doing this with restriction enzymes and pieces of DNA and seeing bits of DNA added on that looked like telomeric DNA was being added. But we refined it down to putting in a DNA oligonucleotide. And we were just able to get them, again grab the technology when it becomes available because synthetic DNA, oligonucleotides were just becoming available to the research community, so we grabbed this opportunity, had a synthetic DNA made and then we found that it could get elongated after a lot of painful work with cell extracts. We could find an enzymatic activity that made that DNA longer by adding more repeats. And so the important point was that here I had a student who was willing to take on a project that was risky but this person thought, Carol thought this was the most interesting of the projects in the lab. And then as I said we could take advantage of technologies, there was terrific biochemical technologies in terms of enzymologist out there, we could use the precedence that people had from DNA replication studies to make our cell extracts and so forth and incubate and make reactions. And as I said along came the technology which happened to be DNA oligo synthesis. So what we found was this enzyme telomerase, so now I'm depicting the end of a chromosome in the ciliated protozoan tetrahymena which being a rich source of short DNAs, I reasoned would probably be a rich source of any enzyme that might be making these DNAs. And so sure enough if you look at a chromosome end in tetrahymena very simplified, just showing the DNA here, what it does is it gets elongated by the enzyme telomerase which is a truly fascinating enzyme because it's made up of both RNA and DNA. They both help the reaction work, although the catalytic, sorry it's made of RNA and protein, the catalytic site is actually the protein, it's not the RNA. But the RNA plays crucial roles in making that protein catalytic site work. It's a fascinating collaboration of protein and RNA. In that RNA and the crucial thing that I've shown you on the slide here is a short RNA sequence that's copied into DNA, just by adding nucleotides and so the DNA gets elongated. So here was in the test tube the wherewithal for overcoming that DNA replication problem, the end replication problem that I alluded to. So here it was in the test tube, did it actually work this way in cells. And so we used tetrahymena and my student Guo-Liang Yu developed a technology for introducing genes back into tetrahymena. So we had to sort of build it up from the roots so to speak. But we could get the first evidence that you needed telomerase in cells. Now in tetrahymena, I didn't tell you but these organisms are mortal, they just keep growing, if you feed them and talk to them nicely they'll keep on multiplying, right, forever, they're immortal, right. So they must have very good DNA repair systems by the way. And they had plenty, so to speak of telomerase. Now were those 2 facts related, right. So what do you do, well you experimentally interfere with the telomerase and genetically make it not work anymore. So that's what we did. And so then we found that now in the next 20 or so generations the telomeres progressively shortened and shortened and the cells ceased to divide. Now when I say genetically kill telomerase, I'll make a confession to you. This sounds all very deliberate, right, like we set out to kill it. Actually we were doing a different experiment at the time. We were looking at the RNA and asking about its templating ability. But we were very lucky because one of the mutations turned out not to be copied into the DNA and we were very frustrated by it but then we noticed oh look the telomeres are getting shorter and the cells are dying. And then we found that the enzyme was no longer active in the cells. And so then ah this was a very useful mutant. But we hadn't actually set out to ask that immediate question. But again what the take home from this was, always look at what the organism is telling you, right, we hadn't designed that particular experiment with that in mind but it turned out to be absolutely the perfect experiment to answer the question of do you need telomerase because we inadvertently made a mutation that ablated or ruined, spoiled, killed the activity of the enzyme in cells. And so that enabled us to ask the question, that I now put up here and looks as though I planned to say this and do this, planned to do this experiment but we actually just lucked into it. We probably would have tried this experiment next but we were lucky and got a mutant that worked. And so what it did was we struck at the heart of the activity of the ability of these cells to multiple, so this was really, you know these cells all died, right. The telomeres ran down and they died. So the important message was an immortal organism, all you had to do was mutate the component of telomerase. It was the RNA, we knew what it was, very, very exactly and the cells became mortal. So that told us that telomerase was maintaining telomeres. Ok so now we knew something about telomere structure which has repeated DNA, these DNA sequences are made by telomerase and they're maintained by telomerase in a very complex highly regulated process. And what that accomplishes for the cells is to make a platform, a platform of DNA binding sites upon which bind a great many very interesting, interactive proteins that bind the DNA sequence specifically. They have protein partners and they very dynamically associating and disassociating with the telomere. But the point is they make a sheath and that protective sheath is the whole point for the telomeres and that's the cap, that's the protective cap, ok. And we always liked it, you know it's like the aglet at the end of your shoe lace, right. But as I said there's this inherent problem and that is that telomeres because of their inherent replication properties and because now we know nuclease activities, telomeres have a propensity to shorten. So it's like the shoe lace end frayed away, right, the tip got lost and now you have a frayed shoe lace. And this is a very bad situation, the cell responds very clearly to this. And what happens is that that very shortened telomere sends a signal to the cells and the cells will not multiple. And in fact they can undergo genomic instabilities. So this frayed end if you will, which is just a metaphor is very literally a shortened telomere or telomeres and that prevents cells from multiplying. So bottom line is that if you have too much erosion the cells will not live, ok. Now let's got to human situations. Ok so now we're going to switch to well how does this all work out in humans. So now we have a very different situation from say tetrahymenas or yeasts and things like that, that just keep multiplying. We have now us and you know in developed societies for example where conditions are good, you know we can expect life expectances of something like 80 degrees, 80 years, sorry, thinking of the warm weather we're having in Lindau today. We have in life expectancy around 80 years. And you know maximum life span is what, somewhere around 120, that kind of thing, right. So now our lives are lived out over many, many decades. Well we certainly know that the underlying molecular machineries are going to be similar, you know across all the eukaryotes that's been amply seen. You know we have telomerase just as do tetrahymenas and yeast and so forth. But the important point is that the kinetics of all of this is now going to be played out over very long, you know decades of life. So how does it all play out? So that's been the subject of research for many, many different labs in the last few decades. So a simple observation, very broad brush and there will be exceptions, is that in a general way telomerase is often limiting in adult human cells. And so they do in fact undergo some shortening and various systems in the body one can see evidence that this is likely to be occurring, that the telomeres are progressively shortening and senescence is occurring. And one can see evidence for that in vivo, in people. Now the question was does that cellular phenomenon play out in our lifetimes, you know does the candle burning down for the telomeres so to speak, does that actually get reflected in human life courses or not. So that was the question that many, many labs had been collecting evidence for. And so I'm going to tell you first of all just a very brief overview of what's been seen and then I want to take you into some aspects of what might influence this process. Ok so back to the basics, what would first influence this process would be whether you have telomerase or not. And so many analysis have been done on where do we find telomerase in human cells. First of all normal cells, well in normal cells, in cells that are going to have to be effectively immortal or have very long replicated life spans you find actually plenty of telomerase. Like in stem cells, in germ cells, germ lineage cells, you know we're all here today, that's because our germ lineages have telomerase. Keeps the telomeres going from generation to generation. And in certain stem cells that will have long proliferative properties throughout life, notably the immune system. But you also find telomerase in other cells and we found that actually quite instructive, to look at other cells and particularly cells of the immune system and particularly cells in peripheral blood where you can take a sample from somebody with a pretty non-invasive blood draw. And healthy people will give you blood and you can study telomeres and how they're being maintained using the white blood cells, the immune system cells from a blood draw as a kind of a window into the cells. And now we can even find, as I'll show you later, we can even do it with saliva as well because there's a lot of cells that leak out into your saliva and it gives you a nice source of genomic DNA as well. And so we can quantify the telomerase in blood cells and so you might expect, you know more or less telomerase will be influencing how short the telomeres get, how quickly. And we also can measure telomere length, obviously in such cells. Now another thing that's important is that we do find that telomerase is very highly activated in cancer cells. And cancer cells as you know have among their many undesirable properties, the property of too much replication. The cells proliferate too much because they've undergone mutations and epigenetic changes that have now made them ignore signals to cease multiplying and to go to the right places in the body and so forth. And so cancer cells are rogue cells, they're out of control and telomerase allows those out of control cells to maintain their telomeres and keep on multiplying. So in the context of cancer cells, telomerase is actually very bad news. But the cancer cells have undergone a great many other changes. And in fact the high telomerase often doesn't appear in the common cancers until they're pretty advanced. I'm actually not going to talk about telomerase in cancer cells today, it's a fascinating question, there are interesting questions of can you inhibit it or monkey around with it to kill cancer cells but I want to focus today on the normal cells, ok. So let's just imagine what situations we might expect to play out over the decades of you know of human life. So imagine in germ cells, well we'll have the cells stay maintained, you know just like tetrahymena or yeast and so you know we expect a balance between shortening and lengthening because the telomeres over all are maintained. And there's a great deal of genetic and non-genetic control of these processes as I'll talk about in a moment. But you can also imagine the balance goes in the other direction and this has been seen for certain immune cells as they go through certain multiplicative stages in the body, telomeres actually get longer in normal differentiated cells. So that generality I showed you, they don't always have to get shorter but they often do get shorter. And so if you have some telomerase, you could imagine that they would be getting shorter by those natural processes shortening but telomerase might try and keep them up and so you know it might be able to stave off the, you know terrible moments when the telomeres get too short, for quite a while but senescence would eventually come. And that would be later than everything else being equal if there were less telomerase. And then it would, you know not be able to stave off senescence for so long. So how would all these things work and we know even from a yeast cell which has 350 genes, at least and counting which influence telomere lengths and length distributions. So we know this process is going to be under many, many elaborate genetic controls. So we expect genetic controls and we expect non-genetic controls because everything is influenced by non-genetic effects too. That will be the main topic that I'll get to but I just wanted to tell you that the reason that we got very interested in this is that over the years many groups have seen that many of the common diseases of aging and including cancers but many of these diseases that characterise aging humans have been linked to shorter telomeres in the normal cells. This is just a sampling of the kinds of diseases in which you see this association and the list of the authors on the right is extremely incomplete, it's just a little sampling. On the left is the common diseases and if you look at these diseases you can see that they include some of the big killers and the big serious medical problems in populations, cancer, pulmonary fibroses, cardiovascular disease, vascular dementia, degenerative conditions, diabetes, in fact risk factors for some of these. This has been seen in associative studies. And so let's just think about it, let's think about this means. And we are interested in this symposium, in this wonderful meeting on big questions of global health. And this just shows the graph for, I think this is the US numbers and it's going to be true in different degrees around the world, that we have a situation where there's an aging population first of all and I just pulled something from an article that was published on the 25th of June just a couple of days ago, nearly 10% of the world's adults have diabetes. The prevalence is rising and the point is that it's not just in developed countries, this is arising in developing countries, this is really a world-wide problem, 10% almost of the world's adults in all countries across the world have diabetes. And the prevalence is only going up. So we've got some big health issue and we heard about several of them yesterday. But I think we really have to think about these ones as well. And today I bring up these ones because our research has tied what we are understanding about telomere maintenance in humans to this kind of disease, of which diabetes is one example. Ok so it's a rising problem. Ok so what have I just said, I've just said that telomere shortness in the general population, that's people overall, in mini cohorts around the world, has been associated with common diseases of aging, ok. And so what's going on. Well is it telomere maintenance that's causing the shortness. So what you do is of course, you turn to human genetics and you look at rare Mendelian mutations and you say what can you learn from those. They've been very instructive in humans and people have deliberately using mouse models removed telomerase from mice and it's very clear that in humans the rare telomerase mutations that occur in people, that are known to cause telomere shortness, because they make telomerase work less well. They interrupt the enzymatic activity of telomerase or its ability to add telomeres, ok. So mutated telomerase genes which is just, you know the luck of the draw, right, the roulette wheel you know spins and your parents give you some combination of genes, right. So that's the luck of the genes. And in this case the bad luck of the genes. And that leads to telomere shortness. And it's very clear that there's a disease impact of this, both in people and in the mouse models where it's been done experimentally. And these sorts of diseases, their prevalence goes way up, they become very prone to these diseases. And look at that list, it starts to remind you of the list that I showed you before, these common diseases of aging in the general population. Which are associated with telomere shortness. Here in these rare mutations we've got causality so now of course the interesting question is well what about the common snips, the common variations in the genome that cause telomeres to be shorter, do they also lead to disease. Those studies which are much more complex epidemiologically and people have only just started posing them, are already suggesting yes. And there's a beautiful case, case of cancer where a certain cancer, it's bladder cancer, quite a common one, you can see that a snip that causes telomere shortness also causes bladder cancer. And part of that effect is mediated through the telomere shortening, ok. So that genetically speaking we know is the case. Now I'm going to turn to what's been very interesting to us and that is non-genetics. And do know when you think about future challenges, you know genetics, I'd say we've got genetics, if you will well in hand. Now I mean that's a trivial statement in some ways because of course there's huge complexities still, but we get it, we get it with genetics. We understand yes genes have effects, yes the genes interact, yes we know they're important to varying degrees. You know there's a lot of ways we can study this. And it's being done very activity and very productively. Let's do something harder. You know let's have some fun here, right let's choose something that's more difficult, non-genetic things. And this was, my next sort of point is that when somebody comes to you with a really interesting question that just grabs you and you think that person is good at that kind of research, go for it. So we started a collaboration. And this was wonderful because our friends in the UCSF department of psychiatry were very interested in chronic stress and we found low and behold that we could interact with them and show that people in which chronic stress by the way is a known risk factor for common diseases such as cardiovascular, that telomere shortness was associated with chronic stress. And my timing is up and so what I'm going to do is, that was the message, the important thing was that we found that it causes telomere shortening. Things that happen to you in childhood such as multiple trauma exposures influence your telomeres when you're an adult. And that's what this graph here is showing. And so we've become very, very fascinated by this question. And so now we've realised when I'm just going to zoom through all this, I had much too much to say to you, I knew I'd be so excited. And we're really trying to understand the interactions between chronic stress, telomere shortening which we know it causes and diseases. And how these all interact. So the bottom line was that we look over time and we see effects but my wonderful technician decided he would set up a machine for analysing 100,000 telomere lengths, he built a very complicated robot and here it is in action here, ok. So we were able to get, you know tones of telomeric DNA information out. And so now I'm going to end with this because this is going to be my plea to all of you who are really interested in huge complicated data sets and how you analyse those. Because what we did was we generated, as my marvellous technician said, more telomere length data than ever before, right. So here it is, you know this is the just the raw data right, tones, 100,000 people but the beauty is that it's tied in with a wonderful project of genome wide association, 675,000 different snips on these 100,000 people. And 20 years of clinical information all longitudinal electronic health records, data. So this is going to be so exciting to use all of this marvellous information and start relating all these things together. Because the end is that we really want to understand this road of life, we want to understand telomere loss on the one hand, telomere gain on the other hand, telomere maintenance. We know there's genetic components and what I didn't tell you but it's published, is we know adverse childhood events and chronic psychological stress are putting you on the telomere shortness and disease risk side of things. Education I'm very happy to tell you is clearly related to longer telomeres as is exercise and stress reduction. So on this happy note I want to finish and just tell you why we think this is important because I think there's so much more to be learned. And these are the folks in my lab and our collaborators with whom we have so much fun addressing what I think are important questions when we think about the question of human health, we're seeing very common sorts of disease situations which are growing world-wide. So I want to throw the challenge out to you, once we've solved these acute problems, these severe problems of infectious diseases and the major health problems in the world, why don't you look ahead to the next decades and say what are we left with, we're left with these other chronic diseases and these other diseases and I think we should think about how do we deal with the very complex problem of preventing these diseases. We want to treat the acute ones, let's think about how we prevent the other diseases that we're going to be left with now we survive all of the acute infectious and other diseases. Thank you very much.

Haben Sie vielen Dank und guten Morgen zusammen. Es ist wunderbar an diesem Morgen so viele Gesichter hier zu sehen. Ich habe das Gefühl, als schaute ich auf die Zukunftshoffnung von so vielem, was wir, denke ich, in der biomedizinischen, medizinischen und biologischen Forschung in Zukunft sehen werden. Seien Sie also alle willkommen. Ich freue mich sehr, heute hier sein und diesen Vortrag halten zu können. Mein Vortrag wird Ihnen etwas über die Wissenschaft erzählen, über meine Reise, die mit der Grundlagenforschung begann und mich in letzter Zeit zu Fragen geführt hat, die mit menschlicher Gesundheit und menschlichen Erkrankungen in Zusammenhang stehen. Ich werde Ihnen ein wenig über die Anfangsphase meiner Arbeit erzählen und dann zu demjenigen Aspekt übergehen, der mit der menschlichen Gesundheit und mit Krankheiten zu tun hat. Und ich werde Ihnen ein bisschen davon erzählen, wie ich damit angefangen habe. Dann werde ich Ihnen berichten, wie wir in letzter Zeit angefangen haben, die interessanten Implikationen all dieser Dinge zu untersuchen. Also Telomere sind die Enden von Chromosomen. Und dieser Art von unscharfem Bild, auf dem Sie die Telomere hier in rosa aufleuchten sehen: Das war so ziemlich alles, was man über Telomere wusste, in dem Stadium, in dem die Zytogenetiker Chromosomen unter dem Mikroskop betrachteten und sehen konnten, dass Telomere etwas am Ende von Chromosomen sind. Und wenn ich sage "etwas", dann meine ich, Sie waren mehr durch das definiert, was sie nicht sind. Sie verhielten sich nicht wie Brüche des DNA-Strangs, sie versuchten sich nicht selbst zu reparieren, wenn es zu einem Bruch kam. Sie waren zwar das Ende der DNA, aber kein "abgebrochenes" Ende. Und so entwickelte man die Vorstellung, dass sie sich von DNA-Brüchen deutlich unterschieden. Doch was waren sie dann? Ein Telomer wurde mehr durch das definiert, was er nicht tat, als durch das, was er in Wirklichkeit war. Ich hatte also das Glück, mich mit dieser Frage zu beschäftigen. Denken Sie also zunächst an die Möglichkeit zurück, denken Sie an eine Welt, in der sich die DNA nicht sequenzieren lässt, ok. Das war die Welt, in der ich in Cambridge in England im Labor von Fred Sanger, der später selbst Methoden der DNA-Sequenzierung entwickelte, die Arbeit an meinem Projekt begann. Doch wir wussten nicht, wie man die DNA-Sequenz analysiert. Und da gab es dieses wundervolle Rätsel: Wie war die DNA an den Enden der Chromosomen nur beschaffen? Und da ich im Labor von Fred Sanger war, wurde ich mit den damals aufkommenden Methoden sehr vertraut, die man bei dem Versuch, die DNA Sequenz zu analysieren, entwickelt hatte. Sie bestanden darin, dass man mithilfe einer Vielzahl chemischer und biologischer Methoden versuchte, Nukleotide in kleinen Abschnitten zusammenzufügen. Auf die Einzelheiten kommt es nicht an, doch ich will damit sagen, dass Sie sich nicht vorstellen können, wie unmöglich es damals war, die Sequenz der DNA zu analysieren. Doch zumindest schien es so, als seien die Enden ein Zugangsweg zur DNA. Und so wendete ich mich, indem ich an die Yale Universität und das Labor von Joe Gall ging, einem System zu, mit dem man tatsächlich an die Enden der chromosomalen DNA herankam, d.h. an die DNA von Eukaryoten und ihre Chromosomen, die natürlich linear sind. Der Grund hierfür war, dass Joe Gall und andere entdeckt hatten, dass es sehr kurze Chromosomen gibt, und zwar in sehr großer Zahl. Und eine bestimmte Art von ihnen fand man in diesem Tier, das auf diesem Dia dargestellt ist. Es handelt sich dabei um das mit Cilien besetzte Urtierchen Tetrahymena. Und dies ist insofern kein berühmter Organismus in dem Sinne, als er keine Krankheiten verursacht und es ist keines der beliebten Modellsysteme. Er wird allerdings heute für bestimmte Fragen, die mit Telomeren in Zusammenhang stehen, sehr häufig verwendet. Es war lediglich ein unbekannter Organismus, der in Teichen lebt. Doch er verfügte über diese große Anzahl linearer, kurzer Chromosomen, und das erlaubte mir - wenn Sie so wollen auf biochemische Weise - molekulare Techniken zu verwenden, mit denen ich an diese herankommen, sie isolieren und so analysieren konnte, was sich an den Enden dieser Chromosomen abspielte. Tatsächlich fand ich heraus, dass sie mit sich wiederholenden Sequenzen endeten. Es war sehr seltsam, wissen Sie. Es gab keinen vergleichbaren Fälle, die hätten erklären können, warum sie dies tun sollten. Sie endeten mit kurzen sich wiederholenden Sequenzen. In dieser Abbildung hier sehen Sie die Wiederholungseinheit. Dies also waren die Chromosomen in Tetrahymena, und sie endeten in kurzen Wiederholungssequenzen. Zusammen mit Jack Szostak, der an einem anderen Institut arbeitete, fanden wir dann heraus, dass dasselbe bei der Hefe geschieht. Und ich sollte Ihnen sagen, dass dies ein Beispiel dafür ist, wie wunderbar es sein kann, zu Treffen zu gehen und Gespräche zu führen. Denn Jack und ich kamen ins Gespräch. Ich hatte gerade über die Telomere von Tetrahymena gesprochen, und wir sprachen darüber - um eine lange Geschichte kurzzufassen - wie man diese Information nutzen könnte, um an die Telomere der Hefe heranzukommen. Wir verfolgten die Sache und wir konnten am Ende der Hefechromosomen in etwa ähnliche Formen von Wiederholungssequenzen beobachten. Nun, ein bisschen unregelmäßig, wie Sie anhand der Formeln auf diesen Dias sehen können, doch von derselben Art. Dies war also keine Besonderheit dieses merkwürdigen kleinen Tieres, das im Oberflächenfilm von Tümpeln lebte. Dies war etwas wesentlich Allgemeineres. Und in der Tat wurde dies auch von anderen gefunden. Man fand es in kriechenden Schimmelpilzen, und diese Art von Sequenzen zeigten sich an den Enden von Chromosomen. Es sah also so aus, als sei dies ein recht allgemeingültiges Phänomen. Und wissen Sie, aus der Molekularbiologie wussten wir tatsächlich - selbst damals schon, bevor wir die DNA-Sequenz korrekt analysieren konnten -, dass die grundlegenden Prinzipen des Lebens, wenn man es sich in seiner Breite anschaut, natürlich sehr ähnlich waren. Es war also nicht weiter erstaunlich, dass man hier einige allgemein gültige Entdeckungen machte. Dennoch war es gut, dies herausgefunden zu haben. Dies erlaubte es uns also im Prinzip eine Frage zu stellen, die schon von anderen gestellt worden war und die aus dem Mechanismus der DNA-Replikation hervorging, der - wie Sie sich erinnern - mit Hilfe wunderschöner, komplizierter DNA-Replikationsenzyme abläuft, eines wunderschönen Satzes dieser Enzyme, die auf wunderbare Weise alle internen Regionen der chromosomalen DNA kopiert, d.h. sämtliche lineare DNA. Doch wenn es um das Kopieren dieser Enden geht, sind sie einfach hoffnungslos überfordert, und zwar aufgrund der mechanischen Aspekte der DNA-Replikation. Ich werde die Einzelheiten nicht erläutern. Man findet sie in jedem Lehrbuch. Worum es mir geht, ist jedoch Folgendes: Der wunderbar komplizierte, intelligente DNA-Replikationsmechanismus, der die genetische Information im Inneren der Chromosomen so erfolgreich und originalgetreu kopiert, versagt an den Enden der Chromosomen. Die Enden können also nicht repliziert werden. Jedes Mal, wenn eine DNA repliziert wird, wenn sie linear ist und sofern nicht etwas anderes passiert, wird sie kürzer und kürzer und immer kürzer. Dies war also ein Rätsel, das seit den frühen 1970er Jahren wohl bekannt war, und zum Beispiel von Olovnikov und Watson als solches auch klar formuliert worden war. Dies war ein Rätsel. Und nun wussten wir, was sich am Ende der Chromosomen befindet. Es gab also dieses Problem, und zusätzlich gab es eine ganze Menge interessanter Teilinformationen. Ich werde sie hier auflisten. Denn manchmal klingt es so - wenn man sagt, dass man Telomere entdeckt hat - als seien sie aus dem Himmel gefallen oder als sei man darüber gestolpert. So war es nicht. Ich glaube, dies ist typischer für die tatsächliche Wissenschaft, dafür wie, die wirkliche Wissenschaft voranschreitet. Was geschah, war Folgendes: Es gab verschiedene Hinweise, die nicht alle aus einem System stammten. Es gab in Tetrahymena Hinweise darauf, dass die Zahl der Wiederholungen an den Chromosomenenden in der Molekülpopulation unterschiedlich war. Man konnte feststellen, dass während der Entwicklung neuer Chromosomen in diesem Organismus - er hat einen sehr komplizierten Lebensstil - neue Telomere erzeugt werden, und sie werden an Nicht-Telomere angefügt. Wie ging das vor sich? Es gab eine interessante Beobachtung in dem Organismus, der die Schlafkrankheit verursacht: Wenn diese Organismen sich vermehrten, konnte man beobachten, wie die Enden der DNA länger und immer länger wurden. Wie kam es dazu? Und Jack Szostak und ich fanden heraus, dass - wenn man ein Tetrahymena-Telomer in Hefe bringt - dass dieses Telomer wiederholt wird: Es wurde an die Wiederholungssequenzen von Tetrahymena angefügt. Dies war höchst geheimnisvoll. Und ich war von einer anderen Beobachtung der Genetiker, der Zytogenetiker fasziniert, die die Eigenschaften der Telomere auf den Begriff gebracht und benannt hatten, obwohl sie den Begriff Telomere nicht erfunden hatten, das ist wichtig. Barbara McClintock, eine Genetikerin, die sich mit Mais befasste, hat Telomere theoretisch beschrieben. Sie fand sogar eine Mutante, der es nicht gelang, gebrochene Enden zu reparieren. Diese treten in der Regel in bestimmten Stadien der Entwicklung auf. Wenn man also eine Mutante gefunden hat, die etwas Bestimmtes nicht tun kann, kommt es zu einem Aha-Erlebnis: Es muss hier einen normalen Prozess geben. Alle Teile des Puzzles lagen vor uns: Fand in den Zellen etwas statt, wodurch die Telomer-DNA verlängert werden konnte? Nun möchte ich den Jungen, die am Beginn ihrer Karriere stehen, einen kleinen Ratschlag geben, ok. Dies war also die Frage. Wir verfügten über eine Fülle interessanter Hinweise, dass hier möglicherweise etwas geschah. Nun kann man sich nicht hinsetzen und einen Antrag für Forschungsgelder schreiben und sagen: Das kommt bei den Leuten, die diese Anträge durchsehen, nicht gut an, ok. Doch man kann, man kann wunderbare finanzielle Unterstützung kommen, die einem die Forschungsmöglichkeit eröffnet, indem man sagt: "Lasst uns untersuchen, wie Telomere funktionieren." Ich bin einem Geldgeber wie dem NIH so dankbar, der sagte: Sie haben ein Stipendium mit dem Titel: "Struktur und Funktion der Telomerik". Unter dieser Überschrift kann ich der Frage nachgehen. Doch ich möchte Ihnen außerdem noch eine andere äußerst wichtige Sachen erzählen, die mir wichtig ist und die mir geholfen hat. Ich untersuchte nun also die DNA der Telomere. Ich studierte Proteine, die mit der DNA der Telomere in Zusammenhang standen, und dann geschah Folgendes: Ich erhielt eine feste Stelle und meine Forschungsgelder. Dadurch fühlte ich mich sehr mutig. Ich dachte mir: "Ah, ich kann tun, was ich will! Ich habe eine feste Stelle, ich habe Forschungsgelder, oder etwa nicht?" Dies war ein sehr bestärkendes Gefühl, obwohl ich natürlich später erkannte, dass das nicht immer wahr ist, dass man nicht alles tun kann, was man möchte. Doch ich fühlte mich sehr dadurch bestärkt, dass ich eine feste Stelle und Forschungsgelder hatte, und so dachte ich mir: Wir ließen also die normalen Arbeiten in unserem Labor weiterlaufen, ok, Arbeiten, die in dem Forschungsantrag beschrieben waren und die stetige Ergebnisse lieferten. Doch ich dachte mir: "Ok, ich werde einfach versuchen, diese Experimente durchzuführen", und ich erhielt Hinweise darauf, dass dies tatsächlich funktionierte. Dann geschah noch etwas Wichtiges: Ich stellte dies Leuten vor, als sie sich dem Labor anschlossen, und ich sagte ihnen: Einer meiner sehr nüchternen PostDoc-Fellows sagte, glaube ich, als er ankam: Doch Carol Greider, eine Doktorandin von mir, die in unser Labor kam, war bereit dies zu tun. Sie meinte, dies sei das interessanteste Projekt im Labor. Ich denke, es ist sehr wichtig, wissen Sie, Doktoranden zu finden, die sich auf das einlassen, was sie für das interessanteste Projekt am Labor halten, selbst wenn es nicht dasjenige ist, das Ergebnisse liefert. Doch in diesem Fall lieferte es Ergebnisse, und was uns schließlich gelang, war die Herstellung synthetischer DNA. Ich hatte dies bereits mit Restriktionsenzymen und DNA-Bruchstücken getan, und es zeigte sich dabei, dass DNA-Bruchstücke, die wie Telomer-DNA aussahen, angefügt wurden. Doch wir entwickelten die Sache zur Einfügung eines DNA-Oligonukleotids weiter. Und wir waren in der Lage davon zu profitieren, dass wir DNA-Oligonukleotids bekommen konnten. Wieder konnten wir Technologie nutzen, als sie soeben erst verfügbar geworden war, da synthetische DNA, Oligonukleotide, der Forschergemeinschaft gerade erst verfügbar geworden waren. Also griffen wir diese Gelegenheit beim Schopf und ließen eine synthetische DNA herstellen. Dann stellten wir fest, dass sie nach langer, mühevoller Arbeit mit Zellextrakten verlängert werden konnte. Wir konnten eine Enzymaktivität finden, die die DNA dadurch verlängerte, dass sie weitere Wiederholungssequenzen anfügte. Der wichtigste Aspekt war also, dass ich da eine Studentin hatte, die bereit war, ein riskantes Projekt zu übernehmen, aber diese Person, Carol, dachte, dies sei das interessanteste Projekt im Labor. Und dann konnten wir, wie gesagt, die Vorteile von Technologien nutzen. Es gab fantastische biochemische Technologien in der Enzymologie. Wir konnten, um unsere Zellextrakte herzustellen usw. und um Inkubationen und Reaktionen durchzuführen, die früheren Erfahrungen nutzen, die Leute in DNA-Replikationsstudien gesammelt hatten. Wie ich bereits erwähnte, lief uns die Technologie über den Weg, bei der es sich zufällig um die DNA-Oligosynthese handelte. Was wir fanden, war dieses Enzym Telomerase. Jetzt zeige ich Ihnen das Ende eines Chromosoms im cilienbesetzten Urtierchen Tetrahymena, bei dem es sich um eine reiche Quelle kurzer DNAs handelt. Ich ging davon aus, dass dieser Organismus wahrscheinlich auch eine reiche Quelle für jegliche Enzyme sein würde, die diese DNAs herstellen würden. Und tatsächlich: Wenn man sich ein Chromosomende in Tetrahymena sehr vereinfacht anschaut, nur die DNA hier betrachtet, so geschieht hier Folgendes: Es wird durch das Enzym Telomerase verlängert. Dies ist ein wahrhaft faszinierendes Enzym, weil es sowohl aus RNA als auch aus DNA besteht. Beide Teile tragen zum Erfolg der Reaktion bei, obwohl der katalytische - Entschuldigung, es besteht aus RNA und Protein. Die katalytische Stelle ist tatsächlich das Protein. Es ist nicht die RNA. Doch die RNA spielt eine entscheidende Rolle dabei, diesen Ort der Proteinkatalyse funktionsfähig zu machen. Es ist eine faszinierende Zusammenarbeit zwischen einem Protein und der RNA. Und die entscheidende Sache, die ich Ihnen auf dem Dia hier gezeigt habe, ist eine kurze RNA-Sequenz, die in die DNA kopiert wird, einfach indem Nukleotide hinzugefügt werden, und auf diese Weise wird die DNA verlängert. In diesem Reagenzglas hatten wir also, was man brauchte, um das Problem der DNA-Replikation zu lösen, das Problem der Replikation der Enden, auf das ich angespielt habe. Hier war es also im Reagenzglas. Funktionierte es auch auf diese Weise in Zellen? Also verwendeten wir Tetrahymena und mein Student Guo-Liang Yu entwickelte eine Technologie, mit der man die Gene wieder in Tetrahymena zurückbringen konnte. Wir mussten die Sache sozusagen "von den Wurzeln her" wieder aufbauen. Doch wir erhielten die ersten Hinweise darauf, dass man Telomerase in Zellen benötigt. Nun, die Tetrahymena, ich habe Ihnen dies nicht gesagt, aber diese Organismen sind unsterblich. Sie vermehren sich einfach immer weiter. Wenn man sie füttert und freundlich mit ihnen spricht, vermehren sie sich endlos weiter. Sie sind unsterblich. Sie müssen also, nebenbei bemerkt, über sehr gute DNA-Reparatursysteme verfügen. Und sie besaßen jede Menge Telomerasen, sozusagen. Hingen diese beiden Tatsachen zusammen? Was tut man also? Nun, man manipuliert die Telomerase experimentell, und sorgt mit genetischen Methoden dafür, dass sie nicht mehr funktioniert. Das also taten wir. Dann stellten wir fest, dass in den nächsten 20 Generationen oder so, die Telomere nach und nach immer kürzer und kürzer wurden, und die Zellen hörten auf sich zu teilen. Wenn ich nun davon rede, dass wir die Telomerase genetisch zerstört haben, mache ich Ihnen ein Geständnis. Dies klingt alles sehr absichtlich nicht wahr, als hätten wir den Plan gehabt, sie zu zerstören. Tatsächlich führten wir damals ein anderes Experiment durch. Wir betrachteten die RNA und fragten uns nach ihrer Fähigkeit, als Schablone zu dienen. Doch wir hatten sehr großes Glück, weil es sich herausstellte, dass einige der Mutationen nicht in die DNA kopiert wurde, was uns sehr frustrierte. Doch dann bemerkten wir: "Oh, seht mal. Die Telomere werden kürzer und die Zellen sterben". Und dann stellten wir fest, dass das Enzym in den Zellen nicht mehr aktiv war. Und dies war nun also eine sehr nützliche Mutante. Doch wir hatten nicht damit begonnen, diese unmittelbare Frage zu stellen. Wieder war die Lektion dieser Sache: Schau immer nach dem, was der Organismus dir sagt. Wir hatten dieses besondere Experiment nicht mit dieser Frage im Hinterkopf entworfen. Doch es erwies sich als das absolut perfekte Experiment zur Beantwortung der Frage: "Braucht man Telomerase?" Denn wir hatten zufällig eine Mutation erzeugt, die die Aktivität der Enzyme in den Zellen beeinträchtigt oder ruiniert, verdirbt, zerstört. Und dies versetzte uns also in die Lage, die Frage zu stellen, die ich jetzt hier oben hinstelle. Und es sieht so aus, als ob ich die Absicht gehabt hätte, dies zu sagen und zu tun, als ob ich geplant hätte, dieses Experiment durchzuführen. Doch wir sind einfach durch einen glücklichen Zufall darüber gestolpert. Wahrscheinlich hätten wir dieses Experiment als nächstes durchzuführen versucht. Doch wir hatten Glück und erhielten eine Mutante, die funktioniert. Und was dies für uns bedeutete, war: Wir hatten das Zentrum der Fähigkeit dieser Zellen gefunden, sich zu vermehren. Dies war also wirklich.... Wissen Sie, alle diese Zellen starben. Die Telomere wurden immer kürzer und sie starben. Die wichtige Lektion war also ein unsterblicher Organismus: Wir mussten lediglich die Komponente der Telomerase mutieren. Es war die RNA. Wir wussten, was es war, sehr, sehr genau. Und die Zellen wurden sterblich. Das sagte uns, dass die Telomerase die Telomere erhielt. Nun gut, wir wussten nun also etwas über die Telomerstruktur, bei der es sich um sich wiederholende DNA handelt. Diese DNA-Sequenzen werden durch Telomerase hergestellt, und sie bleiben durch einen sehr komplizierten, hochgradig gesteuerten Prozess erhalten. Und was leistet das für die Zellen? Es erstellt eine Plattform, eine Plattform von DNA-Bindungsstellen, an die sich sehr viele sehr interessante interaktive Proteine binden, die speziell die DNA-Sequenz binden. Sie haben Proteinpartner und gehen auf dynamische Weise mit dem Telomer Verbindungen ein und lösen sie wieder auf. Doch das Wichtige ist: Sie erstellen eine Hülle, und diese Schutzhülle ist der ganze Zweck der Telomere. Und das ist diese Kappe. Das ist die Schutzkappe, ok. Ich vergleiche sie immer mit der Hülse am Ende von Schnürsenkeln. Doch wie ich sagte, gibt es dieses inhärente Problem, dass Telomere - aufgrund der ihnen wesentlichen Replikationseigenschaften und weil wir mittlerweile Nuklease-Aktivitäten kennen - dass Telomere die Tendenz haben, kürzer zu werden. Es ist also so, wie das verschlissene Ende eines Schnürsenkels: Sie haben die schützende Hülse verloren, und nun dröselt sich der Schnürsenkel auf. Und dies ist eine sehr schlechte Situation. Die Zelle reagiert eindeutig darauf. Was passiert, ist Folgendes: Dieses sehr verkürzte Telomer sendet ein Signal an die Zellen, und die Zellen stellen ihre Teilung ein. Tatsächlich können sie Instabilitäten ihres Genoms durchmachen. Und dieses "verschlissene Ende" - bei dem es sich lediglich um eine Metapher handelt - ist im wahrsten Sinne ein verkürztes Telomer oder es sind verkürzte Telomere, und das hindert Zellen an der weiteren Teilung. Zusammenfassend lässt sich also sagen: Wenn man zu viel Abnutzung hat, leben die Zellen nicht weiter, ok? Schauen wir uns nun also Situation beim Menschen an. Wir kommen nun zu der Frage: "Wie funktioniert all dies beim Menschen?" Wir haben jetzt eine deutlich andere Situation vor uns, als bei Tetrahymena oder Hefen und solchen Organismen, die sich einfach endlos weiter teilen. Wir haben es jetzt mit uns selbst zu tun. Und Sie wissen, dass wir in den Industriegesellschaften, in denen die Lebensbedingungen gut sind, zum Beispiel eine Lebenserwartung von etwa 80 Grad haben, Entschuldigung, von 80 Jahren - ich denke an das warme Wetter, das wir heute in Lindau haben. Wir haben eine Lebenserwartung von etwa 80 Jahren. Und die maximale Lebensdauer beträgt etwa 120 Jahre. Sie entspricht in etwa diesem Wert. Unser Leben erstreckt sich heute über viele Jahrzehnte. Nun, wir wissen mit Sicherheit, dass die dem zugrundeliegenden molekularen Prozesse bei allen Eukaryoten ähnlich sein werden. Das hat man umfassend beobachtet. Wissen Sie, wir haben Telomerase ebenso wie Tetrahymena und Hefen usw. Doch der wichtige Aspekt hieran ist, dass die Genetik all dieser Dinge sich nun über einen sehr langen Zeitraum manifestiert, über Jahrzehnte des Lebens. Wie also spielt sich das alles ab? Das war in vielen, vielen verschiedenen Labors in den letzten paar Jahrzehnten das Forschungsthema. Eine einfache Beobachtung also - grob umrissen, und es wird Ausnahmen geben - lautet, dass die Telomerase durch einen allgemeinen Vorgang häufig die erwachsenen menschlichen Zellen an weiteren Teilungen hindert. Sie werden also tatsächlich kürzer, und in vielen Systemen des Körpers findet man Hinweise darauf, dass wahrscheinlich Folgendes geschieht: dass die Telomere immer kürzer werden und der Alterungsprozess voranschreitet. Man kann Hinweise darauf in vivo, bei Menschen beobachten. Nun, die Frage lautete: Spielt sich dieses zelluläre Phänomen im Laufe unseres Lebens ab? Brennt die Kerze sozusagen für die Telomere ab? Zeigt sich das tatsächlich im Lauf des menschlichen Lebens, oder nicht? Das war die Frage, zu deren Beantwortung viele, viele Labors Beweismaterial zusammengetragen haben. Und so werde ich Ihnen also als erstes einen sehr kurzen Überblick über das geben, was man beobachtet hat. Anschließend möchte ich mit Ihnen einige Aspekte dessen bedenken, was diesen Prozess beeinflussen könnte. Ok, gehen wir also zurück zum Grundsätzlichen! Was diesen Prozess als erstes beeinflussen würde, wäre die Tatsache, ob man über Telomerase verfügt oder nicht. Es wurden so viele Analysen dazu durchgeführt, wo wir in menschlichen Zellen Telomerase finden. Zunächst die normalen Zellen: Nun, in normalen Zellen, in Zellen, die tatsächlich unsterblich sein müssen oder die eine sehr lange Replikationslebensspanne haben, findet man sehr viel Telomerase, zum Beispiel in Stammzellen, Keimzellen, Keimbahnzellen. Wissen Sie, wir alle sind heute hier, weil die Zellen unserer Keimbahnen Telomerase enthalten. Sie erhalten die Telomere von Generation zu Generation. Und in bestimmten Stammzellen, die während ihres ganzen Lebens über lange andauernde proliferative Eigenschaften verfügen, besonders im Immunsystem. Doch man findet Telomerase auch in anderen Zellen, und wir fanden das eigentlich sehr instruktiv, andere Zellen anzuschauen und besonders Zellen des Immunsystems und Zellen des peripheren Blutes, wo sie jemandem mit einer ziemlich nicht-invasiven Blutentnahme eine Probe entnehmen können. Gesunde Leute geben einem Blut, und man kann anhand der weißen Blutkörperchen, der Zellen des Immunsystems aus einer Blutprobe, die Telomere untersuchen und wie sie erhalten werden, als eine Art Fenster in die Zellen. Heute können wir dies sogar, wie ich Ihnen später zeigen werde, anhand von Speichel untersuchen, denn es gibt viele Zellen, die in Ihren Speichel gelangen, und er gibt einem auch eine gute Quelle genomischer DNA. Und so können wir die Telomerase in Blutzellen quantifizieren, und so könnte man erwarten, dass die Telomerase mehr oder weniger beeinflussen wird, wie kurz die Telomere werden, und in welcher Zeit. In solchen Zellen können wir natürlich auch die Länge der Telomere bestimmen. Eine weitere wichtige Entdeckung war, dass die Telomerase in Krebszellen stark aktiviert ist. Und Krebszellen haben, wie Sie wissen, außer ihren vielen anderen unerwünschten Eigenschaften, die Eigenschaft, zu viel zu wachsen. Die Zellen wachsen zu viel, weil sie mutiert sind und epigenetischen Änderungen unterlagen, die dazu geführt haben, dass sie die Signale ignorieren, die ihnen zeigen, dass sie die Vermehrung einstellen und sich an die richtige Stelle im Körper bewegen sollen usw. Krebszellen sind also bösartige Zellen, die keiner Kontrolle unterliegen, und die Telomerase erlaubt diesen unkontrollierten Zellen, ihre Telomere zu erhalten und sich weiter zu vermehren. Im Zusammenhang mit Krebszellen ist die Telomerase wirklich eine schlechte Sache. Doch die Krebszellen haben zahlreiche andere Änderungen durchgemacht. Tatsächlich erscheint in gewöhnlichen Krebszellen eine erhöhte Telomerase-Konzentration erst, wenn sie sich in einem ziemlich fortgeschrittenen Stadium befinden. Über die Telomerase in Krebszellen werde ich heute nicht sprechen. Es ist eine faszinierende Frage. Es gibt interessante Fragen darüber, ob man sie hemmen oder manipulieren kann, um die Krebszellen zu zerstören. Doch für heute werde ich mich auf die normalen Zellen konzentrieren, ok? Stellen wir uns also einfach vor, von welchen Situationen wir erwarten könnten, dass sie sich in den nächsten Jahrzehnten im menschlichen Leben ereignen werden. Stellen Sie sich die Situation in Keimzellen vor. Nun, die Zellen werden erhalten bleiben, genau wie bei Tetrahymena oder der Hefe. Und daher wissen wir, dass wir eine Balance zwischen der Verkürzung und Verlängerung erwarten, da die Telomere im Großen und Ganzen erhalten bleiben. Es gibt eine Menge genetischer und nicht-genetischer Steuerungen dieser Prozesse, wie ich Ihnen sogleich erklären werden. Doch Sie können sich auch vorstellen, dass die Balance in die andere Richtung geht, und dies hat man bei bestimmten Immunzellen beobachtet, während sie verschiedene multiplikative Stadien im Körper durchlaufen. In normalen differenzierten Zellen werden Telomere tatsächlich länger. Also diese Allgemeingültigkeit, die ich Ihnen gezeigt habe: Sie müssen nicht immer kürzer werden, doch häufig werden sie kürzer. Und wenn die Zellen über etwas Telomerase verfügen, könnten Sie sich vorstellen, dass sie durch diese natürlichen Prozesse kürzer werden, doch die Telomerase könnte versuchen, ihre Länge zu erhalten. Sie könnte in der Lage sein, den furchtbaren Moment, in dem die Telomere zu kurz werden, eine ganze Zeit lang aufzuschieben. Doch der Alterungsprozess würde schließlich doch weitergehen. Und das wäre - wenn alles andere gleich bliebe - später als alles andere, wenn es weniger Telomerase gäbe. Und könnte sie die Alterung nicht so lange aufschieben. Wie würden alle diese Dinge funktionieren? Wir wissen sogar aus einer Hefezelle, dass sie 350 Gene hat - mindestens, wir zählen noch -, die die Länge der Telomere und die Längenverteilungen beeinflussen. Wir wissen also, dass dieser Prozess sehr vielen genetischen Steuerungen unterliegt. Wir erwarten demnach genetische Steuerungen und wir erwarten nicht-genetische Steuerungen, da alles auch von nicht-genetischen Einflüssen mitbestimmt wird. Das wird das Hauptthema sein, dem ich mich zuwende. Doch ich wollte Ihnen noch kurz sagen, dass der Grund dafür, warum wir hieran so ein großes Interesse entwickelten, der ist, dass viele Arbeitsgruppen erkannt hatten, dass viele übliche Erkrankungen des Alterns - einschließlich der Krebsleiden, aber auch viele Krankheiten, die für alternde Menschen charakteristisch sind - mit kürzeren Telomeren in den normalen Zellen in Zusammenhang gebracht worden sind. Dies ist nur eine kleine Auswahl der Krankheiten, bei denen Sie diese Zuordnung finden, und die Liste des Autors auf der rechten Seite ist äußerst unvollständig, es ist nur eine kleine Auswahl. Auf der linken Seite sehen Sie die üblichen Krankheiten. Wenn Sie sich diese Krankheiten ansehen, werden Sie erkennen, dass sich darunter einige der Krankheiten wiederfinden, die zu den häufigsten Todesursachen gehören, und die in den Bevölkerungen zu den ernsten medizinischen Problemen führen: Krebs, pulmonale Fibrosen, Herzkranzgefäßerkrankungen, vaskuläre Demenz, degenerative Zustände, Diabetes, sogar Risikofaktoren für einige von ihnen. Dies hat man in verwandten Studien erkannt. Lassen Sie uns einfach darüber nachdenken. Denken wir darüber nach, was dies bedeutet. Wir sind an diesem Symposium interessiert, an diesem wunderbaren Treffen zu den großen Fragen der globalen Gesundheit. Und dies zeigt das Diagramm für.... Ich glaube dies sind die Zahlen für die USA. Es wir in unterschiedlichem Ausmaß überall auf der Welt zutreffen: dass wir zunächst die Situation haben, in der die Bevölkerung überaltert. Ich haben soeben erst etwas aus einem Aufsatz entnommen, der am 25. Juni veröffentlicht wurde, vor nur wenigen Tagen. Fast 10 % der Erwachsenen haben Diabetes. Die Häufigkeit nimmt zu, und das Wichtige ist, dass dies nicht nur für die Industrienationen gilt. Sie steigt in den Entwicklungsländern. Dies ist ein wahrhaft globales Problem: 10 % der Erwachsenen weltweit, in allen Ländern, leiden an Diabetes. Und die Häufigkeit nimmt nur zu. Wir haben also einige große Gesundheitsfragen. Über mehrere von ihnen haben wir heute bereits etwas gehört. Doch ich denke, dass wir auch über diese Fragen nachdenken müssen. Ich spreche diese Fragen heute an, weil unsere Forschung das, was wir über die Erhaltung von Telomeren beim Menschen verstehen, mit dieser Art von Krankheiten, von denen Diabetes ein Beispiel ist, in Verbindung gebracht hat. Ok, es ist also ein wachsendes Problem. Ok, was habe ich soeben gesagt? Ich habe gesagt, dass die Kürze von Telomeren in der allgemeinen Bevölkerung, d.h. bei der Mehrzahl der Menschen, in kleinen Gruppen weltweit, mit häufigen Alterserkrankungen in Verbindung gebracht worden ist. Ok. Was geht also vor? Nun, sind es die "Wartungsarbeiten" an den Telomeren, was zu dieser Verkürzung führt? Was man in dieser Situation tut, ist natürlich, dass man sich der Humangenetik zuwendet und sich seltene Mendel'sche Mutationen anschaut, und man stellt fest, was man davon lernen kann. Sie sind beim Menschen sehr instruktiv gewesen. Und Forscher haben in Versuchen mit Mäusen absichtlich Telomerase entfernt. Außerdem ist es eindeutig, dass die seltenen Telomerase-Mutationen, die beim Menschen auftreten, die Enzymaktivität der Telomerase oder ihre Fähigkeit beeinträchtigen, Telomere hinzuzufügen. Sie unterbrechen die enzymatische Funktion der Telomerase oder ihre Fähigkeit, Telomere hinzuzufügen, ok. Mutierte Telomerasegene sind einfach reine Glückssache. Das Rouletterad dreht sich und Ihre Eltern geben Ihnen irgendeine Kombination von Genen. Es ist das Glück der Gene, und in diesem Fall das Unglück der Gene. Das führt zur Kürze der Telomere. Es ist sehr deutlich, dass dies eine Krankheitsfolge hat, sowohl beim Menschen als auch im Mausmodell, wo dies in Experimenten durchgeführt worden ist. Diese Art von Krankheiten, ihre Häufigkeit nimmt stark zu. Die betroffenen Organismen werden für diese Krankheiten sehr anfällig. Schauen Sie sich diese Liste an. Sie beginnt sie an die Liste zu erinnern, die ich Ihnen vorhin gezeigt habe, diese generellen Erkrankungen, die in der allgemein Bevölkerung mit dem Alterungsprozess und mit der Kürze von Telomeren in Zusammenhang stehen. Hier, bei diesen seltenen Mutationen, haben wir es mit einer Kausalkette zu tun. Die interessante Frage lautet nun: Wie verhält es sich mit den gewöhnlichen Verkürzungen, den allgemeinen Variationen im Genom, die zur Folge haben, dass Telomere kürzer sind. Führen auch sie zu Krankheiten? Diese Untersuchungen, die epidemiologisch wesentlich komplexer sind - man hat soeben erst begonnen, diese Frage zu stellen - legen bereits eine positive Antwort nahe. Und es gibt einen wunderbaren Fall, einen Fall von Krebs, bei dem man bei einem bestimmten Krebs - dem Blasenkrebs, einer ziemlich häufigen Form von Krebs - sehen kann, dass eine Verkürzung, die zu kürzeren Telomeren führt, auch Blasenkrebs verursacht. Ein Teil dieser Wirkung wird durch die Kürzung der Telomere vermittelt. Genetisch gesehen wissen wir, dass dies der Fall ist. Nun wende ich mich einem Thema zu, dass sehr interessant für uns gewesen ist: den nicht-genetischen Faktoren. Wissen Sie, wenn man über künftige Herausforderungen nachdenkt, die Genetik... Ich denke, wir haben die Genetik, wenn man so will, fest in der Hand. Nun, ich meine, dass das in mancher Hinsicht eine triviale Feststellung ist, denn natürlich gibt es nach wie vor ungeheur komplexe Zusammenhänge. Doch wir verstehen es, wir kommen mit der Genetik klar. Wir verstehen, dass Gene Auswirkungen haben. Ja, Gene wirken wechselseitig aufeinander ein. Ja, wir wissen, dass sie unterschiedlich wichtig sind. Es gibt viele verschiedene Wege, auf denen wir dies untersuchen können, und dies geschieht mit großer Intensität auf äußerst produktive Weise. Lassen Sie uns etwas Schwierigeres tun. Lassen Sie uns etwas Spaß haben, ok? Wählen wir etwas aus, was schwieriger ist: nicht-genetische Faktoren. Und mein nächster Punkt ist, wenn jemand mit einer wirklich interessanten Frage zu Ihnen kommt, die Sie einfach ergreift, und wenn Sie denken, dass diese Person für diese Art von Forschung gut geeignet ist, dann greifen Sie zu! Wir begannen also eine Zusammenarbeit. Und das war wunderbar, denn unsere Freunde in der Abteilung für Psychiatrie am UCSF waren sehr an chronischem Stress interessiert. Wir fanden - man höre und staune -, dass wir mit Ihnen zusammenarbeiten und zeigen konnten, dass Patienten, bei denen, nebenbei bemerkt, chronischer Stress ein bekannter Risikofaktor für allgemeine Erkrankungen war, etwa der Herzkranzgefäße, dass die Kürze von Telomeren mit chronischem Stress assoziiert war. Meine Zeit ist zu Ende, und was ich tun werde ist.... Das war die Botschaft. Das Wichtige war, dass wir herausfanden, dass Stress eine Verkürzung der Telomere bewirkt. Dinge, die einem in der Kindheit zustoßen, wie zum Beispiel mehreren Traumata ausgesetzt zu sein, haben einen Einfluss auf die Telomere, wenn man erwachsen ist. Das ist es, was aus diesem Diagramm hier hervorgeht. Daher hat uns diese Frage sehr, sehr fasziniert. Nun haben wir also erkannt... Wenn ich in einem Schritt durch alle diese Dinge gehe, ich hatte Ihnen viel zu viel zu sagen. Ich wusste, dass ich so aufgeregt sein würde. Wir versuchen wirklich die Interaktion zwischen chronischem Stress und der Verkürzung der Telomere zu verstehen, von der wir wissen, dass sie zu Krankheiten führt. Wir versuchen zu verstehen, wie alle diese Dinge miteinander zusammenhängen. Das Fazit war also, dass wir uns die Sachen in der zeitlichen Entwicklung anschauen, und wir sehen Auswirkungen. Doch mein wunderbarer technischer Assistent entschied, dass er eine Maschine zur Analyse der Länge von 100.000 Telomeren einrichten würde. Er baute einen sehr komplizierten Roboter, und hier sieht man ihn in Aktion, ok. Wir konnten also massenweise Informationen über die DNA der Telomere bekommen. Und nun werde ich hiermit enden, denn es ist meine Bitte an Sie alle, die sie an wirklich komplizierten Datensätzen interessiert sind und daran, wie man sie analysiert. Denn was wir taten, war, wir erstellten - wie mein wunderbarer technischer Assistent sagte - mehr Daten über Telomerlängen als jemals zuvor. Hier sind sie also. Dies sind einfach die rohen Daten, ok, tonnenweise, 100.000 Leute. Doch das Schöne ist, dass sie mit einem wunderbaren Projekt der genomweiten Assoziation verbunden sind: mit 675.000 Verkürzungen bei diesen 100.000 Leuten. Und 20 Jahren klinischer Daten, alles longitudinale, elektronische Gesundheitsdaten. Dies wird so faszinierend sein, diese wunderbaren Informationen zu verwenden und damit zu beginnen, sie miteinander in Beziehung zu setzen. Denn das eigentliche Ziel ist, dass wir diesen Lebensweg wirklich verstehen wollen. Wir möchten den Verlust der Telomere auf der einen Seite, den Gewinn von Telomeren auf der anderen verstehen, die Erhaltung der Telomere. Wir wissen, dass es genetische Komponenten gibt. Und was ich Ihnen nicht gesagt habe - es ist jedoch publiziert - wir wissen, dass negative Ereignisse in der Kindheit und chronischer psychischer Stress zu einer Verkürzung der Telomere und damit zu einem erhöhten Krankheitsrisiko führen. Bildung, das freue ich mich Ihnen sagen zu können, ist eindeutig mit längeren Telomeren assoziiert, ebenso wie körperliche Betätigung und Stressreduktion. Mit diesem erfreulichen Hinweis möchte ich schließen und Ihnen lediglich sagen, warum ich denke, dass dies so wichtig ist: Weil ich denke, dass es so viel mehr zu lernen gibt. Und dies sind die Leute in meinem Labor und unsere Mitarbeiter, mit denen wir so viel Spaß haben bei der Konfrontation mit Fragen, die meines Erachtens wichtig sind, wenn wir über Fragen menschlicher Gesundheit nachdenken. Wir sehen sehr allgemein verbreitete Krankheitssituationen, die weltweit zunehmen. Ich möchte Sie zur Annahme dieser Herausforderung einladen, nachdem wir die akuten Probleme, diese schweren Probleme der ansteckenden Krankheiten und der größten globalen Gesundheitsprobleme gelöst haben werden. Warum schauen Sie nicht in die Zukunft der nächsten Jahrzehnte und sagen, was uns noch bleibt. Uns bleiben diese anderen chronischen Erkrankungen und diese anderen Krankheiten, und ich denke, wir sollten uns um das sehr komplexe Problem kümmern, wie wir diese Krankheiten verhindern. Wir wollen die akuten Krankheiten behandeln. Lassen Sie uns darüber nachdenken, wie wir die anderen, die übrig bleiben werden, verhindern können, jetzt, da wir die akuten Infektionen und anderen Krankheiten überleben. Haben Sie vielen Dank.

Elizabeth H. Blackburn (2011)

Telomeres and Telomerase in Human Health and Disease

Elizabeth H. Blackburn (2011)

Telomeres and Telomerase in Human Health and Disease

Abstract

Telomeres are the protective tips that stabilize the ends of chromosomes. The function of telomeres is to allow cells to divide while holding the genetic material intact. Telomeres contain specialized, simple repetitive DNA sequences that, together with their specifically-bound proteins, protect chromosome ends from damage. Every time cells divide, unless a process of telomere elongation intervenes, telomeres become shorter and shorter until, eventually, the cells die. Thus a telomere is analogous to a „fuse“ whose length determines the lifespan of cells – when the telomere “fuse” in cells becomes too short, either loss of cell replenishment capability, or genomic instability (with the comcomitant risk of the cell becoming cancerous) can result.
The telomere shortening process can be slowed, prevented or even reversed by the ribonucleoprotein enzyme telomerase. Telomerase rebuilds back the telomeres by adding telomeric DNA to them. By recognizing a worn-down telomere in a cell and elongating it by telomeric DNA addition, telomerase thus can effectively turn back the hands of the ticking clock that would otherwise be counting down the time to when the telomeric “fuse” will become too short and detonate. The degree of telomerase action therefore is a key factor in counteracting telomere shortening.
Telomerase is found in various human cell types. It is a unique reverse transcriptase because although, like the well-known retroviral reverse transcriptases, it has a catalytic protein, telomerase is a ribonucleic acid complex containing an essential, dedicated RNA as well as protein subunits. The RNA of telomerase contains a short sequence that is copied into the telomeric DNA, and in addition, this RNA also has evolutionarily conserved structures that are crucial to the enzymatic reaction of telomerase.
In humans, telomerase is often over-activated in malignant cancer cells, contributing to their uncontrolled growth. However, throughout human life, the telomerase in normal cells may become insufficient, because telomeres often wear down in cells, and telomere shortening in normal cells in the human body has been linked to diseases that increase with aging. In fact, through many clinical studies, telomere shortness has emerged as a potential marker for biological aging, because telomere shortness is associated with the major diseases of aging – including cardiovascular disease, cancer, diabetes, diseases of poor tissue replenishment and diseases of poor immune function, inflammation - and a higher risk of mortality.
The insights gained from the research on telomere biology are not so much related to people living longer than normal, but rather, relate to the goal of living longer in good health – that is, augmenting the so-called “health-span”. “Health-span” can be contrasted with the term “lifespan”, which only tells one how many years a person lives, but does not give information about the quality of life and health during the years a person is alive. Therefore, an important challenge is the application of this growing knowledge of telomeres and telomerase to forestalling some common diseases and improving human health.

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