Characterization in humans of in vitro leukocyte maximal telomerase activity capacity (mTAC) and association with stress

Abstract

Background: Telomerase, a cellular reverse transcriptase enzyme that can counteract telomere shortening and, in addition, preserves healthy cell function, constitutes a promising target for research into the pathological effects of stress on cellular aging. Previous studies that have included measures of telomerase have typically measured telomerase expression or activity under basal (resting) conditions. It is, however, challenging to reliably quantify or interpret these data because leukocyte telomerase is typically expressed at very low levels and is dynamic in nature. In contrast to basal measures, telomerase activity can be quantified in response to an ecologically-valid challenge such as mitogen stimulation in vitro. The potential advantage of this approach is that it may bypass the above-mentioned limitations to provide an indicator of individual differences in the capacity of the telomere biology system to respond to an immunological challenge. Objective: The aim of this study was to validate an in vitro measure of leukocyte maximal telomerase activity capacity (mTAC) for use in human studies of telomere biology, and to determine its association with measures of stress and stress responsivity. Methods: First, the optimal post-stimulation time course to characterize mTAC was established using an in vitro mitogen challenge (phytoheamagglutinin (PHA) supplemented with interleukin(IL)-2). Next, mTAC was measured in leukocytes and cortisol concentrations were assessed in saliva obtained from 28 healthy young women and men at different times of the day and before and after a standardized laboratory stressor. In addition, immune cell distributions prior to mitogen stimulation were determined by flow cytometry in a subset of the participants. Perceived (chronic) stress also was assessed using the Perceived Stress Scale. Results: The optimal time point to quantify human leukocyte mTAC was 72 hours after mitogen stimulation. mTAC exhibited substantial within-subject stability across time and was not influenced by situational factors including time of day, cortisol concentration, acute stress exposure, and immune cell distribution. A significant proportion of the between-subject variability in mTAC was associated with measures of stress and stress responsivity. Particuarly, there was a 25% difference in mTAC between subjects reporting high compared to medium or low levels of perceived (chronic) stress. Also, individual differences in the cortisol response to stress-exposure accounted for as much as 32% of the variation in mTAC. Conclusion: Based collectively on these findings, it appears that mTAC may represent a potentially useful individual difference measure in stress-related studies of the human telomere biology system.

Hintergrund: Telomerase, ein zelluläres Transkriptionsenzym, das der Telomerverkürzung entgegenwirkt und wichtig ist für gesunde Zellfunktion, ist ein vielversprechender Biomarker hinsichtlich pathologischer Folgen von Stress auf zelluläre Alterungsprozesse. Bisherige Studien zur Messung von Telomeraseaktivität oder -expression haben dies meistens unter basalen Bedingungen durchgeführt. Basale Telomerase-Werte sind jedoch aufgrund der niedrigen Expressionsrate und der dynamischen Regulation der Telomerase in Leukozyten sehr schwierig zu messen und zu interpretieren. Im Gegensatz zur basalen Expressionsrate kann Telomerase-Aktivität im Rahmen eines ökologisch-validen Challenge Tests wie der in vitro Mitogen-Stimulation quantifiziert werden. Ein potentieller Vorteil dieses Verfahrens ist, dass dadurch die o.a. Einschränkungen der Interpretierbarkeit der basalen Telomerase-Aktivität umgangen werden können, und man somit die Möglichkeit hat, individuelle Unterschiede zu erfassen in der Kapazität des Telomersystems auf einem immunologischen Stimulus zu reagieren. Ziel: Das Ziel der Studie bestand in der Entwicklung und Validierung eines Maßes der maximalen Telomerase-Aktivitätskapazität (mTAC) zur Nutzung in Humanstudien im Bereich der Telomer-Biologie. Außerdem wurde der Zusammenhang dieses Maßes mit Stress bzw. Stressreaktivität untersucht. Methoden: Zuerst wurde der optimale post-stimulative Zeitverlauf zur mTAC-Charakterisierung mit einem in vitro Mitogen-Challenge-Protokoll (PHA ergänzt durch Interleukin(IL)-2) bestimmt. Danach wurden sowohl mTAC in Leukozyten und Cortisolkonzentrationen im Speichel von 28 jungen gesunden Proband/innen zu verschiedenen Messzeitpunkten im Verlauf des Tages und im Rahmen eines standardisierten Paradigmas zur Induktion psychosozialen Stresses im Labor gemessen. Darüber hinaus wurde in einem Teil der Stichprobe Durchflusszytometrie verwendet, um die Immunzell-Verteilung vor Stimulation zu bestimmen. Die wahrgenommene (chronische) Stressbelastung wurde durch die Perceived Stress Scale erfasst. Resultate: Der optimale Zeitpunkt zur Quantifizierung von mTAC in humanen Leukozyten liegt bei 72 Stunden nach Mitogen-Stimulation. mTAC weist eine erhebliche Stabilität innerhalb von Personen auf und wird nicht durch situationsbedingte Faktoren wie Tageszeit, Cortisol, akute Stressexposition und Immunzell-Verteilung beeinflusst. Ein signifikanter Anteil der Varianz zwischen Personen in mTAC wird durch chronische Stressbelastung und biologische Stressreaktivität erklärt. Insbesondere waren mTAC-Werte bei Personen mit hoher wahrgenommener Stressbelastung um 25% niedriger im Vergleich zu Probanden mit mittlerem oder niedriger wahrgenommener Stressbelastung. Außerdem erklärten individuelle Unterschiede in der Cortisolreaktion auf Laborstressexposition 32% der Varianz von mTAC. Fazit: Basierend auf diesen Ergebnissen kann man schlussfolgern, dass mTAC einen nützlichen individuellen Marker für stressbezogene Humanstudien im Bereich der Telomerbiologie darstellt.