Gene expression changes in senescent human fibroblasts point to the existence of a human telomere position effect

Abstract

Every living organism ages. A distinction can be made between replicative aging (characterized by telomere shortening) and stress-induced aging (mainly caused by reactive oxygen compounds). In replicative aging, the telomeres shorten during each cell division, which is caused by incomplete replication during cell division. Several diseases have been shown to be affected directly or indirectly by telomere shortening. One of these diseases is Hutchinson-Gilford-Progeria, which is characterized by premature aging and mild telomere shortening. Another disease is the Nijmegen Breakage syndrome, which is a disease associated with more severe telomere attrition and markedly reduced telomere length. Telomeres are repetitive nucleotide sequences that act as protective caps at the ends of each chromosome. Each cell can divide for a certain number of times until its entries a stage called senescence or apoptosis. Most tumor and stem cells can express the gene telomerase (hTERT, human Telomerase Reverse Transcriptase), which can extend telomeres to some extent. Recently, the so-called Telomere Position Effect-Over Long Distances (TPE-OLD) has been described. Here, gene expression is directly controlled by telomere length. In this work, different genes were screened for a TPE-OLD mechanism in human fibroblasts from Hutchinson-Gilford-Progeria patients and healthy children. In addition, primary cells were transfected with a vector to express hTERT and to arteficially lengthen telomeres. In addition, lymphoblastoid cell lines and HUVEC were studied to further elucidate the cell specificity. For comparison, telomere-dependent differences in gene ex-pression were also investigated in Nijmegen Breakage Syndrome cells. The serine/threonine phosphatase PPP2R2C (a tumor suppressor gene) was identified as a TPE-OLD regulated gene. Gene expression is upregulated by telomere shortening and chromosome reorganization in pre-senescent cells and leads to dephosphorylation of p70S6 kinase and suppression of mTOR (mammalian target of rapamycin) by TPE-OLD. The results suggest a metabolic adaptation process in older cells and a link between telomere length and gene expression regulation and mTOR suppression.

Jeder lebende Organismus altert. Man kann vereinfacht zwischen replikativer Alterung (begleitet von Telomerverkürzung) und stressinduzierter Alterung (überwiegend verursacht durch reaktive Sauerstoffverbindungen) unterscheiden. Bei der replikativen Alterung verkürzen sich die Telomere bei jeder Zellteilung, was auf eine unvollständige Replikation während der Zellteilung zurückzuführen ist. Viele chronische und einige erbliche Krankheiten werden durch Telomerverkürzung direkte oder indirekte beeinflusst. Eine dieser erblichen Modellkrankheiten ist die Hutchinson-Gilford-Progerie, die durch vorzeitige Alterung gekennzeichnet ist. Eine andere Krankheit ist das Nijmegen Breakage Syndrom, welches sich durch genetische Instabilität und durch eine drastisch reduzierte Telomerlänge auszeichnet. Telomere sind sich wiederholende Nukleotidsequenzen, die als Schutzkappen an den Enden der Chromosomen fungieren. Jede Zelle kann sich in einer bestimmten Anzahl teilen, bis sie in die Phase der Seneszenz oder die Apoptose übergeht. Im Vergleich dazu können die meisten Tumore und Stammzellen das Gen Telomerase (hTERT, human Telomerase Reverse Transkriptase) exprimieren, welches die Telomere partiell verlängern kann. Vor kurzem wurde der so genannte „Telomere Position Effect-Over Long Distances“ (TPE-OLD) beschrieben. Hier werden Gene direkt durch die Telomerlänge kontrolliert. In dieser Arbeit wurden potenzielle Kandidaten-Gene auf einen TPE-OLD-Mechanismus in menschlichen Fibroblasten von Hutchinson-Gilford-Progerie und gesunden Kindern untersucht. Darüber hinaus wurden primäre Zellen mit einem hTERT enthaltenen Vek-tor zur künstlichen Verlängerung der Telomere transfiziert. Darüber hinaus wurden lymphoblastoide Zelllinien und HUVECs untersucht, um die Zellspezifität zu untersuchen. Telomerabhängige Unterschiede in der Genexpression wurden zusätzlich in Nijmegen Breakage Syndrom-Zellen untersucht. Die Serin/Threonin-Phosphatase PPP2R2C (ein Tumorsuppressor-Gen) wurde als ein durch TPE-OLD reguliertes Gen identifiziert, das durch die Telomerverkürzung und physikalische Umlagerung der chromosomalen Struktur in präseneszenten Zellen ver-stärkt exprimiert wurde, was zur Dephosphorylierung der p70S6-Kinase mit konsekutiver Unterdrückung von mTOR (mammalian target of rapamycin) führte. Die Ergebnisse weisen auf eine metabolische Anpassung von älteren Zellen hin, bei denen die Telomerlänge einen Link zur Genexpressionregulierung und der mTOR-Suppression darstellt.