Telomere

Telomere sind Bestandteil jeder DNA. Sie befinden sich an den Enden von Chromosomen und codieren in keinem Fall für Gene. Im Gegensatz zu dem Rest des Chromosoms weisen Telomere keine Doppelstrang-DNA auf. Sie liegen als einzelner Strang vor.

Im Unterschied zum Rest der DNA weisen sie außerdem keine hohe Variabilität in der Reihenfolge der Basen auf, sondern bestehen aus sich immer wiederholenden Basensequenzen. Dies ist wichtig für die Erfüllung ihrer Funktion.

Durch die sich wiederholenden Sequenzen rollen sich die Telomere des Chromosoms so zusammen, dass sie keinen Angriff eines Enzyms am Chromosomenende zulassen. Mit jedem Zellzyklus findet eine durch die Zellvermehrung bedingte Verkürzung der Telomere statt.

Jedes Chromosom besteht aus zwei DNA-Strängen, die in unterschiedlicher Richtung, so genannter antiparalleler Richtung, verlaufen. Auf je einer Seite eines DNA-Strangs befindet sich am Ende ein Telomer. Somit existieren pro Chromosom zellzyklusabhängig entweder zwei oder vier Telomere. Insgesamt existieren also pro Zelle bei 46 Chromosomen entweder 96 oder 192 Telomere.

Würden die DNA-Stränge einfach blind enden, so gäbe dies verschiedenen Proteinen die Möglichkeit, die DNA anzugreifen. Die Telomere tragen im Gegensatz zu einem großen Rest der DNA keine Informationen, die für die Funktion der Zellen wichtig sind.

Vielmehr existiert in den Telomeren eine Basensequenz, die sich immer wiederholt. Diese Sequenz besteht aus sechs Basen und weist dreimal Guanin, einmal Adenosin und zweimal Thymin auf. Diese sich wiederholende Sequenz führt im Endeffekt dazu, dass die Basen eines Telomers mit sich Basenpaarungen ausbilden. Dadurch kommt es zu einer Faltung der Enden und die Telomere liegen nicht mehr als einzelner Strang, sondern als Knäuel vor. Für die Zellvermehrung im Rahmen der Replikation ist es jedoch notwendig, dass sich die gefalteten Telomere entfalten.

Telomere haben im Wesentlichen zwei Aufgaben. Zum Einen sind sie während des normalen Zellzyklus bzw. während der G0-Phase von Bedeutung. Innerhalb der Zellen existieren Enzyme, die die DNA kontinuierlich abbauen. Dies dient einerseits der Abwehr von Eindringlingen, aber andererseits ist dies auch unerwünscht. Für die normale DNA des Zellkerns stellt dies ein enormes Problem dar und kann zu unerwünschten Ereignissen führen.

Damit dies nicht geschieht, befindet sich auf je einer Seite am Ende eines jeden DNA-Einzelstranges ein Überhang, den Telomer. Dadurch, dass der Telomoer aus Basensequenzen besteht, die nicht für Proteine codiern, ist dies alleine ein Schutz für die codierende DNA, da sie zuerst abgebaut wird. Weiterhin finden die DNA-abbauenden Enzyme durch die Faltung der Telomere schlecht einen Punkt, an dem sie ihren Abbau beginnen können, indem das freie DNA-Ende eingerollt wird. Zusätzlich bieten gefaltete Telomer speziellen Proteinen Bindungsstellen. Diese Proteine sind relativ groß, um Umgeben das DNA-Ende schützend.

Zum Anderen sind die Telomere während der Replikation, also während der Verdopplung der DNA, von Bedeutung. Die verantwortlichen Enzyme können strukturbedingt nicht am Ende eines DNA-Stranges mit der Verdopplung der DNA beginnen. Dadurch kommt es mit jedem Zyklus zu einem Verlust an Basenpaaren und die Chromosomen verkürzen sich kontinuierlich. Damit dies nicht frühzeitig zu einem Verlust an essentiellen DNA-Abschnitten führt, befinden sich die Telomere an den Enden. Sie tragen keine genetisch wichtigen Informationen und können ohne Probleme einen Verlust einiger Basen überstehen.

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Bei Erkrankungen der Telomere kann es zu schwerwiegenden Auswirkungen kommen. Meist ist bei solch einer folgenden Auswirkung eine Schädigung der für Proteine codierenden DNA die Ursache.

Die Erkrankung der Telomere wird am häufigsten durch einen Mangel der Protein-Komplexe (Shelterine), welche sich um die Telomere lagern, oder des Enzyms Telomerase verursacht. Dies fördert durch verminderten Schutz eine Störung der Struktur.

Durch die relativ hohe Anzahl an Chromosomen kann man auch eine Kategorie an Erkrankungen nicht zuverlässig einer Erkrankung der Telomere zuordnen. Dies bedeutet, dass viele verschiedene Organe betroffen sein können.

Der Begriff der Telomeropathie wird für Krankheiten genutzt, die durch geschädigte Telomere auftreten. Als gleichwertiger Begriff wird meist Telomer-Krankheit genutzt. Auf Grund der nicht rückgängig machbaren Ursache für diese Erkrankungen werden alle Telomeropathien einen chronischen Verlauf aufweisen.

Bei einer Telomeropathie sind in der Regel die Telomere wegen eines Mangels des Enzyms Telomerase oder der Proteine, die den Shelterine-Komplex bilden, soweit verkürzt, dass die nachfolgende DNA angegriffen wird. Manchmal ist für Proteine codierende DNA betroffen, sodass sich die Schäden im Körper bemerkbar machen.

Zu den Telomeropathien zählen eine große Reihe an Erkrankungen, welche nicht sehr spezifisch für Telomeropathien sind. Dies bedeutet, dass die Symptome sehr vielfältig sind und oft andere Ursachen haben. Auch ist die Ausprägung der Erkrankung sehr unterschiedlich und der chronische Verlauf mit den Symptomen kann stark oder schwach ausfallen.

Zu den häufiger vorkommenden Telomeropathien zählt eine Lungenentzündung, eine Leberzirrhose oder auch eine Blutarmut und eine Schädigung des Knochenmarks.

Mit fortschreitendem Alter bleibt der Bedarf des menschlichen Körpers an neuen Zellen fortbestehen. Dies ist unter anderem nötig, um die Prozesse in den einzelnen Zellen der verschiedenen Organe aufrecht zu erhalten.

Diese neuen Zellen entstehen durch Zellteilung (Mitose) im Rahmen des Zellzyklus. Dabei findet vor der Teilung eine Verdopplung aller Zellorganellen und der gesamten DNA statt. Dieser Prozess nennt sich Replikation. Hierfür existieren in jeder Zelle spezifische Enzyme. Die verantwortlichen Enzyme können jedoch strukturbedingt nicht am Ende eines jeden DNA-Stranges mit der Verdopplung der DNA beginnen.

Dadurch kommt es mit jedem Zyklus zu einem Verlust an Basenpaaren und die Chromosomen verkürzen sich kontinuierlich.

Damit dies nicht frühzeitig zu einem Verlust an wichtigen DNA-Abschnitten führt, befinden sich die Telomere an den Enden. Sie tragen keine genetisch wichtigen Informationen und können ohne Probleme einen Verlust einiger Basen überstehen. Mit hohem Alter unterschreiten die Telomere jedoch eine gewisse Länge, die gefährlich ist und potentiell mit Schäden einhergeht.

Dies führt in der Zelle entweder zu einem irreversiblen Zellzyklusarrest, der Seneszenz, oder zu einem geplanten Tod der Zelle. Somit verliert der Körper kontinuierlich an Erneuerungspotential und er altert.

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Auch bei der Krebsentstehung können Telomere eine essentielle Rolle spielen. Häufiger ist die Ursache für Krebs jedoch eine Mutation innerhalb des DNA-Strangs. Bei der Entstehung von Krebs spielt jedoch die Verkürzung wie bei der Alterung eine Rolle.

Im Rahmen von kürzeren Telomeren ist es wahrscheinlicher, dass sich ein Krebs entwickeln kann. Der Grund hierfür liegt in einer höhren Wahrscheinlichtkeit, dass der Anteil des DNA-Doppelstrangs, welcher codierend für Proteine ist und Gene enthält, angegriffen wird. Risikofaktor hierfür sind von Geburt an bereits bestehende kurze Telomere.

Außerdem bedingen niedrige Mengen an dem Enzym Telomerase und dem Shelterine-Protein-Komplex eine höhere Wahrscheinlichkeit. Ebenso spielen die Telomere bei bereits bestehendem Krebs eine wichtige Rolle.

Im Rahmen der Entartung der Zellen kommt es zu einem erhöhten Zellwachstum und zu vermehrter Zellteilung. Dies führt zu einem schnelleren Verkürzen der Telomere, wodurch weitere Entartungen wahrscheinlicher sind. Darauf versucht die Zelle durch verschiedene Mechanismen zu reagieren, was jedoch in Krebszellen selten erfolgreich ist.

Die Telomerase ist ein Enzym, das in jeder Zelle des Menschen vorkommt, jedoch nicht in allen Zellen nachweisbar ist. Eine besonders hohe Aktivität weist die Telomerase in Folgenden Zellen auf:

• Zellen des Knochenmarks
• Stammzellen
• Zellen der Keimbahn (Vorläufer der Spermien und der Eizellen)
• embryonalen Zellen

Sie kommt hauptsächlich im Zellkern vor, da sich hier ihr Wirkort befindet. Das Enzym besitzt als Hauptaufgabe, den Basenverlust der Telomere der DNA am Endstück der Chromosomen im Rahmen der Replikation zu minimieren. Dies ist essentiell, da sonst bei jeder Zellteilung strukturbedingt ein relativ hoher Verlust an DNA zu einer verringerten Lebensdauer der Zellen führt.

Hierfür hat sie als eine der wenigen Enzyme die Funktion der reversen Transkriptase. Dies bedeutet, dass sie aus einem RNA-Strang, welcher eigentlich eine Abschrift der DNA ist, erneut einen DNA-Strang erzeugen kann.

Die restlichen Enzyme des menschlichen Körpers besitzen diese Funktion nicht. Dafür besteht die Telomerase zu einem kleinen Abschnitt RNA, welcher als Vorlage für den neuen Abschnitt DNA dient. Dazu nutzt das Enzym die Tatsache aus, dass an den Telomeren eine Sequenz wiederholt vorkommt. Die Basensequenz der RNA ist komplementär zu dieser sich wiederholenden Sequenz. Der neue DNA-Strang wird an das Ende des Telomers angefügt.

Unter einigen Medizinern und Forschern gilt es als erwiesen, dass die Ernährung die Telomere beeinflusst. Dazu wurden bereits einige Studien durchgeführt, die teils jedoch umstritten sind.

Durch eine gesunde Ernährung soll sich die Aktivität der Telomerase erhöhen, sodass die Verkürzung der Telomere bei der Zellteilung mit geringerer Geschwindigkeit vollzogen wird. Außerdem sollen sich die Telomere durch die hohe Aktivität der Telomerase sogar verlängern können.

Die Ernährung sollte wenn möglich auf pflanzenbasierten Produkten aufbauen. Auch wichtig für eine Beeinflussung der Telomere durch die Ernährung spielt eine hohe Zufuhr an Vitaminen, die dem oxidativen Stress in den Zellen entgegenwirkt. Dadurch kommt es zu weniger Schäden an dem DNA-Doppelstrang. Ebenfalls positiv sollen sich Omega-3-Fettsäuren auswirken, welche viel in fettem Fisch vorhanden sind.

Wie bei praktisch allen Prognosen wirkt sich neben der Ernährung aber Sport und auch geringere körperliche Bewegung positiv auf die Länge der Telomere aus, weshalb auch darauf geachtet werden sollte.

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