Telomerers rolle i cancer

Eukaryote celler, heriblandt humane celler, har lineære kromosomer, der ender i de såkaldte telomerer. Telomerernes funktion er at forhindre, at kromosomenderne bliver genkendt som dobbeltstrengsbrud af DNA'et. Dette opnås ved at telomer-DNA'et danner en lassoformet struktur, der er kendt som t-loopen. Telomererne fungerer også som buffer for det, der kendes som the end-replication-problem, nemlig at kromosomerne ikke bliver fuldstændigt duplikeret i enderne inden celledeling. I stedet bliver de en anelse kortere for hver celledeling, hvilket begrænser antallet af celledelinger. En hypotese er, at telomererne herved fungerer som et værn mod cancer. Telomerer er dog formentlig et tveægget sværd, når det kommer til cancer [1]. For selv om telomerer kan begrænse antallet af celledelinger, kan korte telomerer også initiere den kromosominstabilitet, der er karakteristisk for cancerceller.

Vi vil i denne statusartikel introducere læserne til, hvorledes telomerer menes at være involveret i initiering og progression af cancere. Denne viden danner baggrund for at forstå, hvorfor telomerer ventes at vinde indpas i klinikken både som en prognostisk markør ved cancer og som en del af cancerbehandlingen.

Telomerernes dobbelte rolle ved initiering af cancer

Kromosomender med meget korte telomerer kan fu-sionere end-to-end med andre kromosomender med korte telomerer. Dette sker sandsynligvis, når telomererne er blevet for korte til at danne beskyttelseshætten - t-loopen - idet cellen nu opfatter den åbne telomer som et DNA-brud, der skal repareres. Denne fusionering af to kromosomender kan i den efterfølgende celledeling medføre, at kromosomerne rives over, når de skal fordeles til dattercellerne. Dette medfører dannelsen af nye ikkebeskyttede ender, der fusionerer, hvorved processen gentages. Dette fænomen kendes som breakage-fusion-bridge -cykli (B-F-B), og resultatet er genomisk ustabilitet med både duplikationer og deletioner til følge.

Processen vil dog kun foregå i celler, hvor de normale senescens/apoptose checkpoints er defekte. Dette overvågningssystem vil nemlig ved fremkomst af korte telomerer normalt signalere celledelings-stop og dermed limitere cellens delingspotentiale. Det er denne funktion, der gør, at telomerer normalt anses for at være et værn mod cancer.

Ved inaktivering af et sådant checkpoint (f.eks. p53, der er en hovedaktør i senescens/apoptose-overvågningssystemet) er det til gengæld vist, at celler fortsætter med at dele sig på trods af tiltagende korte telomerer [2]. En sådan inaktivering vides at være en tidlig hændelse i cancerudviklingen. På denne måde formodes korte telomerer i kombination med tab af checkpoints at kunne fremme den genomiske instabilitet, som er en hjørnesten i cancerudviklingen (Figur 1 ) [3].

De samme korte telomerer ville imidlertid være en hæmsko for den videre cancerudvikling, da telomererne - som følge af accelereret celledeling - bliver tiltagende korte og herved udløser flere B-F-B-cykli, hvilket resulterer i en så høj grad af kromosominstabilitet, at cellen vil gå i krise og dø. Udviklingen til egentlig tumor fortsætter derfor kun, hvis et telomerforlængelsessystem på dette tidspunkt aktiveres. Det kan enten være en reaktivering af telomerase eller aktivering af den såkaldte ALT Alternative Lengthening of Telomeres Pathway . Aktiveringen sker formentlig via den genomiske instabilitet og resulterer i forlængelse af telomererne og dermed et genvundet delingspotentiale.

Telomerer menes således at have to funktioner i cancerudviklingen (især for epiteliale cancere), en tidlig funktion, der er knyttet til korte telomerer, som giver genomisk instabilitet, og en senere funktion, der er knyttet til telomerforlængelse, som giver en vis stabilisering af genomet og dermed et øget delingspotentiale.

In vivo-evidens for telomerernes rolle i initiering af cancere

Teorien om, at korte telomerer kan initiere cancerudvikling gennem B-F-B-cykler, bygger hovedsageligt på in vitro-eksperimenter og dyremodeller, mens det har været sværere at vise betydningen af dette hos mennesker.

Undersøgelser af telomerlængder hos cancerpatienter er foretaget i flere studier med varierende konklusioner. En indgangsvinkel er at antage, at telomerlængden generelt (den nedarvede telomerlængde) kan være medvirkende til, at nogle udvikler cancer og andre ikke. Til støtte for denne teori har resultaterne fra flere studier vist, at telomerlængden i leukocytter generelt er kortere hos cancerpatienter end hos raske. Dette gælder for en bred vifte af cancere [4-6]. En vigtig indvending mod disse studier er dog, at det er uvist, om de korte telomerer i blodceller hos cancerpatienter skyldes »medfødt« korte telomerer eller blot er et udtryk for en telomerforkortende påvirkning af det immunologiske system pga. sygdomstilstanden.

For delvist at omgå denne problemstilling har man udført større epidemiologiske studier, hvor man har målt telomerlængder i perifert blod hos raske for at se, om denne telomerlængde er en prædiktor, for hvem der senere udvikler cancer. I den type studier kunne telomerlængden ikke prædiktere, hvem der udviklede cancer [7-9]. Endelige konklusioner er dog fortsat svære at drage, da det er uvist, hvorvidt telomerlængden i perifere blodceller kan bruges som en proxy for telomerlængden i de væv, hvor canceren initieres.

Telomerlængdens indflydelse på cancerrisiko er også undersøgt i patientgrupper med kendt a priori-cancerrisiko. Her bliver billedet noget klarere. Et eksempel er patienter med langvarig colitis ulcerosa, som netop vides at have en øget risiko for colon-cancer sent i forløbet [10, 11]. Det er vist, at disse -patienter udviser accelereret telomernedslidning i de afficerede colonocytter inden cancerudviklingen, formentlig pga. øget celleomsætning og muligvis forværret af den kroniske inflammation, som skaber et miljø med højt niveau af reactive oxygen species (ROS), der formodes at afkorte telomererne ved at forårsage strengbrud. Yderligere er der fundet en korrelation mellem telomerforkortelse og kromosominstabilitet hos disse patienter [12]. Det samme billede gør sig gældende for patienter med den sjældne genetiske sygdom dyskeratosis congenita. Disse patienter har trods deres korte levealder en høj (11-fold) risiko for cancerudvikling, især i form af solide tumorer [13].

Telomerer som prognostisk markør ved cancere

På trods af at tumorceller som beskrevet ovenfor nødvendigvis har aktiveret en telomer-elongeringsmekanisme (ALT eller telomerase), er de fleste cancere kendetegnet ved at have korte telomerer. Dette afspejler formentligt balancen mellem på den ene side telomerelongeringen og på den anden side telomernedslidningen som følge af den øgede proliferation og formentlig også de oxidative skader, cellen udsættes for i tumormiljøet. Man har ikke desto mindre foreslået, at telomerer kunne bruges som en biomarkør for prognosen hos cancerpatienter, idet telomerlængden er foreslået at være et surrogatmål for den fænotypiske variabilitet, der ses i tumorer. Denne variabilitet, som er drevet af forskelle i genekspression, påvirker tumors evne til vækst, invasion og metastasering. Idet dysfunktionelle telomerer, som tidligere beskrevet, formodes at kunne drive både den genomiske instabilitet, der påvirker genekspressionen og begrænse proliferationshastigheden i cancercellerne, er der således teoretisk belæg for at undersøge, om telomerer kan bruges som en klinisk anvendelig prognostisk markør [14].

For hæmatologiske cancere er billedet tydeligt: Korte telomerer i maligne hæmatopoetiske celler indikerer progressivt sygdomsstadie og dermed dårlig overlevelse [15]. Dette kan forklares med, at korte telomerer er et resultat af kraftig celleproliferation og dermed en øget ekspansion af de maligne celler.

For solide tumorer er billedet mindre klart, selv om resultaterne fra de fleste studier antyder, at forandringer i telomerlængde (enten afkortelse eller forlængelse i forhold til det normale væv) er associeret med dårligt udfald. I studier af mammacancer, prostatacancer og Ewing sarkom er det vist, at telomerforkortelse er associeret med en dårlig prognose [16], mens telomerforlængelse var associeret med dårlig overlevelse for colon, hepatocellulær og øsofaguscancer samt for hoved- og halscancer [17]. For lungecancer og neuroblastomer er der fundet modstridende resultater. Grunden til denne diskrepans er fortsat uafklaret, men det er foreslået, at den skyldes forskelle i, hvorvidt vævet udtrykker telomerase konstitutivt eller ikke [14]. En anden forklaring kan være metodologiske problemer, idet studierne bruger forskellige metoder til at måle telomerer, ligesom der er forskelle i, hvorvidt alene det afficerede væv analyseres, eller om der sammenlignes med telomerlængder i perifert blod.

Terapi rettet mod telomerer og telomerase

Cancere kan, som beskrevet ovenfor, kun fortsætte den ukontrollerede vækst, hvis en telomerforlængende mekanisme aktiveres, som oftest i form af reaktivering af telomerase. Telomerase er derfor fristende som target for cancerterapi, idet telomerase udover at spille en kritisk rolle for vedligeholdelse af telomere, samtidig er næsten universelt udtrykt i cancerceller, inklusive cancerstamceller.

Flere forskellige angrebsvinkler bliver forsøgt (se f.eks. [18]), hvoraf især to metoder synes at være lovende: direkte enzyminhibering med små molekyler og aktiv immunterapi. Begge disse metoder bliver p.t. afprøvet i kliniske forsøg alene og i kombination med anden behandling.

Det molekyle, der er længst fremme som direkte enzyminhibering, er GRN163. Dette molekyle er en modificeret oligonukleotid, der er komplementær til human telomerase RNA (hTR)-sekvensen i den aktive region af telomerase. Det betyder, at oligonukleotiden blokerer for telomerernes adgang til telomerase, hvilket medfører telomerforkortelse og ultimativt celledød.

Også immunterapi rettet mod telomeraseproteinet afprøves [19]. Dette gøres enten ex vivo eller in vivo ved at udsætte antigenpræsenterende celler for et relativt højt niveau af peptidfragmenter eller andre genprodukter, der koder for human telomerase reverse transcriptase (hTERT). De antigenpræsenterende celler kan herefter ved parenteral indgift aktivere og ekspandere poolen af memory-T-celler, der netop er rettet mod hTERT. Ideen er, at cancerceller i en vis udstrækning vil præsentere fragmenter af nedbrudte telomerasemolekyler på sin overflade og derfor også vil blive mål for disse T-celler.

Konklusion

Det er åbenbart, at telomerer/telomerase spiller en vigtig rolle i cancerudvikling, en rolle som man i disse år søger at udnytte såvel til monitorering af cancersygdommen som til terapi. Hvorvidt der kan udvikles strategier - baseret på telomerernes formodede tidlige rolle i cancerudvikling - der kan fremme cancerforebyggelse, er endnu uafklaret.

Laila Bendix , Hans Appels Vej 14, 5260 Odense S.

E-mail: laila.bendix@slb.regionsyddanmark.dk

Antaget: 25. februar 2010

Først på nettet: 3. maj 2010

Interessekonflikter: Forfatterne har overdraget deres patent på en ny metode til måling af telomerer til Tinna Holding A/S. Efterfølgende har firmaet givet økonomisk driftsstøtte til validering af metoden.

1. Rodier F, Kim SH, Nijjar T et al. Cancer and aging: the importance of telomeres in genome maintenance. Int J Biochem Cell Biol 2005;37:977-90.
2. Artandi SE, DePinho RA. Telomeres and telomerase in cancer. Carcinogenesis 2010;31:9-18.
3. Londono-Vallejo JA. Telomere instability and cancer. Biochimie 2008;90:73-82.
4. Broberg K, Bjork J, Paulsson K et al. Constitutional short telomeres are strong genetic susceptibility markers for bladder cancer. Carcinogenesis 2005;26:1263-71.
5. Jang JS, Choi YY, Lee WK et al. Telomere length and the risk of lung cancer. -Cancer Sci 2008;99:1385-9.
6. Kruk PA, Bohr VA. Telomeric length in individuals and cell lines with altered p53 status. Radiat Oncol Investig 1999;7:13-21.
7. Martin-Ruiz CM, Gussekloo J, Van Heemst D et al: Telomere length in white blood cells is not associated with morbidity or mortality in the oldest old: a -population-based study. Aging Cell 2005;4:287-90.
8. Nordfjall K, Svenson U, Norrback KF et al. The individual blood cell telomere -attrition rate is telomere length dependent. PLoS Genet 2009;5:e1000375.
9. Zee RYL, Castonguay AJ, Barton NS et al. Mean telomere length and risk of incident colorectal carcinoma: a prospective, nested case-control approach. Cancer Epi Bio Prev 2009;18:2280-2.
10. Cottliar A, Fundia A, Boerr L et al. High frequencies of telomeric associations, chromosome aberrations, and sister chromatid exchanges in ulcerative colitis. Am J Gastroenterol 2000;95:2301-7.
11. Kinouchi Y, Hiwatashi N, Chida M et al. Telomere shortening in the colonic -mucosa of patients with ulcerative colitis. J Gastroenterol 1998;33:343-8.
12. O'Sullivan JN, Bronner MP, Brentnall TA et al. Chromosomal instability in -ulcerative colitis is related to telomere shortening. Nat Genet 2002;32:280-4.
13. Alter BP, Giri N, Savage SA et al. Cancer in dyskeratosis congenita. Blood. 2009;113:6549-57.
14. Bisoffi M, Heaphy CM, Griffith JK. Telomeres: prognostic markers for solid -tumors. Int J Cancer 2006;119:2255-60.
15. Svenson U, Roos Gr. Telomere length as a biological marker in malignancy. -Biochim Biophys Acta 2009;1792:317-23.
16. Fordyce CA, Heaphy CM, Bisoffi M et al. Telomere content correl ates with stage and prognosis in breast cancer. Breast Cancer Res Treat 2006;99:193-202.
17. Engelhardt M, Drullinsky P, Guillem J et al. Telomerase and telomere length in the development and progression of premalignant lesions to colorectal cancer. Clin Cancer Res 1997;3:1931-41.
18. Harley CB. Telomerase and cancer therapeutics. Nat Rev Cancer 2008;8:167-79.
19. Kyte JA. Cancer vaccination with telomerase peptide GV1001. Exp Opi Invest Drugs 2009;18:687-94.