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Systems Biological Analysis of Signal Transduction in Telomere Length Maintenance

Dieckmann, Anna Katharina

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Abstract

Eukaryotic chromosomal ends are formed by special structural and functional units, termed telomeres, protecting them from fusion, degradation, and unwanted DNA damage repair events. In this way, telomeres preserve genome stability and integrity that are vital to every cell and organism, whereas genomic instability is a hallmark of cancer and ageing. Telomere length is maintained mainly by telomerase which is expressed in 85–90 % of human malignancies, although most human cancer types arise from somatic tissue that is telomerase negative. Thus, telomerase can serve as a nearly universal marker for cancer, as well as a drug target against tumour cells. Genome-wide studies in Saccharomyces cerevisiae identified approximately 7 % of the genome (roughly 400 genes) to be associated with telomere length maintenance (TLM genes).

Based on these studies, a strong enrichment of genes encoding endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) factors has been found within the TLM genes that led to telomere shortening when deleted. ESCRT factors define a system of five multi-protein complexes which is involved in deforming and scissioning cytosol filled membrane stalks. Although they can be linked to genomic stability and integrity, only little literature exists on the relationship of telomere homoeostasis and the ESCRT machinery. The data presented here shows that the whole ESCRT system is required to safeguard proper telomere length maintenance. More in-depth experimental investigations of the ESCRT-0 factor Vps27 suggested a model of impaired Exo1-mediated resection resulting in too little telomeric overhang such that Cdc13 binding is suppressed, preventing either telomerase recruitment or telomeric overhang protection. A protein-protein-interaction network analysis indicated a potential feedback mechanism to regulate telomere homoeostasis via the ESCRT system.

The results from the present thesis uncovered the ESCRT system, especially Vps27, as promising drug candidate directed against malignant growth of cancer or diseases caused by dysfunctional telomeres.

Translation of abstract (German)

Die Enden eukaryotischer Chromosomen werden durch spezielle strukturelle und funktionelle Einheiten gebildet, sogenannte Telomere, und damit vor unerwünschten DNA Reparaturmechanismen, Abbau und Chromosomen-Fusionen geschützt. Auf diese Weise tragen Telomere zum Erhalt von Genom-Stabilität und -Integrität bei, welche lebenswichtig für jede Zelle und jeden Organismus sind. Genomische Instabilität ist ein Schlüsselmerkmal von Krebs- und alternden Zellen. Die Telomerlänge wird hauptsächlich durch Telomerase aufrechterhalten, welche in 85–90 % menschlicher Tumoren exprimiert wird, obwohl sich die meisten menschlichen Krebsarten aus somatischem Gewebe entwickeln, das Telomerase-negativ ist. Daher kann Telomerase als nahezu universeller Tumormarker und als medikamentöser Ansatzpunkt gegen Tumorzellen dienen. In Saccharomyces cerevisiae wurde für rund 7 % des Genoms (ca. 400 Genen) durch genomweite Studien ein Einfluss auf die Balance der Telomerlänge festgestellt (Telomere Length Maintenance oder TLM Gene).

Basierend auf diesen Studien wurde innerhalb der TLM Gene eine starke Anreicherung von ESCRT (Endosomal Sorting Complex Required for Transport) Faktoren gefunden, deren Deletion zu einer Telomer-Verkürzung geführt haben. ESCRT Faktoren umfassen ein System aus fünf Multiproteinkomplexen, das an der Verformung und Abschnürung Zytosol-gefüllter Membranknospen beteiligt ist. Obwohl sie bereits mit genomischer Stabilität und Integrität in Verbindung gebracht wurden, existiert nur wenig Literatur über ihre Bedeutung für die Telomer-Homöostase. Die hier präsentierten Daten zeigen, dass das gesamte ESCRT System erforderlich ist, um die richtige Telomerlänge zu bewahren. Tiefergehende experimentelle Untersuchungen des ESCRT-0 Faktors Vps27 führten zu einem Modell, in dem eine geschädigte durch Exo1 vermittelte Resektion einen zu kurzen telomerischen DNA-Sequenz-Überhang nach sich zieht, sodass die Cdc13 Bindung unterdrückt wird und entweder die Telomerase-Rekrutierung oder der Schutz des telomerischen Überhangs verhindert wird. Eine Protein-Protein-Interaktions-Netzwerk Analyse legte einen möglichen Rückkopplungsmechanismus nahe, um Telomer-Homöostase über das ESCRT System zu regulieren.

Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation verweisen auf das ESCRT System, insbesondere Vps27, als vielversprechenden Medikamentenkandidaten gegen bösartiges Wachstum von Krebs oder Krankheiten, die durch dysfunktionalen Telomere verursacht werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Eils, Prof. Dr. Roland
Date of thesis defense: 29 February 2016
Date Deposited: 16 Mar 2016 11:35
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
570 Life sciences
Controlled Keywords: Telomere, Systems Biology, Yeast genetics, ESCRT
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