Alternativní telomerické kompenzační mechanismy jako způsob adaptace telomer vůči stresovým podmínkám v průběhu evoluce hmyzu

Mgr. Tomáš KRŮČEK

Doctoral thesis

Abstract:

Telomery jsou speciální nukleoproteinové struktury na koncích eukaryotických chromozomů. Kvůli neúplné replikaci DNA je délka telomer kratší s každým buněčným cyklem. Bylo zjištěno několik mechanismů v procesu udržování telomer. Ačkoli nejčastějším mechanismem je aktivita telomerázy, která syntetizuje krátké telomerické sekvence na koncích chromozomů, může být délka telomer prodloužena alternativními způsoby, jako je retrotranspozice speciálních telomerických pohyblivých elementů cílených na chromozomové konce, nalezených u Drosophila a homologní rekombinace. Homologní rekombinace prodlužuje satelitní sekvence u některých druhů diptera a také slouží jako alternativní mechanismus k telomeráze u obratlovců. Sekvence (TTAGG) byla označena jako telomerická sekvence hmyzu. Ačkoli sekvence (TTAGG)n byla nalezena v telomerách většiny testovaných řádů hmyzu v předchozích studiích, existuje mnoho druhů hmyzu, které vykazují nepřítomnost (TTAGG)n. Diptera je velký řád hmyzu, který v některých případech vykazuje ztrátu (TTAGG)n sekvence společně s telomerázovým systémem a jeho nahrazení transpozicí telomerických elementů u Drosophila nebo homologní rekombinací u komárů a pakomárů. Sekvence (TTAGG) byla zjištěna jako hlavní telomerická sekvence u řádů hmyzu, ovšem specifická telomerázová aktivita (TTAGG) nebyla testována. Proto jsem nejprve spekuloval, že ne-telomerázové systémy v hmyzu nemusí být omezeny pouze na Diptera a tudíž, že přítomnost ne-telomerázových systémů u hmyzu může být podceňována. Když jsem testoval distribuci TTAGG specifické telomerázové aktivity, potvrdil jsem, že telomerázový systém je nejkomplexnější kompenzační mechanismus délky telomer u hmyzu, nicméně není přítomen u Zygentoma, Orthoptera a Phasmida, což jsou hmyzí řády s dříve hlášenou přítomností (TTAGG)n telomerického motivu. Výsledky práce ukázaly, že aktivita telomerických retroelementů u Drosophila je zvýšena malými hladinami volných radikálů, což následně zvyšuje prodlužování telomer samotných. Úloha ne-telomerázových mechanismů v překonání stresových stavů během evoluce telomer hmyzu je zatím pouhou hypotézou.

Abstract:

Telomeres are special nucleoprotein structures at the ends of eukaryotic chromosomes. Because of incomplete DNA replication telomere length becomes shorter with each cell cycle. Several mechanisms of telomere maintenance have been identified. Although the most common mechanism is the activity of telomerase that synthesizes short telomeric sequences onto chromosome ends, telomere length might be elongated by alternative ways such as the retrotransposition of special telomeric mobile elements targeted to chromosome ends, found in Drosophila, and homologous recombination. Homologous recombination extends satelite sequences in some dipteran species and also serves in vertebrates as the alternative mechanism to telomerase. The (TTAGG)n sequence was designated as the insect telomeric sequence. Although the (TTAGG)n sequence was found at telomeres of most of the tested insect orders in previous studies, there are numerous insect species showing the (TTAGG)n absence. Diptera is the large insect order, which shows the lost of the (TTAGG)n sequence together with telomerase system and its replacement by the transposition of telomeric elements in Drosophila or homologous recombination in mosquitoes or midges. The (TTAGG)n sequence was reported as telomeric sequence in most insect orders, however, the (TTAGG) specific telomerase activity was not tested in these orders.Therefore, I first speculated that non-telomerase systems in insects may not be limited only to Diptera and the presence of non-telomerase systems in insect might be underestimated. When I tested a distribution of the TTAGG-specific telomerase activity I confirmed that the telomerase system is the most comon telomere length compensation mechanism in insect, however, it is not present in Zygentoma, Orthoptera and Phasmida, which are insect orders with a previously reported presence of the (TTAGG)n telomeric motif. Data of the thesis showed that the activity of telomeric retrolements at Drosophila is up-regulated by mild-levels of free radical species, enhancing telomere extension. The role of non-telomerase mechanisms to overcome stress conditions during evolution of insect telomeres is hypothesized.

Keywords

Telomera, telomeráza, Drosophila melanogaster, oxidativní stres, mobilní elementy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 10. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 29. 11. 2017
• Supervisor: Mgr. Radmila Čapková Frydrychová, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physiology and Immunology / Fyziologie a vývojová biologie