Telomeric DNA in Chironomus, a naturally telomerase-free system

Abstract

Telomeres are specialized complexes of DNA and associated proteins that protect the ends of eukaryotic chromosomes. Although most organisms have short repeated DNA sequences at their telomeres, which are specified and maintained by the enzyme telomerase, there are a few exceptions. Dipteran insects, including the genus Chironomus (non-biting midges), lack telomerase and have atypical terminal sequences. Chironomids have four chromosomes – three metacentric and one telocentric. In C. pallidivittatus, long (340 bp) and complex telomere-specific repeats terminate the seven nontelocentric chromosome ends and a similar situation probably occurs in related species. Although this DNA evolves rapidly, it is shown here that some sequence features are conserved among three analyzed Chironomus species, including C. pallidivittatus. Another one of these species (C. tentans) was found to lack the long single-stranded overhangs characteristic of canonical telomeres (those maintained by telomerase). The eighth, telocentric chromosome end, on the other hand, contains 155 bp centromere-specific repeats. In this study, it is shown that these 155 bp units extend to the very end of the chromosome. Consequently, it appears that one and the same cell can use different terminating repeats at different chromosome ends. The telocentric end is also unique in that it was found to contain an active gene, probably derived from a transposon, close to the telocentric repeat array. This gene could be involved in maintenance of the adjoining telomere and requires further investigation. Previous studies have shown that gene conversion is one factor in the maintenance of telomeric DNA at nontelocentric chromosome ends. The possibility of RNA-based telomere elongation, which was suggested by earlier immunolocalization of reverse transcriptase to telomeres, was addressed here. A previously identified RNase-sensitive fraction, hybridizing to telomeric repeats was found to be a double-stranded extrachromosomal component containing both DNA and RNA and to be unique to telomeres. However, additional research is required in order to evaluate the possible role of this material in telomere maintenance.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Kromosomer, långa linjära DNA molekyler som finns i eukaryota organismers cellkärna i komplex med proteiner, är bärare av genetisk information. Kromosomer är samlingar av gener men de innehåller också regioner utan gener som är oumbärliga för kromosomstabiliteten och för att gener ska fördelas jämt vid varje celldelning. De strukturer som finns i slutet av linjära kromosomer, de så kallade telomerer, har viktiga funktioner i denna såsom i andra processer i cellen. Kromosomer utan telomerer är instabila och fuserar lätt med varandra eller bryts ner. Telomerer anses också ha betydelse för den kompletta replikeringen av kromosomalt DNA. Vid varje replikering kopierar det normala replikeringsmaskineriet kromosomerna men detta har ej förmåga att duplicera den yttersta delen av kromosomen, vilket leder till att kopian är kortare än dess mall. För att bibehålla kromosomens längd, måste förlusten av terminalt DNA kompenseras. De flesta organismer har löst detta problem genom telomerer bestående av korta, enkla, tandemupprepade DNA sekvenser till vilka telomerspecifika proteiner binder. Det DNA som förloras vid varje celldelning kan återsyntetiseras av ett speciellt enzym, telomeras, som adderar nya telomersekvenser till slutet av kromosomen. Trots att de flesta organismer, från ciliater till människa, använder sig av det här systemet, finns undantag. Den välstuderade bananflugan Drosophila melanogaster har långa repeterade DNA sekvenser på sina kromosomändar, vilka identifierades som telomerspecifika transposoner (hoppande element). Kromosomernas längd behålls genom att dessa element sätter sina kopior på slutet av kromosomerna. Ytterligare ett annat telomert system har identifierats i fjädermyggan Chironomus, vars telomert-DNA studerades i denna avhandling. Chironomus har 4 kromosomer, 3 metacentriska (dvs. centromeren befinner sig i en central zon av kromosomen) och en telocentric (centromer finns i närheten eller sammanfaller med telomeren). Tidigare forskning har visat att de 7 icke-telocentriska kromosomändarna hos en art, C. pallidivittatus består av långa, komplexa, 340-bp tandemrepeterade sekvenser som utgör även den yttersta delen av kromosomen. Liknande DNA finns på telomerer av besläktade arter. Trots att detta DNA evolverar snabbt, visar våra resultat att vissa egenskaper är konserverade mellan 3 olika Chironomus-arter. Enligt vår studie gjord på C. tentans, vilken är nära besläktad med C. pallidivittatus, långa enkel-strängade överhäng, typiska för den vanliga typen av telomerer , återfinns ej här. Den åttonde, telocentriska kromosomänden, innehåller en annan typ av repeterad DNA, 155-bp upprepningar som är specifika för Chironomus-centromerer. Vi har visat att dessa sekvenser är terminala. Därmed visade vi att en och samma cell kan använda sig av två olika typer av DNA-sekvenser för att avsluta olika kromosomändar. I den subtelomera regionen av denna telocentriska kromosomände, vilken ligger innanför telomererna, hittades en aktiv gen som troligen utvecklades från en transposon (hoppande element) och som kan ha betydelse för förlängning av denna speciella telomer. Det har tidigare visats att förlängning av DNA i icke-telocentriska kromosmändar kan ske genom gen konversion. Ett av målen i avhandlingen var att undersöka om även en RNA-baserad mekanism, kan användas. En tidigare identifierad RNas-känslig fraktion visades vara ett dubbelsträngat extrakromosomalt DNA-RNA komplex som kan ha betydelse för telomer- förlängning, detta återstår dock att visa. Telomerer anses ha betydelse för bl.a. cancer och åldrande. Genom att studera alternativa telomerstrukturer hoppas vi att kunna förstå vad som är väsentligt i den komplexa telomer-biologin.

• author: Rosén, Monika
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Grossbach, Ulrich, Göttingen, Germany
• organization: Invertebrate Developmental Biology, Udo Haecker's group (research group)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Genetics
• keywords: Biology, Chironomus, extrachromosomal telomeric repeats, RNA-DNA complex, 3´overhang, telocentric chromosome end, Telomere, complex repeats, Biologi, Genetics, cytogenetics, Genetik, cytogenetik
• pages: 130 pages
• defense location: Department of Genetics, Sölvegatan 29, Lund
• defense date: 2001-12-14 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNDBDS/NBGE 1040/001-130 (2001)
• ISBN: 91-7874-168-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Genetics (Closed 2011) (011005100), Invertebral Developmental Biology, Udo Haecker's group (013212048)
• id: bfba51ee-fd1e-4200-9b68-2c45a23d5ada (old id 42169)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:35:23
• date last changed: 2018-11-21 21:05:50