Telomeres in Chironomus - studies on structure and evolution

Abstract

The telomeres, the physical ends of the chromosomes, consist in various species of short simple tandem repeats which are extended by telomerase. The Drosophila melanogaster telomeres, which instead are elongated by retroposons, are an exception. In Chironomus pallidivittatus and Chironomus tentans the telomeres contain 340/350-bp tandem repeats in blocks up to 200 kb in size. The structure of the repeat unit is complex, with subrepeats embedded in linker regions. The questions addressed in this investigation are (i) what is the evolutionary origin of the 340/350-bp repeat units (ii) do these repeats extend to the extreme end of the telomeres, and if so (iii), what is the structure and evolutionary origin of the subtelomeric region. In a comparison of repeat units from C. pallidivittatus and C. tentans, it was shown that mutational differences are predominantly located in linker regions. By characterization of evolutionarily early forms of the 350-bp repeat in C. tentans it could be concluded that linkers are likely to be due to the insertion of non-LTR retroposons, and that the subrepeated regions are built up by arrays of short degenerate repeats, some of which are inverted. It is suggested that 350-bp repeats are formed by the evolution of the short telomeric repeats that are characteristic of the telomeres in most species in a process involving inversions and retrotranspositions. The 340-bp repeats in C. pallidivittatus were demonstrated to indeed comprise the very end of the telomere, and to thus represent a novel type of termini of the chromosomes. The interest in the subtelomeric region was based on the similarity found between the complex 340/350-bp repeats and the subterminal regions in other organisms. In a study of telomere-adjacent sequences in C. pallidivittatus and C. tentans, this region was shown to be conserved and to share features with the subtelomeric regions of many species.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Telomerer är en specialiserad DNA-protein struktur som finns i slutet av den linjära kromosomen. Trots att den telomera regionen inte innehåller några gener anses den vara oumbärlig för kromosomernas överlevnad. Telomererna skyddar kromosomerna från nedbrytning orsakad av enzymatiska attacker. Kromosomer utan telomerer har dessutom visats vara ytterst reaktiva och fuserar (sammansmälter) ofta med varandra medan intakta kromosomer bibehåller sin integritet. Telomerer anses också ha betydelse för den tredimensionella strukturen i cellkärnan, samt för att kromosomer skall paras korrekt under celldelning. Den telomera DNA-sekvensen består hos de flesta organismer, inklusive människa, mus, och olika arter av svampar och växter, av korta enkla DNA-sekvenser som upprepas om och om igen direkt efter varandra (tandemrepeterade). En av de viktigaste egenskaperna som tillskrivs telomerer är förmågan att bibehålla kromosomens längd. De konventionella mekanismer som celler utnyttjar för att replikera (duplicera) sitt genetiska material inbegriper inte den yttersta delen av kromosomen. Resultatet skulle därför bli att kromosomen efter varje replikationscykel blir kortare och kortare såvida inte kompenserande mekanismer funnits. Ett specialiserat enzym, telomerase, har visat sig ha just en sådan funktion, att addera nya korta telomera sekvenser till slutet av kromosomen. Telomerase-aktivitet har identifierats i de flesta organismer, och är den generella förlängningsmekanismen i de fall då korta enkla DNA-sekvenser utgör slutet av kromosomen. Undantag finns dock, i bananflugan Drosophila melanogaster, en av de mest studerade modellorganismerna, består telomererna av transposoner ("hoppande element"). Kromosomerna förlängs genom att stora block av DNA sekvenser "hoppar", så kallat transponerar, till kromosomändarna. I detta avhandlingsarbete har en tredje typ av telomer struktur studerats. Två arter av fjädermyggan Chironomus (Chironomus pallidivittatus och Chironomus tentans), har använts som modellsystem. Telomererna har här visats bestå av tandemrepeterade DNA-sekvenser (enheter), med en betydligt mer komplicerad struktur än de korta enkla sekvenser som återfinns i de flesta arter. De komplexa enheterna består i sin tur av interna enheter, så kallade subenheter, som har en stor likhet med varandra. Dessa subenheter är separerade av regioner som saknar en intern likhet och vilka benämns linker-regioner. I avhandlingen beskrivs struktur och evolution av de komplexa enheterna. Genom att jämföra DNA-sekvenser i de två nämnda arterna av Chironomus har vi sett att mutationer (förändringar i det genetiska materialet) främst har uppstått i linker-regionerna. Genom jämförelser med evolutionärt (utvecklingsmässigt) äldre former av de komplexa enheterna, har vi visat att mutationer i linker-regioner till största delen beror på transpositioner (insättning av hoppande element) och inversioner (omvända DNA-sekvenser). Utifrån studier av de evolutionärt äldre formerna har vi också kunnat visa att de komplexa enheterna sannolikt har utvecklats från korta enkla enheter av den typ som tidigare beskrivits. Vi har även visat att de komplexa enheterna i C. pallidivittatus verkligen utgör den yttersta delen av kromosomen, och därigenom representerar en ny typ av telomer-struktur. Våra resultat visar därför att de komplexa enheterna har bibehållit inte bara en del av sin urprungliga struktur, bestående av korta enkla enheter, utan också sin ursprungliga funktion. I regioner som ligger innanför telomererna, de så kallade subtelomera regionerna, har vi sett likheter med de subtelomera regioner som studerats i andra organismer, trots att de telomera regionerna är avsevärt olika. Telomerer och dess enzymer anses ha betydelse i bl. a. åldrande och utveckling av cancer. Vi hoppas att den mångfasetterade bild som skapas via studier av alternativa telomer-system bidrar till en fördjupad förståelse av telomerers struktur, evolution och därigenom funktion.

• author: Nielsen, Lena
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Lambertsson, Andrew, University of Oslo, Norway
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Genetics
• keywords: Genetics, subtelomeres, termination, evolution, internal subrepeats, tandemrepetitive, complex repeats, telomeres, Chironomus, cytogenetics, Genetik, cytogenetik
• pages: 50 pages
• defense location: Department of Genetics, Sölvegatan 29, Lund
• defense date: 1996-05-11 10:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNBDS/NBGE 1024/001-106 (1996)
• language: English
• LU publication?: no
• 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)
• id: 520f339f-86e8-4cf7-ae61-9d094529de8f (old id 28394)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:17:39
• date last changed: 2018-11-21 21:03:53