Activation of telomerase is crucial for cells to gain immortality. Most normal human somatic cells have a limited proliferative life span and the expression of the rate-limiting telomerase catalytic subunit, known as human telomerase reverse transcriptase (hTERT), has been believed to be tightly repressed. Its suppression acts as an important gatekeeper against tumorigenesis. Despite numerous efforts to elucidate the regulatory mechanisms of hTERT, many things remain elusive. To explore hTERT regulatory mechanisms more efficiently, we exploited a small molecule-based chemical genetic approach. Our strategy was to identify small molecules that could derepress hTERT in normal human cells in a forward chemical genetic screen and to reveal the regulatory mechanisms of hTERT by analyzing the mode of action of these molecules. In this study, six small molecules (J25, J41, Q13, Q28, Q39, and T35 ) activating the hTERT gene expression in human normal cells were identified from the screening of chemical libraries. TRAP assay showed the increased level of endogenous telomerase activity induced by the identified small molecules. Among 6 small molecules, Q28, Q39, T35, and J25 showed HDAC inhibitory effects whereasQ13 and J41 had no effect of HDAC inhibition. Consistently, Q13 and J41 have no cytotoxicity effects on human normal cells. These two chemicals might have a different action mechanism on the hTERT promoter activation comparing HDAC inhibitors. Thus, identifying the target proteins of these identified small molecules suggests the starting point for the study of the novel telomerase regulation pathway in human normal cell. In addition, they might have a potential to recover the cells from senescence because they induce the hTERT promoter transcriptional activity.
Telomerase는 세포의 암화 과정과 노화, 그리고 immortality를 획득하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. Telomerase는 대부분 인간 정상세포에서는 발현이 억제되어있는 반면에 암세포에서는 강한 활성을 가지고 있다. 이러한 Telomerase의 발현에 가장 결정적인 요소는 human telomerase reverse transcriptase (hTERT) 유전자의 활성이다. 대부분의 인간 정상 세포에서 hTERT는 거의 발현되지 않으며, 이는 세포의 암화에 대한 중요한 억제 기작으로서의 역할을 한다. 본 연구에서는 화학 유전체학적인 접근을 이용하여 telomerase의 발현을 유도하는 새로운 저분자 화합물을 스크리닝하고 인간 정상세포에서 hTERT 유전자의 활성에 관련한 기작을 밝히려고 하였다.
우선 telomerase의 활성은 hTERT 유전자의 발현과 가장 밀접한 관련이 있다는 사실로부터 luciferase assay를 이용해서 hTERT 유전자 전사에 영향을 주는 compound를 screening 하였다. 그 결과 인간 정상세포에서 hTERT 유전자를 활성화 시키는 6개의 hit compound (J25, J41, Q13, Q28, Q39, T35)를 찾았다. 이 compound들은 모두 인간 정상세포에서 telomerase의 activity를 증가시켰으나 그 정도는 조금씩 차이를 보였다.
인간 정상세포 내의 전사 억제 상태의 hTERT promoter에 Sp1 및 Sp3가 결합하고 있고 이들은 histone deacetylase (HDAC)와 결합한다는 사실이 이미 실험적으로 밝혀져 왔다. 따라서 TSA같은 HDAC inhibitor들은 hTERT promoter의 전사 억제를 완화시킬 수 있다. 인간 정상 세포 내에서 screening system을 통하여 선택된 6개의 저분자 화합물들과 TSA의 영향을 비교하였다. 그 결과, J25, Q28, Q39, T35는 TSA와 마찬가지로 HDAC를 inhibition하는 effect가 크게 나타난 것에 비해서 Q13와 J41는 HDAC을 inhibition에는 관여하지 않는 것으로 보여졌다. 따라서 Q13와 J41에 의한 hTERT 유전자 발현 증가는 기존에 알려진 mechanism과는 다른 pathway를 가진다고 생각된다. 더불어 T35와 Q13, J41는 TSA를 비롯한 나머지 4개의 화합물에 비해 toxic한 effect 또한 보여지지 않으므로 normal cell의 immortalization을 유도하는 데 중요한 역할을 할 수 있을 거라 기대할 수 있다.
결론적으로, 인간 정상세포에서 식별된 저분자 화합물들이 표적 단백질에 결합하여 다음 단계의 신호전달을 유도하고 최종적으로 hTERT 유전자 발현을 증가시키게 된다.
이러한 저분자 화합물의 세포 내에서의 표적 단백질을 밝혀냄을 시작으로 새로운 telomerase 조절 경로와 세포의 노화에 대한 연구를 진행시킬 수 있을 것이며 이는 노화 현상으로 인해 유도되는 다른 질병의 연구에도 큰 가치를 가진다고 할 수 있다.
