Dans la réplication de l'ADN eucaryote, un fragment d'ADN simple brin reste à l'extrémité d'un chromosome après le retrait de l'amorce finale. Cette section d'ADN ne peut pas être répliquée de la même manière que le reste du brin car il n’y a pas d’extrémité 3’ à laquelle l'ADN nouvellement synthétisé peut se fixer. Ce fragment non répliqué entraîne une perte progressive de l'ADN chromosomique au cours de chaque duplication cellulaire. De plus, il peut induire une réponse aux dommages de l'ADN par des enzymes qui reconnaissent l'ADN simple brin. Pour éviter cela, une zone tampon composée d'une séquence nucléotidique répétitive et d'un complexe protéique, appelée télomère est présente aux extrémités des chromosomes et les protège.

La télomérase, enzyme ribonucléoprotéine composée à la fois d'ARN et de protéines, peut synthétiser et allonger l'ADN perdu. Le composant ARN télomérase (TERC) contient une séquence nucléotidique matrice pour la synthèse des répétitions télomériques. La longueur et la séquence de TERC varient d'un organisme à l'autre. Chez les ciliés, elle mesure environ 150 nucléotides, alors que, chez la levure, elle est d'environ 1150 nucléotides. Le composant protéique, la transcriptase inverse de la télomérase (TERT), synthétise de courtes répétitions des télomères en utilisant le brin modèle présent dans la TERC.

Chez les mammifères, le télomère est protégé par le shelterin qui est un complexe de six protéines différentes : facteur de liaison aux répétitions télomériques 1 (TRF1), facteur de liaison aux répétitions télomériques 2 (TRF2), protection des télomères 1 (POT1), TRF1 Interacting nuclear factor 2 (TIN2), protéine organisatrice TIN2-POT1 (TPP1) et protéine répresseur/activateur 1 (RAP1). Les protéines présentes dans le complexe de shelterin sont impliquées dans des fonctions importantes telles que le recrutement de la télomérase, la régulation de la longueur des télomères et la fourniture de sites de liaison pour les protéines accessoires.

L'expression de la télomérase peut augmenter la durée de vie d'une cellule et lui permettre de proliférer en continu, une caractéristique d'une cellule cancéreuse. L'activité de la télomérase a été observée dans près de 90 % des cellules cancéreuses, ce qui en fait une cible de la recherche actuelle pour de nouveaux traitements contre le cancer.