Telomerasa
Telomerasa, también llamada transferasa terminal, es una ribonucleoproteína que agrega una secuencia de repetición de telómero dependiente de especie a la secuencia 3' final de los telómeros. Un telómero es una región de secuencias repetitivas en cada extremo de los cromosomas de la mayoría de los eucariotas. Los telómeros protegen el extremo del cromosoma del daño del ADN o de la fusión con los cromosomas vecinos. La mosca de la fruta Drosophila melanogaster carece de telomerasa, pero en su lugar utiliza retrotransposones para mantener los telómeros.
La telomerasa es una enzima transcriptasa inversa que lleva su propia molécula de ARN (p. ej., con la secuencia 3'-CCCAAUCCC-5' en Trypanosoma brucei) que se utiliza como plantilla cuando alarga los telómeros. La telomerasa está activa en los gametos y en la mayoría de las células cancerosas, pero normalmente está ausente en la mayoría de las células somáticas.
Historia
La existencia de un mecanismo compensatorio para el acortamiento de los telómeros fue descubierto por primera vez por el biólogo soviético Alexey Olovnikov en 1973, quien también sugirió la hipótesis del envejecimiento de los telómeros y las conexiones de los telómeros con el cáncer.
La telomerasa en el ciliado Tetrahymena fue descubierta por Carol W. Greider y Elizabeth Blackburn en 1984. Junto con Jack W. Szostak, Greider y Blackburn recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2009 por su descubrimiento.
El papel de los telómeros y la telomerasa en el envejecimiento celular y el cáncer fue establecido por científicos de la empresa de biotecnología Geron con la clonación del ARN y los componentes catalíticos de la telomerasa humana y el desarrollo de un ensayo basado en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para determinar la actividad de la telomerasa. llamado ensayo TRAP, que examina la actividad de la telomerasa en múltiples tipos de cáncer.
Las estructuras de microscopía electrónica (EM) de tinción negativa de las telomerasas humana y Tetrahymena se caracterizaron en 2013. Dos años más tarde, la primera estructura de microscopía electrónica criogénica (crio-EM) de la holoenzima telomerasa (Tetrahymena) fue determinada. En 2018, científicos de UC Berkeley determinaron la estructura de la telomerasa humana mediante crio-EM.
Estructura de la telomerasa humana
La composición molecular del complejo de telomerasa humana fue determinada por Scott Cohen y su equipo en el Instituto de Investigación Médica Infantil (Sydney, Australia) y consta de dos moléculas, cada una de telomerasa humana transcriptasa inversa (TERT), ARN de telomerasa (TR o TERC) y disquerina (DKC1). Los genes de las subunidades de la telomerasa, que incluyen TERT, TERC, DKC1 y TEP1, están ubicados en diferentes cromosomas. El gen TERT humano (hTERT) se traduce en una proteína de 1132 aminoácidos. El polipéptido TERT se pliega con (y transporta) TERC, un ARN no codificante (451 nucleótidos de largo). TERT tiene una 'manopla' estructura que le permite envolverse alrededor del cromosoma para agregar repeticiones de telómero de cadena sencilla.
TERT es una transcriptasa inversa, que es una clase de enzimas que crea ADN monocatenario utilizando ARN monocatenario como plantilla.
La proteína consta de cuatro dominios conservados (dominio de unión a ARN (TRBD), dedos, palma y pulgar), organizados en una "mano derecha" configuración de anillo que comparte características comunes con transcriptasas inversas retrovirales, replicasas de ARN virales y ADN polimerasas de la familia B de bacteriófagos.
Se han secuenciado proteínas TERT de muchos eucariotas.
Mecanismo
Al usar TERC, TERT puede agregar una secuencia repetida de seis nucleótidos, 5'-TTAGGG (en vertebrados, la secuencia difiere en otros organismos) a la secuencia 3' cadena de cromosomas. Estas repeticiones TTAGGG (con sus diversos compañeros de unión a proteínas) se denominan telómeros. La región de plantilla de TERC es 3'-CAAUCCCAAUC-5'.
La telomerasa puede unir los primeros nucleótidos de la plantilla a la última secuencia de telómero en el cromosoma, agregar una nueva secuencia de repetición de telómero (5'-GGTTAG-3'), soltar, realinear el nuevo 3&# 39;-extremo del telómero a la plantilla, y repetir el proceso. La telomerasa revierte el acortamiento de los telómeros.
Implicaciones clínicas
Envejecimiento
La telomerasa restaura fragmentos cortos de ADN conocidos como telómeros, que de otro modo se acortan después de la división repetida de una célula a través de la mitosis.
En circunstancias normales, cuando la telomerasa está ausente, si una célula se divide recursivamente, en algún momento la progenie alcanza su límite de Hayflick, que se cree que está entre 50 y 70 divisiones celulares. En el límite, las células se vuelven senescentes y se detiene la división celular. La telomerasa permite que cada descendiente reemplace la parte perdida de ADN, lo que permite que la línea celular se divida sin llegar nunca al límite. Este mismo crecimiento ilimitado es una característica del crecimiento canceroso.
Las células madre embrionarias expresan telomerasa, lo que les permite dividirse repetidamente y formar el individuo. En los adultos, la telomerasa está altamente expresada solo en las células que necesitan dividirse regularmente, especialmente en los espermatozoides masculinos, pero también en las células epidérmicas, en los linfocitos T y B activados, así como en ciertas células madre adultas, pero en la gran mayoría la mayoría de los casos las células somáticas no expresan telomerasa.
Un estudio de biología comparativa de los telómeros de mamíferos indicó que la longitud de los telómeros de algunas especies de mamíferos se correlaciona inversamente, en lugar de directamente, con la esperanza de vida, y concluyó que la contribución de la longitud de los telómeros a la esperanza de vida no está resuelta. El acortamiento de los telómeros no ocurre con la edad en algunos tejidos posmitóticos, como en el cerebro de rata. En los seres humanos, la longitud de los telómeros del músculo esquelético permanece estable entre los 23 y los 74 años. En el músculo esquelético de babuino, que consta de células postmitóticas completamente diferenciadas, menos del 3% de los mionúcleos contienen telómeros dañados y este porcentaje no aumenta con la edad. Por tanto, el acortamiento de los telómeros no parece ser un factor importante en el envejecimiento de las células diferenciadas del cerebro o del músculo esquelético. En el hígado humano, los colangiocitos y los hepatocitos no muestran acortamiento de los telómeros relacionado con la edad. Otro estudio encontró poca evidencia de que, en humanos, la longitud de los telómeros sea un biomarcador significativo del envejecimiento normal con respecto a importantes capacidades cognitivas y físicas.
Algunos experimentos han planteado dudas sobre si la telomerasa se puede utilizar como terapia antienvejecimiento, concretamente, el hecho de que los ratones con niveles elevados de telomerasa tienen una mayor incidencia de cáncer y, por lo tanto, no viven más tiempo. Por otro lado, un estudio mostró que la activación de la telomerasa en ratones resistentes al cáncer mediante la sobreexpresión de su subunidad catalítica prolongó la vida útil. Un estudio encontró que los sujetos longevos heredaron una versión hiperactiva de la telomerasa.
Envejecimiento prematuro
Los síndromes de envejecimiento prematuro, incluidos el síndrome de Werner, la progeria, la ataxia telangiectasia, el trastorno similar a la ataxia-telangiectasia, el síndrome de Bloom, la anemia de Fanconi y el síndrome de rotura de Nijmegen, están asociados con telómeros cortos. Sin embargo, todos los genes que han mutado en estas enfermedades tienen funciones en la reparación del daño del ADN y el aumento del daño del ADN puede, en sí mismo, ser un factor en el envejecimiento prematuro (consulte la teoría del envejecimiento del daño del ADN). Un papel adicional en el mantenimiento de la longitud de los telómeros es un área activa de investigación.
Cáncer
In vitro, cuando las células se acercan al límite de Hayflick, el tiempo hasta la senescencia puede extenderse inactivando las proteínas supresoras de tumores p53 y la proteína de retinoblastoma (pRb). Las células que han sido tan alteradas finalmente sufren un evento denominado 'crisis'. cuando la mayoría de las células del cultivo mueren. A veces, una célula no deja de dividirse una vez que llega a una crisis. En una situación típica, los telómeros se acortan y la integridad cromosómica disminuye con cada división celular subsiguiente. Los extremos de los cromosomas expuestos se interpretan como roturas de doble cadena (DSB) en el ADN; dicho daño generalmente se repara volviendo a unir los extremos rotos. Cuando la célula hace esto debido al acortamiento de los telómeros, los extremos de los diferentes cromosomas pueden unirse entre sí. Esto resuelve el problema de la falta de telómeros, pero durante la anafase de división celular, los cromosomas fusionados se separan al azar, lo que provoca muchas mutaciones y anomalías cromosómicas. A medida que continúa este proceso, el genoma de la célula se vuelve inestable. Eventualmente, se produce un daño fatal en los cromosomas de la célula (matándola por apoptosis) o se produce una mutación adicional que activa la telomerasa.
Con la activación de la telomerasa, algunos tipos de células y su descendencia se vuelven inmortales (sobrepasan el límite de Hayflick), evitando así la muerte celular siempre que se cumplan las condiciones para su duplicación. Muchas células cancerosas se consideran 'inmortales' porque la actividad de la telomerasa les permite vivir mucho más que cualquier otra célula somática, lo que, combinado con la proliferación celular incontrolable, es la razón por la que pueden formar tumores. Un buen ejemplo de células cancerosas inmortales son las células HeLa, que se han utilizado en laboratorios como línea celular modelo desde 1951.
Si bien este método de modelar el cáncer humano en cultivo celular es eficaz y los científicos lo han utilizado durante muchos años, también es muy impreciso. Los cambios exactos que permiten la formación de los clones tumorigénicos en el experimento descrito anteriormente no están claros. Los científicos abordaron esta pregunta mediante la introducción en serie de múltiples mutaciones presentes en una variedad de cánceres humanos. Esto ha llevado a la identificación de combinaciones de mutaciones que forman células tumorigénicas en una variedad de tipos de células. Si bien la combinación varía según el tipo de célula, en todos los casos se requieren las siguientes alteraciones: activación de TERT, pérdida de la función de la vía p53, pérdida de la función de la vía pRb, activación de los protooncogenes Ras o myc y aberración de la proteína fosfatasa PP2A. Es decir, la célula tiene una telomerasa activada, eliminando el proceso de muerte por inestabilidad o pérdida cromosómica, ausencia de vías de inducción de apoptosis y activación continua de la mitosis.
Este modelo de cáncer en cultivo celular describe con precisión el papel de la telomerasa en tumores humanos reales. La activación de la telomerasa se ha observado en ~90 % de todos los tumores humanos, lo que sugiere que la inmortalidad conferida por la telomerasa juega un papel clave en el desarrollo del cáncer. De los tumores sin activación de TERT, la mayoría emplea una vía separada para mantener la longitud de los telómeros denominada alargamiento alternativo de los telómeros (ALT). El mecanismo exacto detrás del mantenimiento de los telómeros en la vía ALT no está claro, pero probablemente implica múltiples eventos de recombinación en los telómeros.
Elizabeth Blackburn et al., identificó la regulación positiva de 70 genes conocidos o sospechosos en el crecimiento del cáncer y su diseminación por el cuerpo, y la activación de la glucólisis, que permite que las células cancerosas usen azúcar rápidamente para facilitar su tasa de crecimiento programada (aproximadamente la tasa de crecimiento de un feto).
Los enfoques para controlar la telomerasa y los telómeros para la terapia del cáncer incluyen la terapia génica, la inmunoterapia, los inhibidores de vías de señales y de moléculas pequeñas.
Drogas
La capacidad de mantener los telómeros funcionales puede ser un mecanismo que permite que las células cancerosas crezcan in vitro durante décadas. La actividad de la telomerasa es necesaria para preservar muchos tipos de cáncer y está inactiva en las células somáticas, lo que crea la posibilidad de que la inhibición de la telomerasa pueda reprimir selectivamente el crecimiento de las células cancerosas con efectos secundarios mínimos. Si un fármaco puede inhibir la telomerasa en las células cancerosas, los telómeros de las generaciones sucesivas se acortarán progresivamente, lo que limitará el crecimiento del tumor.
La telomerasa es un buen biomarcador para la detección del cáncer porque la mayoría de las células cancerosas humanas expresan altos niveles de ella. La actividad de la telomerasa se puede identificar por su dominio de proteína catalítica (hTERT). Este es el límite de velocidad paso en la actividad de la telomerasa. Se asocia con muchos tipos de cáncer. Varias células cancerosas y fibroblastos transformados con hTERT cDNA tienen una alta actividad de telomerasa, mientras que las células somáticas no. Las células que dan positivo para hTERT tienen señales nucleares positivas. El tejido de células madre epiteliales y sus células hijas tempranas son las únicas células no cancerosas en las que se puede detectar hTERT. Dado que la expresión de hTERT depende únicamente del número de células tumorales dentro de una muestra, la cantidad de hTERT indica la gravedad del cáncer.
La expresión de hTERT también se puede utilizar para distinguir tumores benignos de tumores malignos. Los tumores malignos tienen una mayor expresión de hTERT que los tumores benignos. La reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa en tiempo real (RT-PCR) que cuantifica la expresión de hTERT en varias muestras de tumores verificó esta expresión variable.
La falta de telomerasa no afecta el crecimiento celular hasta que los telómeros son lo suficientemente cortos como para causar que las células "mueran o sufran una detención del crecimiento". Sin embargo, la inhibición de la telomerasa por sí sola no es suficiente para destruir tumores grandes. Debe combinarse con cirugía, radiación, quimioterapia o inmunoterapia.
Las células pueden reducir la longitud de sus telómeros solo entre 50 y 252 pares de bases por división celular, lo que puede conducir a una fase de retraso prolongada.
Un activador de la telomerasa TA-65 está disponible comercialmente y se afirma que retrasa el envejecimiento y alivia ciertas enfermedades. Esta formulación contiene una molécula llamada cicloastragenol derivada de una leguminosa Astragalus membranaceus, que se ha utilizado en la medicina tradicional china para prolongar la vida saludable.
Inmunoterapia
La inmunoterapia trata con éxito algunos tipos de cáncer, como el melanoma. Este tratamiento consiste en manipular el sistema inmunitario de un ser humano para destruir las células cancerosas. Los seres humanos tienen dos linfocitos principales que identifican antígenos: linfocitos T citotóxicos CD8+ (CTL) y linfocitos T auxiliares CD4+ que pueden destruir células. Los receptores de antígenos en CTL pueden unirse a una cadena de 9 a 10 aminoácidos que presenta el complejo principal de histocompatibilidad (MHC) como se muestra en la Figura 4. HTERT es un posible antígeno diana. La inmunofocalización debería generar relativamente pocos efectos secundarios, ya que la expresión de hTERT está asociada solo con la telomerasa y no es esencial en casi todas las células somáticas. GV1001 utiliza esta vía. Las terapias experimentales con medicamentos y vacunas dirigidas a la telomerasa activa se han probado en modelos de ratones y se han iniciado los ensayos clínicos. Un fármaco, imetelstat, se está investigando clínicamente como un medio para interferir con la telomerasa en las células cancerosas. La mayoría de los efectos nocivos de la telomerasa relacionados con el cáncer dependen de una plantilla de ARN intacta. Las células madre cancerosas que utilizan un método alternativo de mantenimiento de los telómeros aún mueren cuando la plantilla de ARN de la telomerasa se bloquea o daña.
Vacunas de telomerasa
Se han desarrollado dos vacunas de telomerasa: GRNVAC1 y GV1001. GRNVAC1 aísla las células dendríticas y el ARN que codifica la proteína telomerasa y los vuelve a colocar en el paciente para que produzca células T citotóxicas que matan las células activas de la telomerasa. GV1001 es un péptido del sitio activo de hTERT y es reconocido por el sistema inmunitario que reacciona matando las células activas de la telomerasa.
Apoptosis dirigida
Otro enfoque independiente es utilizar ribozimas y oligonucleótidos antisentido anti-telomerasa oligoadenilados para atacar el ARN de la telomerasa, lo que reduce la disociación y la apoptosis (Figura 5). La rápida inducción de la apoptosis a través de la unión antisentido puede ser una buena alternativa al acortamiento más lento de los telómeros.
ARN pequeño de interferencia (siRNA)
Los siRNA son pequeñas moléculas de RNA que inducen la degradación específica de secuencia de otros RNA. El tratamiento con ARNsi puede funcionar de manera similar a la terapia génica tradicional al destruir los productos de ARNm de genes particulares y, por lo tanto, prevenir la expresión de esos genes. Un estudio de 2012 encontró que dirigirse a TERC con un siRNA redujo la actividad de la telomerasa en más del 50 % y resultó en una disminución de la viabilidad de las células cancerosas inmortales. El tratamiento con siRNA y radiación causó una mayor reducción en el tamaño del tumor en ratones que el tratamiento con radiación sola, lo que sugiere que dirigirse a la telomerasa podría ser una forma de aumentar la eficacia de la radiación en el tratamiento de tumores resistentes a la radiación.
Enfermedades cardíacas, diabetes y calidad de vida
Blackburn también descubrió que las madres que cuidan a niños muy enfermos tienen telómeros más cortos cuando informan que su estrés emocional está al máximo y que la telomerasa estaba activa en el sitio de los bloqueos en el tejido de las arterias coronarias, lo que posiblemente aceleraba los ataques cardíacos.
En 2009, se demostró que la cantidad de actividad de la telomerasa aumentó significativamente después del estrés psicológico. En la muestra de pacientes, la actividad de la telomerasa en las células mononucleares de sangre periférica aumentó un 18% una hora después del final del estrés.
Did you mean:A study in 2010 found that there was "significantly greater#34; telomerase activity in participants than controls after a three-month meditation retreat.
La deficiencia de telomerasa se ha relacionado con la diabetes mellitus y la alteración de la secreción de insulina en ratones, debido a la pérdida de células pancreáticas productoras de insulina.
Enfermedades humanas raras
Las mutaciones en TERT se han implicado en la predisposición de los pacientes a la anemia aplásica, un trastorno en el que la médula ósea no produce células sanguíneas, en 2005.
El síndrome de Cri du chat (CdCS) es un trastorno complejo que implica la pérdida de la porción distal del brazo corto del cromosoma 5. TERT se encuentra en la región delecionada y se ha sugerido como causa la pérdida de una copia de TERT o factor contribuyente de esta enfermedad.
La disqueratosis congénita (DC) es una enfermedad de la médula ósea que puede ser causada por algunas mutaciones en las subunidades de la telomerasa. En los casos de DC, alrededor del 35 % de los casos son recesivos ligados al cromosoma X en el locus DKC1 y el 5 % de los casos son autosómicos dominantes en los loci TERT y TERC.
Los pacientes con DC tienen insuficiencia grave de la médula ósea que se manifiesta como pigmentación anormal de la piel, leucoplasia (engrosamiento blanco de la mucosa oral) y distrofia ungueal, así como una variedad de otros síntomas. Las personas con mutaciones en TERC o DKC1 tienen telómeros más cortos y actividad defectuosa de la telomerasa in vitro en comparación con otras personas de la misma edad.
En una familia, la DC autosómica dominante se vinculó con una mutación TERT heterocigota. Estos pacientes también exhibieron una mayor tasa de acortamiento de los telómeros y anticipación genética (es decir, el fenotipo DC empeoró con cada generación).