Telómero
Un telómero (del griego antiguo τέλος (télos) 'end', y μέρος (méros) 'parte') es una región de secuencias de nucleótidos repetitivas asociadas con proteínas especializadas en los extremos de los cromosomas lineales. Los telómeros son una característica genética generalizada que se encuentra más comúnmente en los eucariotas. En la mayoría, si no en todas las especies que los poseen, protegen las regiones terminales del ADN cromosómico de la degradación progresiva y aseguran la integridad de los cromosomas lineales al evitar que los sistemas de reparación del ADN confundan los extremos de la hebra de ADN con una ruptura de la doble hebra.
Descubrimiento
A principios de la década de 1970, el teórico soviético Alexei Olovnikov reconoció por primera vez que los cromosomas no podían replicar completamente sus extremos; esto se conoce como el "problema de replicación final". Sobre esta base, y teniendo en cuenta la idea de Leonard Hayflick de la división celular somática limitada, Olovnikov sugirió que las secuencias de ADN se pierden cada vez que una célula se replica hasta que la pérdida alcanza un nivel crítico, momento en el que termina la división celular.
En 1975–1977, Elizabeth Blackburn, trabajando como becaria postdoctoral en la Universidad de Yale con Joseph G. Gall, descubrió la naturaleza inusual de los telómeros, con sus simples secuencias repetidas de ADN que componen los extremos de los cromosomas. Blackburn, Carol Greider y Jack Szostak recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2009 por el descubrimiento de cómo los telómeros y la enzima telomerasa protegen los cromosomas.
En 1983, Barbara McClintock, una citogenetista estadounidense y la primera mujer en recibir un Premio Nobel no compartido en Fisiología o Medicina, recibió el Premio Nobel por observar que los cromosomas que carecen de partes finales se vuelven "pegajosos" y planteó la hipótesis de la existencia de una estructura especial en la punta del cromosoma que mantendría la estabilidad cromosómica.
Estructura y función
Terminar problema de replicación
Durante la replicación del ADN, la ADN polimerasa no puede replicar las secuencias presentes en el 3' extremos de las cadenas madre. Esto es una consecuencia de su modo unidireccional de síntesis de ADN: solo puede unir nuevos nucleótidos a un extremo 3' existente (es decir, la síntesis progresa 5'-3') y, por lo tanto, requiere un cebador para iniciar la replicación. En la hebra principal (orientada 5'-3' dentro de la horquilla de replicación), la ADN polimerasa se replica continuamente desde el punto de inicio hasta el final de la hebra con el cebador (hecho de ARN) luego siendo extirpado y sustituido por ADN. La hebra rezagada, sin embargo, está orientada 3'-5'. con respecto a la horquilla de replicación, por lo que la replicación continua por la ADN polimerasa es imposible, lo que requiere una replicación discontinua que implica la síntesis repetida de cebadores más 5' del sitio de iniciación (ver replicación de cadena retrasada). El último cebador que participa en la replicación de la hebra retrasada se encuentra cerca del extremo 3' de la plantilla (que corresponde al extremo 5' potencial de la hebra retrasada). Originalmente, se creía que el último cebador se ubicaría al final de la plantilla, por lo que, una vez eliminado, la ADN polimerasa que sustituye los cebadores por ADN (ADN-Pol δ en eucariotas) sería incapaz de sintetizar el " reemplazo de ADN" desde el extremo 5' de la hebra rezagada para que los nucleótidos de la plantilla emparejados previamente con el último cebador no se repliquen. Desde entonces, se ha cuestionado si el cebador de la última cadena rezagada se coloca exactamente en el extremo 3' de la plantilla y se demostró que se sintetiza a una distancia de aproximadamente 70-100 nucleótidos, lo que es consistente con el hallazgo de que El ADN en células humanas cultivadas se acorta entre 50 y 100 pares de bases por división celular.
Si las secuencias de codificación se degradan en este proceso, se perdería un código genético potencialmente vital. Los telómeros son secuencias repetitivas no codificantes ubicadas en los extremos de los cromosomas lineales para actuar como amortiguadores para aquellas secuencias codificantes más atrás. Ellos "tapa" las secuencias finales y se degradan progresivamente en el proceso de replicación del ADN.
El "problema de finalización de la replicación" es exclusivo de los cromosomas lineales ya que los cromosomas circulares no tienen extremos fuera del alcance de las ADN polimerasas. La mayoría de los procariotas, que se basan en cromosomas circulares, no poseen telómeros. Sin embargo, una pequeña fracción de los cromosomas bacterianos (como los de Streptomyces, Agrobacterium y Borrelia) son lineales y poseen telómeros, que son muy diferentes de los de los cromosomas eucarióticos en estructura y función. Las estructuras conocidas de los telómeros bacterianos toman la forma de proteínas unidas a los extremos de los cromosomas lineales, o bucles de horquilla de ADN monocatenario en los extremos de los cromosomas lineales.
Los telómeros terminan y se abrigan
En el extremo 3' del telómero hay un saliente de 300 pares de bases que puede invadir la porción de doble cadena del telómero formando una estructura conocida como bucle en T. Este bucle es análogo a un nudo, que estabiliza el telómero y evita que la maquinaria de reparación del ADN reconozca los extremos del telómero como puntos de ruptura. Si se produjera una unión de extremos no homólogos en los extremos teloméricos, se produciría una fusión cromosómica. El bucle T es mantenido por varias proteínas, denominadas colectivamente complejo de refugio. En los seres humanos, el complejo de refugio consta de seis proteínas identificadas como TRF1, TRF2, TIN2, POT1, TPP1 y RAP1. En muchas especies, las repeticiones de secuencia están enriquecidas en guanina, p. TTAGGG en vertebrados, que permite la formación de G-quadruplexes, una conformación especial de ADN que implica emparejamiento de bases no Watson-Crick. Existen diferentes subtipos en función de la implicación del ADN monocatenario o bicatenario, entre otras cosas. Existe evidencia de que el saliente 3' en los ciliados (que poseen repeticiones de telómeros similares a las que se encuentran en los vertebrados) forma tales G-cuádruplex que lo acomodan, en lugar de un bucle en T. Los cuádruples G presentan un obstáculo para enzimas como las polimerasas de ADN y, por lo tanto, se cree que están involucrados en la regulación de la replicación y la transcripción.
Telomerasa
Muchos organismos tienen una enzima ribonucleoproteica llamada telomerasa, que lleva a cabo la tarea de agregar secuencias de nucleótidos repetitivas a los extremos del ADN. La telomerasa "repone" el telómero "cap" y no requiere ATP En la mayoría de los organismos eucariotas multicelulares, la telomerasa está activa solo en las células germinales, algunos tipos de células madre, como las células madre embrionarias, y ciertos glóbulos blancos. La telomerasa se puede reactivar y los telómeros se restablecen a un estado embrionario mediante transferencia nuclear de células somáticas. El acortamiento constante de los telómeros con cada replicación en las células somáticas (corporales) puede tener un papel en la senescencia y en la prevención del cáncer. Esto se debe a que los telómeros actúan como una especie de "fusible" de retardo de tiempo, que eventualmente se agota después de un cierto número de divisiones celulares y resulta en la pérdida final de información genética vital del cromosoma de la célula. con futuras divisiones.
Longitud
La longitud de los telómeros varía mucho entre las especies, desde aproximadamente 300 pares de bases en la levadura hasta muchas kilobases en los seres humanos, y por lo general se compone de matrices de repeticiones de seis a ocho pares de bases ricas en guanina. Los telómeros eucarióticos normalmente terminan con un saliente de ADN monocatenario 3 ', que es esencial para el mantenimiento y la protección de los telómeros. Se han identificado múltiples proteínas que se unen al ADN de los telómeros de cadena simple y doble. Estos funcionan tanto en el mantenimiento de los telómeros como en la protección. Los telómeros forman grandes estructuras de bucle llamadas bucles de telómero o bucles en T. Aquí, el ADN monocatenario se enrolla en un círculo largo, estabilizado por proteínas de unión a telómeros. Al final del bucle en T, el ADN del telómero de cadena sencilla se mantiene en una región de ADN de doble cadena por la cadena del telómero que interrumpe el ADN de doble hélice y el emparejamiento de bases con una de las dos cadenas. Esta estructura de triple hebra se denomina bucle de desplazamiento o bucle D.
Acortamiento
Daño oxidativo
Además del problema de la replicación final, los estudios in vitro han demostrado que los telómeros acumulan daño debido al estrés oxidativo y que el daño del ADN mediado por el estrés oxidativo tiene una gran influencia en el acortamiento de los telómeros in vivo. Hay una multitud de formas en que el estrés oxidativo, mediado por especies reactivas de oxígeno (ROS), puede provocar daños en el ADN; sin embargo, aún no está claro si la tasa elevada en los telómeros se debe a su susceptibilidad inherente oa una actividad disminuida de los sistemas de reparación del ADN en estas regiones. A pesar del acuerdo generalizado de los hallazgos, se han señalado fallas generalizadas con respecto a la medición y el muestreo; por ejemplo, se dice que una supuesta dependencia de especie y tejido del daño oxidativo a los telómeros no está suficientemente justificada. Los estudios basados en la población han indicado una interacción entre la ingesta de antioxidantes y la longitud de los telómeros. En el Proyecto de Estudio de Cáncer de Mama de Long Island (LIBCSP), los autores encontraron un aumento moderado en el riesgo de cáncer de mama entre las mujeres con los telómeros más cortos y una menor ingesta dietética de betacaroteno, vitamina C o E. Estos resultados sugieren que el riesgo de cáncer debido al acortamiento de los telómeros puede interactuar con otros mecanismos de daño del ADN, específicamente el estrés oxidativo.
Asociación con el envejecimiento
El acortamiento de los telómeros está asociado con el envejecimiento, la mortalidad y las enfermedades relacionadas con el envejecimiento. Basado en la comparación entre individuos de diferentes edades, la longitud de los telómeros se asocia negativamente con el número de divisiones celulares en células germinales y tumorales. Esto lleva al vínculo entre la edad y la longitud de los telómeros, como era de esperar, cuanto mayor es un individuo, más veces sus células han replicado su genoma y se han dividido. A diferencia de los humanos, se ha demostrado que los ratones tienen telómeros significativamente más largos. Esto podría demostrar cómo los efectos del acortamiento de los telómeros podrían tener un efecto diferente o nulo en otros eucariotas, ya que los ratones más viejos no tenían una diferencia significativa en la longitud de los telómeros en comparación con los ratones más jóvenes. Además, el papel y la importancia de los telómeros parecen tener diversos grados de importancia entre los organismos modelo. Los organismos modelo comunes, como los ratones, S. cerevisiae y C. elegans, pudieron resistir la caída de la telomerasa con poco efecto durante varias generaciones. A pesar de la resiliencia de estos eucariotas, una disminución en la función de la telomerasa en los humanos resultó en múltiples complicaciones amenazantes después de solo unas pocas generaciones. Esto tiene implicaciones sobre la importancia de preservar los telómeros en la salud humana.
La edad de un padre influye en la longitud de los telómeros de un niño, lo que tiene implicaciones evolutivas. Aunque los telómeros de los leucocitos se acortan con la edad, los telómeros de los espermatozoides se alargan con la edad. Se teoriza que los telómeros más cortos imponen costos de energía más bajos (debido a una menor replicación), pero también tienen costos relacionados con el sistema inmunitario y otros relacionados con el envejecimiento y las enfermedades, por lo que el efecto de la edad paterna en la longitud de los telómeros podría ser una adaptación para aumentar las posibilidades de que el niño será apto para el entorno en el que nace. La telomerasa normalmente es activada por células cancerosas, sin embargo, en algunos casos, las células cancerosas utilizan un mecanismo llamado alargamiento alternativo de telómeros para retener los telómeros.
Efecto potencial del estrés psicológico
Los metaanálisis encontraron que el aumento del estrés psicológico percibido se asoció con una pequeña disminución en la longitud de los telómeros, pero que estas asociaciones se atenúan hasta convertirse en una asociación no significativa cuando se tiene en cuenta el sesgo de publicación. La literatura sobre los telómeros como biomarcadores integradores de la exposición al estrés y la adversidad está dominada por estudios transversales y correlacionales, lo que hace que la interpretación causal sea problemática. Una revisión de 2020 argumentó que la relación entre el estrés psicosocial y la longitud de los telómeros parece más fuerte para el estrés experimentado en el útero o en los primeros años de vida.
Alargamiento
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El fenómeno de la división celular limitada fue observado por primera vez por Leonard Hayflick y ahora se conoce como el límite de Hayflick. Posteriormente, un grupo de científicos organizado en Geron Corporation por el fundador de Geron, Michael D. West, realizó importantes descubrimientos, que vincularon el acortamiento de los telómeros con el límite de Hayflick. La clonación del componente catalítico de la telomerasa permitió realizar experimentos para probar si la expresión de la telomerasa en niveles suficientes para prevenir el acortamiento de los telómeros era capaz de inmortalizar células humanas. Se demostró en una publicación de 1998 en Science que la telomerasa es capaz de prolongar la vida útil de las células, y ahora se reconoce que es capaz de inmortalizar las células somáticas humanas.
Dos estudios sobre aves marinas longevas demuestran que el papel de los telómeros está lejos de entenderse. En 2003, los científicos observaron que los telómeros del paíño de Leach (Oceanodroma leucorhoa) parecen alargarse con la edad cronológica, el primer caso observado de tal comportamiento de los telómeros.
Un estudio informó que la longitud de los telómeros de diferentes 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 sigue siendo controvertida. Hay 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.
Secuencias
Las secuencias de nucleótidos de los telómeros conocidas y actualizadas se enumeran en el sitio web de la base de datos de telomerasa.
| Grupo | Organismo | Repetición telómerica (5' a 3' hacia el final) |
|---|---|---|
| Vertebras | Humano, ratón, Xenopus | TTAGGG |
| Filamentous fungi | Neurospora crassa | TTAGGG |
| Moldes de deslizamiento | Physarum, Didymium | TTAGGG |
| Dictyostelium | AG(1-8) | |
| Kinetoplastid protozoa | Trypanosoma, Crithidia | TTAGGG |
| Ciliate protozoa | Tetrahymena, Glaucoma | TTGGGG |
| Paramecium | TTGGG(T/G) | |
| Oxytricha, Stylonychia, Euplotes | TTTTGGG | |
| Apicomplexan protozoa | Plasmodium | TTAGGG(T/C) |
| Plantas superiores | Arabidopsis thaliana | TTTAGG |
| Cestrum elegans | TTTTTTAGGG | |
| Allium | CTCGGGG | |
| Algas verdes Chlamydomonas | TTTTAGGG | |
| Insectos | Bombyx mori | TTAG |
| Rodedores | Ascaris lumbricoides | TTAGGC |
| Levaduras de fisión | Esquizosaccharomyces pombe | TTAC(A)(C)G(1-8) |
| Levaduras de Budding | Saccharomyces cerevisiae | TGTGGTGTGTGTG (de la plantilla RNA) o G(2-3)(TG)(1-6)T (consenso) |
| Saccharomyces castellii | TCTGGTG | |
| Candida glabrata | GGGGTCTGGGTGCTG | |
| Candida albicans | GGTGTACGGATGTCTAACTTCTT | |
| Candida tropicalis | GGTGTA[C/A]GGGATGTCACGATCATT | |
| Candida maltosa | GGTGTACGGATGCAGACTCGCTT | |
| Candida guillermondii | GGTGTAC | |
| Candida pseudotropicalis | GGTGTACGGATTTGATTATGT | |
| Kluyveromyces lactis | GGTGTACGGATTTGATTAGGTATGT |
Investigación sobre el riesgo de enfermedades
Los telómeros son fundamentales para mantener la integridad genómica y pueden ser factores de enfermedades relacionadas con la edad. Los estudios de laboratorio muestran que la disfunción o el acortamiento de los telómeros se adquiere comúnmente debido al proceso de envejecimiento celular y desarrollo de tumores. La función de los telómeros es ampliamente aceptada como amortiguador contra el crecimiento tumoral, para proteger la estructura cromosómica y prevenir la pérdida de información genética vital durante la replicación. Si bien los telómeros controlan el crecimiento y la división de las células somáticas, esto puede seleccionar inadvertidamente células que se dividen rápidamente y que han sufrido daños en los telómeros. A medida que otras células se dividen como se supone que deben hacerlo, las células anormales se dividen mucho más rápido, superando a las células no dañadas, mientras adquieren más daño en el ADN que podría aumentar aún más su capacidad de crecimiento. Esto resulta en la formación de tumores.
Se ha demostrado que ciertos factores del estilo de vida acortan prematuramente la longitud de los telómeros. Fumar se correlaciona negativamente con la longitud de los telómeros. El ser humano promedio pierde aproximadamente 25-27 pares de bases por año debido al acortamiento de los telómeros. Un estudio de la longitud de los telómeros en los glóbulos blancos de los fumadores crónicos reveló una pérdida adicional de 5 pares de bases por año. La obesidad es otro factor que contribuye al acortamiento acelerado de los telómeros. Está bien establecido que la obesidad provoca un aumento del estrés oxidativo. En última instancia, este aumento del daño oxidativo puede dañar el ADN y, en consecuencia, reducir la longitud de los telómeros. Además, la ingesta dietética y la actividad física disminuyen la tasa de acortamiento de los telómeros. Un aumento en el consumo de antioxidantes como los ácidos grasos omega-3, las vitaminas E, C y el betacaroteno puede reducir el estrés oxidativo en el ADN. Las mujeres con dietas que consistían en un alto consumo de estos antioxidantes revelaron una mayor longitud de los telómeros y un menor riesgo de cáncer de mama. En relación con la obesidad, el ejercicio promueve la metabolización de grasas y productos de desecho perjudiciales, así como aumenta la actividad de la telomerasa. Además, la actividad física disminuye la expresión de proteínas asociadas con la apoptosis (p53 y p16) en poblaciones de ratones, lo que indica niveles reducidos del estrés oxidativo y, por lo tanto, del acortamiento de los telómeros.
Estudios observacionales han encontrado telómeros acortados en muchos tipos de cánceres experimentales. Además, se ha descubierto que las personas con cáncer poseen telómeros de leucocitos más cortos que los controles sanos. En 2011, los metanálisis sugirieron un riesgo de cáncer de 1,4 a 3,0 veces mayor para las personas con los telómeros más cortos frente a los más largos.
Los telómeros también existen como un posible objetivo farmacológico. Mientras que los telómeros cumplen una función vital en los seres humanos, la actividad de la telomerasa es generalmente baja en la mayoría de las células y tejidos somáticos. Esto proporciona una vía única para atacar a los patógenos eucariotas. Hay muchas cepas parásitas de eucariotas, como protozoos y levaduras infecciosas, que dependen en gran medida de la actividad de la telomerasa para monitorear su genoma. Dado que la actividad normal de la telomerasa en la mayoría de las células humanas es baja, atacar la función de la telomerasa parasitaria podría ser un tratamiento exitoso a corto plazo contra los eucariotas patógenos, sin causar daño al huésped.
Medición
Actualmente se emplean varias técnicas para evaluar la longitud promedio de los telómeros en las células eucariotas. Un método es el Southern blot de fragmento de restricción terminal (TRF). Un ensayo de PCR en tiempo real para la longitud de los telómeros implica determinar la proporción de telómero a gen de copia única (T/S), que se ha demostrado que es proporcional a la longitud promedio de los telómeros en una célula.
También se han desarrollado herramientas para estimar la longitud de los telómeros a partir de experimentos de secuenciación del genoma completo (WGS). Entre estos se encuentran TelSeq, Telomerecat y telomereHunter. La estimación de longitud de WGS generalmente funciona al diferenciar las lecturas de secuenciación de telómeros y luego inferir la longitud del telómero que produjo esa cantidad de lecturas. Se ha demostrado que estos métodos se correlacionan con métodos de estimación preexistentes como PCR y TRF. Flow-FISH se utiliza para cuantificar la longitud de los telómeros en los glóbulos blancos humanos. Un método semiautomático para medir la longitud promedio de los telómeros con Flow FISH se publicó en Nature Protocols en 2006.
Si bien varias empresas ofrecen servicios de medición de la longitud de los telómeros, se ha cuestionado la utilidad de estas mediciones para un uso clínico o personal generalizado. La ganadora del Premio Nobel Elizabeth Blackburn, cofundadora de una empresa, promovió la utilidad clínica de las medidas de longitud de los telómeros.
En la vida salvaje
Durante las últimas dos décadas, los estudios ecoevolutivos han investigado la relevancia de los rasgos de la historia de vida y las condiciones ambientales en los telómeros de la vida silvestre. La mayoría de estos estudios se han realizado en endotermos, es decir, aves y mamíferos. Han proporcionado evidencia de la herencia de la longitud de los telómeros; sin embargo, las estimaciones de heredabilidad varían mucho dentro y entre especies. La edad y la longitud de los telómeros a menudo se correlacionan negativamente en los vertebrados, pero esta disminución es variable entre los taxones y está relacionada con el método utilizado para estimar la longitud de los telómeros. Por el contrario, la información disponible no muestra diferencias sexuales en la longitud de los telómeros entre los vertebrados. Los rasgos de filogenia e historia de vida, como el tamaño del cuerpo o el ritmo de vida, también pueden afectar la dinámica de los telómeros. Por ejemplo, se ha descrito en especies de aves y mamíferos. En 2019, un metanálisis confirmó que la exposición a factores estresantes (por ejemplo, infección por patógenos, competencia, esfuerzo reproductivo y alto nivel de actividad) se asoció con telómeros más cortos en diferentes taxones animales. Los telómeros también son un biomarcador de salud candidato para los estudios de ecotoxicología, sin embargo, su uso aún necesita una mayor validación ya que la literatura actual está sesgada taxonómicamente y limitada por un número reducido de enfoques experimentales y longitudinales.
Aunque ca. El 80% de los animales vivos son ectotermos, el conocimiento sobre la dinámica de los telómeros en estas especies aún se limita a unos pocos estudios en reptiles, peces y anfibios, mientras que los telómeros de los invertebrados prácticamente no se han explorado. Los ectotermos son significativamente más propensos que los endotermos a tener una variación en la expresión de la telomerasa somática. Por ejemplo, en muchos peces, la telomerasa se encuentra en todo el cuerpo (y asociada con esto, la longitud de los telómeros es aproximadamente la misma en todos sus tejidos). Los estudios sobre ectotermos y otros organismos no mamíferos muestran que no existe un modelo universal único de erosión de los telómeros; más bien, existe una amplia variación en la dinámica relevante entre los metazoos, e incluso dentro de grupos taxonómicos más pequeños, estos patrones parecen diversos. Debido a las diferentes líneas de tiempo reproductivas de algunos ectotermos, la selección de la enfermedad es relevante para una fracción mucho mayor de la vida de estas criaturas que para los mamíferos, por lo que la longitud de los telómeros en la vida temprana y tardía, y sus posibles vínculos con el cáncer, parecen especialmente importante en estas especies desde el punto de vista de la teoría de la historia de vida. De hecho, los ectotermos son más sensibles a la variación ambiental que los endotermos y factores como la temperatura son conocidos por sus tasas de crecimiento y maduración, por lo que se predice que los telómeros ectotérmicos se verán muy afectados por el cambio climático.