Infotaula d'enzimTelomerasa
Identificadors
Número EC2.7.7.49 Modifica el valor a Wikidata
Bases de dades
IntEnzIntEnz view Modifica el valor a Wikidata
BRENDABRENDA entry Modifica el valor a Wikidata
ExPASyNiceZyme view Modifica el valor a Wikidata
KEGGKEGG entry Modifica el valor a Wikidata
MetaCycmetabolic pathway Modifica el valor a Wikidata
PRIAMprofile Modifica el valor a Wikidata
Estructures PDBRCSB PDB
PDBj
PDBe
PDBsum Modifica el valor a Wikidata
Estructura tridimensional de la telomerasa.

La telomerasa és un enzim que afegeix una seqüència específica d'ADN que es repeteix ("TTAGGG" en tots els vertebrats) a l'extrem 3' de les cadenes d'ADN en les regions dels telòmers, presents als extrems dels cromosomes eucariotes. Els telòmers contenen material d'ADN condensat, proporcionant així estabilitat als cromosomes. Com a enzim, la telomerasa és una transcriptasa inversa que porta la seva pròpia molècula d'ARN, ja que aquesta serà utilitzada com a plantilla a l'hora d'allargar els telòmers, que són més curts després de cada cicle de replicació.

L'existència d'un mecanisme de compensació de l'escurçament de telòmers va ser enunciada pel biòleg soviètic Aleksei Olovnikov el 1973;[1] l'investigador també va suggerir la hipòtesi de l'envelliment cel·lular basada en l'escurçament dels telòmers i les relacions del telòmer amb el càncer. La telomerasa va ésser descoberta per Carol W. Greider i Elizabeth Blackburn el 1985 en el ciliat Tetrahymena.[2] Juntament amb Jack W. Szostak, Greider i Blackburn van ser guardonats amb el Premi Nobel de Medicina o Fisiologia el 2009 pel seu descobriment.[3]

En els darrers anys s'ha proposat la possibilitat que la telomerasa sigui una resta evolutiva d'un ribozim que va servir anteriorment per a catalitzar la síntesi d'ADN; és a dir, podria haver estat un intermediari en la transició evolutiva des de les ARN replicases fins a les transcriptases inverses proteiques.[4] També se n'ha proposat un possible origen retrovíric.[5]

Estructura

[modifica]
Carol Greider i Elizabeth Blackburn.

La composició proteica de la telomerasa humana va ser identificada el 2007 per Scott Cohen i el seu equip del Children's Medical Research Institute d'Austràlia. Es compon de tres molècules diferents: la transcriptasa inversa (TERT), la telomerasa ARN (TR o TERC) i disquerina (DKC1).[6] Els gens codificants de les subunitats de la telomerasa, que són TERT, TERC, DKC1 i TEP1,[7] etc., es troben en els diferents cromosomes del genoma humà. En concret, el gen humà TERT (hTERT) es tradueix en una proteïna de 1.132 aminoàcids. Les proteïnes TERT han estat seqüenciades en molts organismes eucariotes;[8] aquest polipèptid es plega amb el TERC, un ARN no codificant de 451 nucleòtids de llargària en humans. El TERT té una estructura de "guant" que li permet embolicar el cromosoma per afegir-hi una única cadena repetidora de telòmer.

La TERT és una transcriptasa inversa, és a dir, un tipus d'enzim que dona lloc a una única cadena d'ADN a partir d'una sola cadena d'ARN com a motllo. Els enzims d'aquesta classe (no el TERT especialment, però sí els que són aïllats a partir de virus) són utilitzats pels científics en el procés molecular de la reacció en cadena de la polimerasa amb transcriptasa inversa (RT-PCR), que permet la formació de moltes còpies d'ADN d'una seqüència objectiu utilitzant ARN com a motlle retrotranscriptiu. Com s'ha indicat anteriorment, la TERT porta al voltant el seu propi patró de retrotranscripció, la TERC.

L'estructura de la subunitat catalítica de la proteïna Tribolium casteneum de la telomerasa TERT va ser definida per Skordalakes Emmanuel i el seu equip de l'Institut Wistar, a Filadèlfia.[9] L'estructura en alta resolució va revelar que la proteïna consta de quatre dominis conservats (RNA-Binding Domain (Trbd)), organitzades en una configuració d'anell, que comparteix característiques comunes amb antiretrovirals de transcriptasa inversa, amb RNA polimerases virals i amb ADN polimerases bacteriòfagues de la familia B.

Telomerasa allargant els extrems dels cromosomes amb activitat retrotranscriptasa.

Mecanisme de funcionament

[modifica]

En el mecanisme de replicació de l'ADN en cromosomes eucariotes (linears) ens trobem amb un problema: no hi ha espai per produir el primer d'ARN que es necessita per començar el següent fragment d'Okazaki just a la punta d'una molècula d'ADN linear.

La resolució d'aquest problema es troba en el fet que els eucariotes posseeeixen seqüències de nucleòtids especialitzades al final dels seus cromosomes que estan agrupades en les estructures denominades telòmers. Els telòmers contenen moltes repeticions d'una seqüència molt curta que és similar en organismes molt diversos (fongs, protozous, plantes i mamífers). En humans, aquesta seqüència és una TTAGGG, i es repeteix al voltant de mil vegades per cada telòmer.

Són aquestes seqüències que són reconegudes per mitjà d'unions específiques amb les telomerases, que s'encarrega de reomplir aquestes seqüències cada vegada que la cèl·lula es divideix. La telomerasa reconeix el principi d'una de les seqüències telomèriques repetitives i l'allarga en direcció 5'--3', utilitzant un patró d'ARN que duu incorporat en la seva pròpia estructura. La porció enzimàtica de la telomerasa uneix altres transcriptases inverses, enzims que sintetitzen ADN utilitzant un patró d'ARN.

En aquest procés, en l'extrem del cromosoma es forma una estructura coneguda com a t-loop, que proveeix als extrems dels cromosomes amb una estructura única que els protegeix dels enzims degradatius i els distingeix clarament dels finals de molècules d'ADN fragmentades que la cèl·lula té mecanismes per reparar de forma immediata[10]

Aquest procés es duu a terme per mitjà de les seqüències TERC i TERT; la regió motlle de TERC és is 3'-CAAUCCCAAUC-5'.[11] D'aquesta manera, la telomerasa pot unir els primers nucleòtids del motllo amb la darrera seqüència del telòmer en el cromosoma, afegir una nova seqüència de repetició de telòmers (5'-GGTTAG-3'), deixar anar, realiniar el nou extrem 3’ dels telòmers de la plantilla, i després repetir el procés.

Estructura d'un telòmer.

Regulació de la longitud dels telòmers

[modifica]

L'extrem d'un cromosoma conté un nombre variable de repeticions telomèriques. Un gran nombre d'experiments han demostrat que les cèl·lules que proliferen de forma indefinida tenen mecanismes homeostàtics que mantenen aquest nombre de repeticions en un determinat rang.

Avui dia, es proposa que en les cèl·lules somàtiques humanes les repeticions telomèriques proveeixen a cada cèl·lula amb un mecanisme de comptabilitat que les ajuda a prevenir la proliferació incontrolada de cèl·lules en teixits adults. Teòricament, aquest mecanisme hauria de controlar el creixement de cèl·lules anormals en els nostres òrgans, proporcionant-nos d'aquesta manera una protecció natural contra el càncer.

La idea que un telòmer actuï com a instrument de mesura de les divisions cel·lulars i, per tant, del temps de vida de la cèl·lula relaciona els mecanismes de la telomerasa amb mecanismes com l'apoptosi o mort cel·lular programada.[10]

Situacions fisiològiques i patològiques

[modifica]

Telomerasa i senescència cel·lular

[modifica]

En circumstàncies normals, sense la presència de telomerasa, si una cèl·lula es divideix de manera recurrent, en algun moment tots els seus descendents assoliran el seu límit de Hayflick, un punt en què deixaran de tenir la capacitat de realitzar la mitosi i reproduir-se.[13] Amb la presència de telomerasa, cada cèl·lula en divisió pot reemplaçar el pocs segments perduts d'ADN en cada cicle cel·lular, i qualsevol cèl·lula es pot dividir de forma indefinida. Si bé aquesta propietat de creixement sense límits ha entusiasmat a molts investigadors, la precaució es justifica en l'explotació d'aquesta propietat, ja que exactament aquest mateix creixement sense límits constitueix la mateixa base del comportament de les cèl·lules canceroses.

Un estudi publicat el 2010, que es va centrar en jueus asquenazites, va trobar que aquells que havien viscut més havien heretat una versió hiperactiva de la telomerasa que reconstrueix els telòmers amb gran rapidesa i de forma quasi total.[22]

Adenocarcinoma gàstric.

Telomerasa i càncer

[modifica]
Fibrosi pulmonar.

Relació entre telomerasa i patologies minoritàries

[modifica]

D'acord amb el treball realitzat per Elizabeth Blackburn et al., altres papers de la telomerasa en el nostre organisme inclouen la sobrerregulació de 70 gens associats al creixement i metàstasi de càncers, així com l'activació de la glicogenòlisi, que permet a les cèl·lules canceroses d'utilitzar ràpidament els glúcids presents en l'organisme per tal de facilitar la seva taxa programada de creixement.

Recentment, les imatges de cèl·lules de càncer de còlon visualitzades mitjançant tècniques de microscopia per E.V Gostjeva et al. han estat comparades amb les cèl·lules del colon fetal, i s'ha vist que comparteixen moltes de les seves característiques.

Alguns estudis d'Elizabeth Blackburn et al. revelen que les mares amb fills que pateixen malalties molt greus posseeixen telòmers més curts quan afirmen que es troben en el nivell més elevat d'estrès. S'ha descobert també que hi ha telomerasa activa en llocs de bloqueig del teixit coronari arterial; aquest fet explicaria la raó per la qual els atacs cardíacs poden donar-se de forma sobtada, ja que se'n desprèn que la telomerasa condueix el creixement del bloqueig.

És més destacat, però, el paper significatiu dels mecanismes de funcionament de la telomerasa pel que fa a certes patologies genètiques de baixa prevalença.

Tres malalties humanes, la disqueratosis congènita (DKC),[26] l'anèmia aplàstica (AA) i la fibrosi pulmonar idiopàtica (FPI), s'han lligat a mutacions en els gens que codifiquen per als dos components essencials de la telomerasa, la telomerasa ARN (TR) i la telomerasa transcriptasa inversa (TERT).

Hi ha una sèrie de mutacions heterogènies que mostren que ni tan sols la meitat de la dosi de la telomerasa és suficient per mantenir la longitud dels telòmers, el que resulta en erosió i la pèrdua de la funció, la senescència i, en darrera instància, l'apoptosi. El manteniment de la longitud dels telòmers en les cèl·lules amb molta proliferació, i les cèl·lules mare de línia germinal, és crucial per a la preservació de les poblacions elevades i de la salut humana. En general, les mutacions puntuals, que condueixen a la substitució d'un sol aminoàcid, es toleren millor en els organismes vius que les mutacions i canvis del marc de la unió d'acoblament, que poden comportar una limitació o supressió de l'activitat de la telomerasa.

La tolerància de la reducció i pèrdua de la funció de la telomerasa disminueix amb cada generació posterior. Aquesta anticipació, o la progressió dels símptomes en la propera generació, és característic de les malalties telomeràsiques de deficiència. Els telòmers de la generació dels pares s'erosionen i quan passen a la seva descendència comença aquesta generació amb telòmers més curts. L'augment en la severitat dels símptomes es relaciona amb la disminució progressiva de la longitud dels telòmers.

Cèl·lules anormals en una leucèmia.

Investigació i desenvolupament de fàrmacs

[modifica]

El cáncer és una malaltia complicada de combatre pel mateix cos, ja que el sistema immunològic té problemes reconeixent-la, i les cèl·lules canceroses són immortals, és a dir, es poden continuar dividint. La telomerasa és necessària per a la divisió infinita de les cèl·lules de molts tipus de càncer, de manera que es considera una diana potencial per fàrmacs inhibidors de la mitosi. Si una droga pogués ésser emprada per desactivar la telomerasa en les cèl·lules canceroses, el procés de l'escurçament dels telòmers finalitzaria, de manera que la longitud dels telòmers s'hauria perdut però les cèl·lules continuarien dividint-se; les mutacions serien freqüents i l'estabilitat cel·lular disminuiria.

S'han realitzat un gran nombre de proves amb fàrmacs i vacunes experimentals que marcaven la telomerasa en ratolins, i alguns d'ells han passat a l'etapa d'assaig preclínic, i Geron Corporation està, actualment, conduint quatre assajos clínics amb humans que involucren la inhibició de la telomerasa i vacunes contra la telomerasa. La plataforma de vacunació està essent provada utilitzant tres aproximacions diferents: una vacuna està basada en adenovirus o plàsmids, una altra està basada en una cèl·lula dendrítica i la darrera en una cèl·lula embrionària (aquesta es troba en estadi preclínic). Aquests mètodes de vacunació pretenen mostrar al sistema immunològic humà a atacar cèl·lules canceroses mitjançant l'expressió de la telomerasa. A més a més, l'ús de la droga inhibidora de la telomerasa es troba en tres assajos clínics d'estadi primerencs, i s'ha pogut comprovar que la inhibició de latelomerasa en molts tipus de cèl·lules neoplàsiques en cultiu ha portat a la mort massiva de la població cel·lular.

Tot i que aquestes teràpies són d'una gran complexitat, el fàrmac abans esmentat, desenvolupat a l'hospital John Hopkins, s'uneix directament al patró d'ARN de la telomerasa; la més mínima mutació provocaria que la telomerasa fos incapaç d'estendre els telòmers i, per tant, incapaç de proporcionar a les cèl·lules canceroses immortalitat replicativa, de permetre l'inici de la glicogenòlisi i de sobrerregular els 70 gens del càncer de Blackburn. Partint de la base que Blackburn ha demostrat que la majoria dels efectes més perjudicials relacionats amb el càncer de la telomerasa depenen d'un patró d'ARN intacte, aquesta semblaria ser una diana vàlida en referència al desenvolupament de fàrmacs.[35]

Si, efectivament, algunes cèl·lules canceroses empressin un mètode alternatiu de manteniment de la telomerasa, caldria tenir en compte que moren de totes maneres quan el patró d'ARN de la telomerasa es bloqueja; això proporciona esperances als investigadors pel que fa a la teràpia gènica que permeti prevenir de forma efectiva certs tipus de càncer i altres patologies provocades per defectes en l'activitat de les telomerases.

Referències

[modifica]
  1. [Olovnikov AM. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon. J Theor Biol. 1973 Sep 14;41(1):181-90]
  2. Greider, CW; Blackburn, EH «Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts» (en anglès). Cell, 1985 Des; 43 (2 Pt 1), pp: 405–413. ISSN 0092-8674. DOI: 10.1016/0092-8674(85)90170-9. PMID: 3907856 [Consulta: 7 setembre 2020].
  3. The Nobel Prize. «The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009» (en anglès). Press release, 05-10-2020. [Consulta: 7 setembre 2020].
  4. Luque Cabrera, J; Herráez Sánchez, A «Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética: Conceptos, técnicas y aplicaciones en ciencias de la salud» (en castellà). Elsevier España, 2001; Gen, pàgs: 492. ISBN 9788481745054.
  5. Witzany, G «The Viral Origins of Telomeres and Telomerases and their Important Role in Eukaryogenesis and Genome Maintenance» (en anglès). Biosemiotics, 2008 Jul 23; 1 (2), pp: 191–206. ISSN 1875-1342. DOI: 10.1007/s12304-008-9018-0 [Consulta: 7 setembre 2020].
  6. Cohen S, Graham M, Lovrecz G, Bache N, Robinson P, Reddel RR «Protein composition of catalytically active human telomerase from immortal cells» (en anglès). Science, 2007 Mar 30; 315 (5820), pp: 1850-1853. ISSN 1095-9203. DOI: 10.1126/science.1138596. PMID: 17395830 [Consulta: 16 setembre 2020].
  7. HUGO Gene Nomenclature Committee(HGNC)
  8. NCBI - telomerase reverse transcriptase
  9. "Structure of the Tribolium castaneum telomerase catalytic subunit TERT", Nature 455 (7213): 633–637 Gillis, A. J.; Schuller, A. P. & Skordalakes, E. (2008),
  10. 10,0 10,1 [Molecular Biology of The Cell, Fifth Edition] Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter.
  11. Gavory, G; Farrow, M; Balasubramanian, S «Minimum length requirement of the alignment domain of human telomerase RNA to sustain catalytic activity in vitro» (en anglès). Nucleic Acids Res, 2002 Oct 15; 30 (20), pp: 4470-4480. PMID: 12384594. DOI: 10.1093/nar/gkf575. PMC: 137139 [Consulta: 5 setembre 2020].
  12. Liu, J; Wang, L; Wang, Z; Liu, JP «Roles of Telomere Biology in Cell Senescence, Replicative and Chronological Ageing» (en anglès). Cells, 2019 Gen 15; 8 (1), pp: 54. PMID: 30650660. DOI: 10.3390/cells8010054. PMC: 6356700 [Consulta: 16 setembre 2020].
  13. Hayflick, L; Moorhead, PS «The serial cultivation of human diploid cell strains» (en anglès). Exp Cell Res, 1961 Des; 25, pp: 585-621. ISSN 0014-4827. DOI: 10.1016/0014-4827(61)90192-6. PMID: 13905658 [Consulta: 7 setembre 2020].
  14. Blasco, MA «Telomeres and human disease: ageing, cancer and beyond» (en anglès). Nat Rev Genet, 2005 Ag; 6 (8), pp: 611-622. ISSN 1471-0056. DOI: 10.1038/nrg1656. PMID: 16136653 [Consulta: 28 febrer 2020].
  15. Delfino, M; Bruzzone, R; Rey, A; Delfino, A; Pírez, MC «Ataxia-telangiectasia (síndrome de Louis-Bar)» (en castellà). Arch Pediatr Urug, 2006 Jun; 77 (2), pp: 154-158. ISSN 1688-1249 [Consulta: 7 setembre 2020].
  16. Chrzanowska, KH; Gregorek, H; Dembowska-Bagińska, B; Kalina, MA; Digweed, M «Nijmegen breakage syndrome (NBS)» (en anglès). Orphanet J Rare Dis, 2012 Feb 28; 7, pp: 13. PMID: 22373003. DOI: 10.1186/1750-1172-7-13. PMC: 3314554 [Consulta: 7 setembre 2020].
  17. de Magalhaes JP, Toussain O «Telomeres and telomerase: a modern fountain of youth?» (en anglès). Rejuvenation Res, 2004 Estiu; 7 (2), pp: 126-133. ISSN 1549-1684. DOI: 10.1089/1549168041553044. PMID: 15312299 [Consulta: 17 setembre 2020].
  18. Tomás-Loba A, Flores I, Fernández-Marcos PJ, Cayuela ML, Maraver A, Tejera A, Borrás C, Matheu A, Klatt P, Flores JM, Viña J, Serrano M, Blasco MA «Telomerase reverse transcriptase delays aging in cancer-resistant mice» (en anglès). Cell, 2008 Nov 14; 135 (4), pp: 609-622. ISSN 1097-4172. DOI: 10.1016/j.cell.2008.09.034. PMID: 19013273 [Consulta: 6 setembre 2020].
  19. Harley, CB; Liu, W; Blasco, M; Vera, E; et al «A Natural Product Telomerase Activator As Part of a Health Maintenance Program» (en anglès). Rejuvenation Res, 2011 Feb; 14 (1), pp: 45-56. PMID: 20822369. DOI: 10.1089/rej.2010.1085. PMC: 3045570 [Consulta: 7 setembre 2020].
  20. Tanglao, Shawna, et al. (2008) [The Discovery of C0057684, a Telomerase Activity Inducing Compound.]The Methuselah Foundation.
  21. Sierra Sciences (2009).[Cure Aging or Die Trying|http://www.sierrasci.com/splash.html Arxivat 2009-12-16 a Wayback Machine.]
  22. Atzmon, G; Cho, M; Cawthon, RM; Budagov. T; et al «Genetic variation in human telomerase is associated with telomere length in Ashkenazi centenarians» (en anglès). Proc Natl Acad Sci USA, 2010 Gen 26; 107 (Supl 1), pp: 1710. PMID: 19915151. DOI: 10.1073/pnas.0906191106. PMC: 2868292 [Consulta: 16 setembre 2020].
  23. Genetics Home Reference «MYC gene» (en anglès). NIH, US National Library of Medicine, 2020; Ag 17 (rev), pàgs: 3. Arxivat de l'original el 3 de setembre 2020 [Consulta: 16 setembre 2020].
  24. Bryan TM, Englezou A, Gupta J, Bacchetti S, Reddel RR «Telomere elongation in immortal human cells without detectable telomerase activity» (en anglès). EMBO J, 1995 Set 1; 14 (17), pp: 4240-4248. ISSN 0261-4189. PMC: 394507. PMID: 7556065 [Consulta: 16 setembre 2020].
  25. Henson JD, Neumann AA, Yeager TR, Reddel RR (2002). "Alternative lengthening of telomeres in mammalian cells
  26. Savage, S «Disqueratosis congènita» (en castellà). Orphanet, 2019 Ag; ORPHA:1775 (rev), pàgs: 5 [Consulta: 17 setembre 2020].
  27. Bilgili, H; Białas, AJ; Górski, P; Piotrowski, WJ «Telomere Abnormalities in the Pathobiology of Idiopathic Pulmonary Fibrosis» (en anglès). J Clin Med, 2019 Ag 16;8 (8), pp: 1232. PMID: 31426295. DOI: 10.3390/jcm8081232. PMC: 6723768 [Consulta: 16 setembre 2020].
  28. Yamaguchi H (2007). "Mutations of telomerase complex genes linked to bone marrow failures" (PDF).[Enllaç no actiu] J Nippon Med Sch. 74 (3): 202-9.
  29. Heiss NS, Knight SW, Vulliamy TJ et al. (1998).[|"X-linked dyskeratosis congenita is caused by mutations in a highly conserved gene with putative nucleolar functions".] Nat Genet. 19 (1): 32-8
  30. Vulliamy TJ, Walne A, Baskaradas A et al. (2005)[hhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15885610|Mutations in the reverse transcriptase component of telomerase (TERT) in patients with bone marrow failure". Blood Cells Mol Dis. 34 (3): 257-63.]
  31. Vulliamy T, Marrone A, Goldman F et al. (2001). "The RNA component of telomerase is mutated in autosomal dominant dyskeratosis congenita" Nature 413 (6854): 432-5.
  32. Marrone, A.; Walne, A. & Dokal, I. (2005), "Dyskeratosis congenita: telomerase, telomeres and anticipation",Current Opinion in Genetics & Development 15 (3): 249–257
  33. Armanios, M.; Chen, J. L.; Chang, Y. P.; Brodsky, R. A.; Hawkins, A.; Griffin, C. A.; Eshleman, J. R.; Cohen, A. R.; et al «Haploinsufficiency of telomerase reverse transcriptase leads to anticipation in autosomal dominant dyskeratosis congenita» (en anglès). Proc Natl Acad Sci USA, 2005 Nov 1; 102 (44), pp: 15960–15964. PMID: 16247010. DOI: 10.1073/pnas.0508124102. PMC: 1276104 [Consulta: 6 setembre 2020].
  34. Zhang, A; Zheng, C; Hou, M; Lindvall, C; Li, K; et al «Deletion of the telomerase reverse transcriptase gene and haploinsufficiency of telomere maintenance in Cri du chat syndrome» (en anglès). Am J Hum Genet, 2003 Abr; 72 (4), pp: 940–948. PMID: 12629597. DOI: 10.1086/374565. PMC: 1180356 [Consulta: 16 setembre 2020].
  35. "Telomeres and telomerases as drug targets" Evonne M. Rezlera, David J. Bearssb and Laurence H. Hurley

Bibliografia

[modifica]

Enllaços externs

[modifica]