TELOMERASA

MARTA SERRANO, CLAUDIA ROMERO Y LUCÍA PEDRAZUELA

  1. INTRODUCCIÓN 

Los telómeros son estructuras ADN-protéicas que se encuentran en el final de los cromosomas eucariotas, protegiéndolos de la degradación y fusión con otras estructuras. En mamíferos, los telómeros están formados por una secuencia de ADN evolutivamente conservada, que consisten en la repetición de TTAGGG, que se pliega en una estructura de bucle T por un complejo proteico que recibe el nombre de telosoma o shelterina. El mantenimiento de los telómeros es crítico para preservar la estabilidad de los eucariotas.

La replicación de nuestro ADN no es totalmente eficaz; la ADN polimerasa no es capaz de copiar completamente el ADN hasta los extremos de los cromosomas, por lo que, aproximadamente 50 nucleótidos se pierden durante cada ciclo celular, lo que resulta en un acortamiento de la longitud de los telómeros. Si los organismos no fueran capaces de solucionar este problema replicativo, no podrían pasar completamente la información genética de generación en generación. Por ello, todas las especies tienen que tener algún mecanismo que permita prevenir la replicación incompleta del genoma.            

                                                                                             

Las bacterias son capaces de solucionar este problema, ya que tienen un ADN circular, es decir, no hay extremos que causen problemas. Sin embargo, en las células eucariotas el ADN es lineal, y necesitan un mecanismo (telomerasa) que impida que los telómeros se acorten.

La telomerasa es la enzima responsable del mantenimiento de la longitud de estos, agregando repeticiones ricas en guanina al final de las células eucariotas. Está muy activa principalmente durante el desarrollo embrionario, pero por lo general, en el adulto sano la mayor parte de las células no tienen telomerasa. 

Estructura general de la telomerasa unida a un ADN (en verde y azul). Los diferentes dominios de la enzima, que más abajo serán explicados, están representados de distintos colores. Tomada de Chimera. PDB 6D6V

2. ESTRUCTURA

La telomerasa es un complejo ribonucleoproteico, es decir, un complejo ARN-proteína (RNP). Para la actividad de esta proteína son esenciales tanto el componente proteico como el ARN. 

Tomada de la “Protein Data Bank”, cuando la telomerasa fue la proteína del mes en 2018 se aprecia muy bien la estructura.

La estructura incluye:

Complejo de proteínas asociadas a la subunidad catalítica de la telomerasa TERT.
Tomado de: «Telomerasa y telómero: su estructura y dinámica en salud y enfermedad».

  • El ARN de la telomerasa que contiene un sitio de plantilla para la elongación del ADN. Se denomina TERC o TER(Telomerase-RNA-component). El ARN TERC, de 451 nucleótidos, tiene la forma de un trébol con tres brazos y siete regiones conservadas, de CR1 a CR7, de las cuales la CR1 funciona como molde o templado para la síntesis de las repeticiones. Además, tiene una “caja” denominada H/ACA, para unirse a la proteína disquerina y una caja CAB, para unirse a la proteína secundaria TCAB1.
Aquí se observa el ARN de la telomerasa con sus siete regiones conservadas, así como el funcionamiento de esta enzima junto con los componentes auxiliares. Imagen sacada del artículo «Telomere Disease»
  • La transcriptasa inversa de la telomerasa. El TERT “Telomerase-reverse-transcriptase”, tiene la actividad catalítica para sintetizar el ARN de las cadenas que terminan en 5’ y actúa como una transcriptasa inversa específica para la cadena rica en Guanina de los telómeros. 
  • Además, a la telomerasa se unen un número de componentes auxiliares (proteínas asociadas) que permiten el funcionamiento de la de la telomerasa in vivo. Una proteína básica es “Diskerin” o Disquerina, que se asocia al ARN y está codificada por el gen DKC1 en el cromossoma X, banda Xq28. La disquerina es esencial para la estabilidad del ARN TERC.

TERT: 

La telomerasa transcriptasa inversa (TERT) contiene un dominio catalíticamente importante parecida a la de las transcriptasas inversas, así como sólo dominios específicos de la telomerasa necesarios para TER y unión al sustrato de ADN y para la actividad funcional de la telomerasa. 

Existen cuatro dominios funcionales dentro de la estructura de TERT:

Dominio TERT.
Tomado de «Telomerase: Structure, Functions, and Activity Regulation»

Dominio N-terminal que contiene un bloque moderadamente conservado de GQ y que se denomina dominio TEN

Es el dominio de interacción entre TERT y el ADN sustrato. Se trata de un dominio estructural distinto de TERT. Su dominio N-Terminal no presenta homología con ninguna otra proteína. La cristalización de TEN ha identificado un nuevo dominio estructural con aminoácidos conservados. Estos aminoácidos son necesarios para la actividad catalítica de la telomerasa y la elongación de ADN. Se encuentran agrupados en un hueco en la superficie de este dominio. Los residuos cargados positivamente localizados en final C-terminal están involucrados en interacciones no específicas con ARN. 

Abajo se muestra la estructura del dominio TEN del organismo Ogataea polymorpha de dos formas distintas, donde se reconocen las hélices alpha y láminas beta así como moléculas de agua (puntos naranjas), que ayudan en la interacción con el ADN. Esta función se reconoce en la imagen superior, sacada del artículo «Structure and function of the N-terminal domain of the yeast telomerase reverse transcriptase» donde el ADN se une al dominio TRBD con ayuda del dominio TEN. Estructuras sacadas con Chimera (PDB: 5NPT)

Dominio de unión de ARN (TRBD) con dominios conservados CP, QFP y T.

Estructura del dominio TRBD, donde está indicado el sitio activo al que se une el ARN telomérico. Imagen tomada con Chimera, PDB: 2R4G

Dominio catalítico de transcriptasa inversa con 7 dominios conservados y un sitio IFD diferente de las demás transcriptasas inversas.

Dominio C-Terminal poco conservado (dominio CTE)

Dominio de transcriptasa inversa:

TERT contiene siete dominios conservados de transcriptasa inversa y uno específico, el dominio IFD. Se llama así porque parecía una inserción en los dominios “fingers”. Los residuos de aminoácidos conservados responsable de la función catalítica son tres aspárticos localizados en los motivos A y C.

En dominio retrotranscriptasa de T.Castaneum consiste en dos subdominios. Están formados por láminas ß y alfa hélices. El motivo IFD consiste en dos alfa hélices anti-paralelas que juegan un papel muy importante en la disposición de las otras dos alfa hélices, posiblemente por estar involucradas directamente la unión del dúplex ARN-ADN. La posible región de unión de los nucleótidos parece estar localizada en la unión entre los subdominios “palm” y “fingers”.

Imagen tomada del paper "Structural basis for telomerase catalytic subunit TERT binding to RNA template and telomeric DNA", donde se observa que la región de unión de los nucleótidos está localizada entre  “palm” y “fingers”
Imagen tomada del paper «Structural basis for telomerase catalytic subunit TERT binding to RNA template and telomeric DNA», donde se observa que la región de unión de los nucleótidos está localizada entre “palm” y “fingers”
En esta imagen se observa el complejo de transcriptasa inversa unido a un DNA telomérico. PDB: 6USR
Si ampliamos la imagen anterior, se aprecia la zona de ligando del DNA al dominio de la telomerasa. Además se observan moléculas de agua (puntos rojos pequeños) y algunos iones (esferas más grandes) probablemente de Magnesio, que colaboran en la unión al sitio activo.

Sin embargo, obtener TERT soluble en cantidades suficientes para su cristalización es bastante complicado, lo cual dificulta el estudio estructural de esta proteína. Existen pocos datos de la estructura de esta proteína.

El estudio de la función de TERT se ha llevado a cabo mediante mutagénesis. Así, se ha visto que mutaciones en el dominio E aumentan la incorporación de nucleótidos. Además, existen mutaciones en los “fingers” (dominios 1 y 2) que hacen que la telomerasa deje de ser inhibida por la helicasa Piflp.

El núcleo catalítico es una estructura intrincadamente entrelazada de TERT y TER, que incluye un dominio TERT previamente estructuralmente no caracterizado que interactúa con el dominio TEN para encerrar físicamente a TER y regular la actividad.

3. ACTUACIÓN DE LA TELOMERASA

Como se ha explicado brevemente con anterioridad, se trata de una ADN polimerasa con actividad transcriptasa inversa, que utiliza su componente ARN como molde para elongar las extensiones 3’ de cadena sencilla de los extremos cromosómicos, mediante la síntesis de ADN telomérico.  Es decir, la enzima en cuestión utiliza la sobreextensión de la cadena rica en G para asociarla a su ARN, que la complementa ( AAUCCC en humanos). A partir de eso, podemos concluir que la Telomerasa actúa como “Primer” para elongar esa cadena rica en G. Esa elongación hecha por el “Primer” de la telomerasa, permite colocar un “Primer” de ARN para sintetizar la cadena hija que termina en 5’.

Este mecanismo se divide convencionalmente en tres pasos: reconocimiento del sustrato, elongación y translocación. Tras la actuación de la telomerasa, la ADN polimerasa ya puede sintetizar la cadena complementaria.

Por lo tanto, la telomerasa alarga el ADN iniciador por la adición uno a uno de los desoxinucleósidos trifosfatados generando así las repeticiones en tándem de los telómeros.

Actualmente, se propone la existencia de 2 sitios enzimáticos independientes de interacción con el ADN iniciador. Uno contiene el molde de ARN y alinea el extremo 3′ del iniciador para su elongación en el centro catalítico. El otro se une al ADN iniciador hacia el lado 5′ del molde y proporciona una vía de salida para la hebra en crecimiento.

En cuanto a su actuación, también se sabe que esa enzima actúa de forma inversa a la longitud del telómero. Por lo tanto, los telómeros cortos están abiertos a la actividad de la telomerasa, lo que se puede observar en la mayoría de las células humanas, en las cuales la actividad de la enzima en cuestión sigue niveles limitados de replicación, lo que permite el alargamiento telomérico sólo en células con telómeros relativamente cortos.

En esta imagen se observa a el funcionamiento de la telomerasa, alargando los telómeros añadiendo secuencias repetidas del ADN. La telomerasa se une a los extremos del telómero a través de una plantilla de ARN que se utiliza para la fijación de una nueva cadena de ADN.

4. ENFERMEDADES

La actividad de la telomerasa es un determinante crítico de la salud humana. Su inhibición o activación tiene importantes consecuencias en los individuos, y  puede afectar al envejecimiento, o tener implicaciones en ciertas enfermedades como el cáncer.

La telomerasa presenta una alta actividad durante el desarrollo embrionario, pero, por lo general, está inactiva en los adultos sanos, por lo que los telómeros se van acortando a medida que envejecemos. Cuando la longitud de los telómeros alcanza un valor crítico, se induce una señal de daño al ADN, que hace que las células abandonen el ciclo celular y entren en un estado de senescencia. De ese modo, los telómeros actúan como un reloj mitótico, determinando la vida replicativa de una célula. Es decir, hacen que las células dejen de dividirse, lo que impide que los tejidos se regeneren; empezando de ese modo los problemas asociados al envejecimiento.

Imagen tomada de Medwave 2002 Nov;2(10):e3172 doi: 10.5867/medwave.2002.10.3172

Mientras que la telomerasa se suprime en las células somáticas normales, se ha observado que se expresa en más del 85% de las células cancerosas humanas, convirtiéndose así en un biomarcador de cáncer universal.                                 Las células cancerígenas contienen telomerasa, por lo que sus telómeros no se acortan nunca lo bastante como para frenar la división. Al reparar los telómeros, la telomerasa permite que las células tumorales sigan proliferando, y sean por tanto virtualmente inmortales.

Por ello, la telomerasa es considerada un arma de doble filo, ya que al reparar los telómeros podría evitar el envejecimiento, y todas las enfermedades que conlleva. Pero a su vez, puede favorecer la replicación descontrolada de células tumorales, y provocar así un cáncer.

Otras enfermedades relacionadas con mutaciones en la telomerasa podrían ser; el síndrome de Hoyeraal-Hreidarsson que es es un trastorno genético multisistémico caracterizado por telómeros excesivamente cortos y considerado una forma grave de disqueratosis congénita. La fibrosis pulmonar irreversible, que es una enfermedad crónica que se produce cuando el tejido pulmonar se daña y se producen cicatrices en él. Y, también  encontramos que las  mutaciones en el gen que codifica el componente ARN de la telomerasa (hTR) son una de las principales causas de la anemia aplásica. Esta es un es un trastorno de la sangre poco común pero grave que se produce cuando la célula ósea no genera suficientes células sanguíneas nuevas.

Enfermedades relacionadas con mutaciones en la telomerasa son; el síndrome de Hoyeraal-Hreidarsson que es es un trastorno genético multisistémico caracterizado por telómeros excesivamente cortos y considerado una forma grave de disqueratosis congénita, es una enfermedad crónica que se produce cuando el tejido pulmonar se daña y se producen cicatrices.

Esquema anemia aplásica tomada de EFE SALUD

La característica molecular que unifica estas tres enfermedades es que los telómeros de los enfermos son significativamente más cortos que los de las personas sanas. 

5. PAPEL BIOMÉDICO 

El componente TR (ARN) de la telomerasa está presente en casi todos los tejidos, siendo el componente TERT el que restringe la actividad telomerasa en tejidos somáticos. Por ello, es más apropiado como target terapeútico.

En la actualidad, existen bastantes drogas diseñadas para inhibir a la telomerasa. Imetelstad es una de las más empleadas y la más efectiva . Se trata de un oligonucleótido de 13 bases que actúa directamente como inhibidor de la telomerasa porque antagoniza la unión de su componente de ARN. Los estudios preclínicos han mostrado inhibición efectiva de la telomerasa empleando este fármaco; el tratamiento en cáncer de pecho muestra una disminución en la tumorigenicidad e invasividad del tumor. Sin embargo,  no se conocen los efectos a largo plazo del tratamiento con inhibidores de la telomerasa que puede afectar a células que expresan esta proteína de manera transitoria.

Otra estrategia que se está empleando es el uso de oligonucleótidos ricos en guanidina (GROs) que son homólogos a las secuencias 3´ de los telómeros y que pueden inducir respuestas a daño del ADN como la apoptosis, además de tener potentes efectos anti cancerígenos. Estudios in vitro han demostrado su efectividad en melanomas, así como en cánceres de próstata, de pulmón, de ovarios y colonorrectales.

Como ya se ha explicado, telómeros acortados ha sido considerada una de las marcas distintivas del envejecimiento celular, dado que a su vez pueden dar lugar a inestabilidad genómica, apoptosis, disfunción mitocondrial y a la pérdida de la capacidad regenerativa de los tejidos afectando la función regenerativa de las células madre y por lo tanto, la regeneración tisular. 

En relación con la ya mencionada fibrosis pulmonar, cabe destacar que en modelos animales de ratón, se ha conseguido prevenir los fenotipos asociados a la fibrosis pulmonar (incluido el acortamiento de los telómeros, senescencia celular, apoptosis y daño del ADN) mediante terapia génica con telomerasa. Además, cuando se tratan ratones silvestres con un lentivirus que contiene TERT se rescatan muchos signos de fibrosis que se dan en los ratones adultos. Es decir, en ratones, el tratamiento con TERT previene la aparición de patologías asociadas con degeneración pulmonar y fibrosis asociadas a la edad. Estos resultados contribuyen a entender la importancia de TERT como una potencial diana terapéutica para tratar IPF, sobre todo en los casos de pacientes con telómeros acortados.

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