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Tutti i cromosomi degli eucarioti si concludono con i telomeri, strutture costituite da DNA e proteine associate, i quali definiscono le estremità di ogni cromosoma linearizzato.
Le porzioni terminali dei cromosomi lineari sono composte da un repeat (TTAGGG)
L'esamero è presente in circa 2,000 copie (superiore a 15 kb di DNA)
50-150 bp di DNA terminale vengono perse ad ogni transizione attraverso il ciclo cellulare
"L'erosione" naturale dei telomeri contribuisce ad una miriade di processi fisiologici (vedi pi avanti)
I telomeri presentano un'estremità 3' ricca in G
Si forma un t-loop quando l'estremità al 3' a singolo filamento si ripiega ad ansa appaiandosi alle sequenze esameriche a doppio filamento; poichè il filamento ricco in G rimuove un'elica viene a formarsi una D, o loop di sfasamento.
La conformazione t-loop conferisce protezione dalle esonucleasi.
Le proteine associate ai telomeri includono:
Espressa ubiquitariamente durante tutto il ciclo cellulare
Si lega, con elevata specificità, al TTAGGG repeat come un omodimero (in corrispondenza dei t-loops)
Funziona in cis per inibire l'allungamento (elongation) dipendente dalla telomerasi
Partecipa alla regolazione del fuso mitotico
E' regolata a rotazione dalle proteine: TIN2, TANK1, TANK2 (vedi di seguito)
Regolatore negativo dell'allungamento telomerico (pathway dipendente dalla telomerasi)
Alcuni dati suggeriscono un ruolo per TRF1 nella risposta alle rotture del DNA a doppio filamento breaks
Si lega, con elevata specificità, al TTAGGG repeat come un omodimero
Localizzata ai t-loops, è coinvolta nella loro formazione
Il dominio C-terminale è omologo ai protooncogeni della famiglia MYB
Potrebbe essere coinvolta nell'inibizione della forca replicativa
Stabilizza il filamento sporgente ricco in G e inibisce le fusioni telomero-telomero
I telomeri TRF2-negativi sono riconosciuti come DNA danneggiato
Regolatore negativo della lunghezza del telomero; l'overespressione di TRF2 nelle cellule somatiche = accorciamento telomerico
L'inibizione di TRF2 causa l'apoptosi e la ricombinazione di telomeri non-omologhi (non-homologous end joining; NHEJ).
Promuove il legame di hRAP1, una proteina associata ai telomeri
Omologo umano della proteina di lievito
Regolatore negativo, in cis, della lunghezza dei telomeri
Interazione C-terminale mediata con TRF2
Funzione nella determinazione della lunghezza telomerica relativa
Regola la lunghezza telomerica attraverso il legame con TRF1 mediato dall'NH2-terminale
Il mutante TIN2 mancante della porzione terminale NH2, porta all'estensione dei telomeri
Promuove l'appaiamento TRF1-dipendente dei repeats telomerici
Attività Poly(ADP-ribose) polimerasica (PARP)
La ADP-ribosilazione di TRF1 mediata dalla Tankyrasi, inibisce il legame ai repeats telomerici
Promuove l'estensione telomerica
Correlata a TANK1
L'overespressione induce la morte necrotica delle cellule
Sotto famiglia delle RecQ elicasi
Richiesta per la replicazione del DNA
Coinvolta nel controllo della stabilità genomica
N.B. Quindi l'attività telomerica pu essere compromessa mediante l'alterazione della funzione di proteine associate al telomero.
Protezione dalle esonucleasi cellulari
Protezione dalle ricombinazioni non-omologhe
Permette alle cellule di discriminare tra terminazioni cromosomiche normali e danneggiate
Preserva l'integrità dei cromosomi permettendo la replicazione senza perdita delle sequenze codificanti
Valuta il numero delle divisioni cellulari che sono avvenute
Determina la vita media cellulare e quando una cellula entra in senescenza replicativa
La replicazione discontinua sul filamento 'lento' (lagging) coinvolge i frammenti di Okazaki e il templato che deve essere replicato
La telomerasi (vedi oltre) aggiunge le sequenze ripetute esameriche al 3' terminale, permettendo alla DNA polimerasi di completare la sintesi del filamento opposto
RNA: AAUCCC, codificata da hTERC
Serve da templato per la sintesi di TTAGGG
Espressa constitutivamente
Sintetizza il DNA da un templato di RNA
Non è espressa nella maggioranza delle cellule somatiche
Le proteine associate alla telomerasi includono hEST2, hTEP1, SSB, DKC1(dyskerin)
La trascrizione inversa mediante hTERT sintetizza le sequenze telomeriche perse durante la replicazione del DNA
L'attività di hTERT è un fattore critico nella stabilizzazione dei telomeri attraverso l'aggiunta di TTAGGG repeats
Più del 90% delle neoplasie riattivano l'espressione di hTERT
hTERT non è espresso nella maggior parte dei tessuti somatici
hTERT è espresso nelle cellule germinali, e nelle cellule immortalizzate
L'inattivazione di hTERT determina un accorciamento dei telomeri
III.2.1. La lunghezza dei telomeri sintetizzati mediante ALT è di norma eterogenea
III.2.2. La lunghezza dei telomeri è dinamica, varia regolarmente
III.2.3. Attivo nelle neoplasie indipendenti dalla telomerasi (~10-15% di tutte le neoplasie)
III.2.4. Preferenzialmente attiva nelle cellule di derivazione mesenchimale, confrontate con quelle di origine epiteliale
III.2.5. Repressori di ALT espressi nelle cellule normali e in certe cellule telomerasi-negative (i.e., l'attività di ALT e l'attività telomerasica pu co-esistere nelle stesse cellule)
III.2.6. Le proporzioni di cellule ALT(+) sono associate con i corpi di PML (promyelocytic leukemia nuclear body, or PML NB)
PML NB comprendono DNA telomerico, proteine TRF1, TRF2, e PML
Il DNA telomerico, le proteine TRF1, TRF2 e PML co-localizzano tutte nelle cellule ALT(+)
La co-localizzazione non è osservata nelle cellule telomerasi-positive (+)
Ruolo potenziale per PML NB nel differenziamento cellulare, nella crescita cellulare, nell'apoptosi, e un indefinito ruolo nel mantenimento dell'integrità telomerica
III.2.7. Meccanismo di ALT probabilmente coinvolto nella ricombinazione omologa tra telomeri; sequenze copiate da un singolo telomero a un altro attraverso l'appaiamento complementare che funge da innesco per la sintesi del nuovo DNA telomerico.
III.2.8. G-loop vs. t-loop, D-loop (vedi sopra per la descrizione dei ruoli)
III.2.9. Esperimenti ottenuti in lievito :
Hanno dimostrato la necessità di proteine per la riparazione del DNA quali RAD50, RAD51, RecQ elicasi per far si che la ricombinazione omologa avvenga in modo corretto
L'inibizione dei pathways per la riparazione dei mismatch hanno mostrato un incremento nell'attività dei pathway di ALT, presumibilmente perchè la ricombinazione omologa richiede proteine del pathway per la riparazione dei mismatch
Dimostrazione che in vitro è possibile un numero limitato di duplicazioni cellulari (tra 30-50)
Il numero di duplicazioni cellulari è contato e registrato dalla cellula
Il superamento del limite di duplicazioni induce l'invecchiamento cellulare, o replicativo
IV.2.1. I telomeri hanno una funzione critica nell'invecchiamento cellulare
IV.2.2. I telomeri rilevano il numero di divisioni cellulari
IV.2.3. La telomerasi pu azzerare l'effetto delle divisioni cellulari:
Attraverso la riparazione dei telomeri accorciati o danneggiati
L'inibizione delle telomerasi causa la perdita delle sequenze telomeriche e eventualmente l'invecchiamento cellulare
IV.2.4. Sussistono due impedimenti biologici nel prolungare la vita media delle cellule umane:
a. M1:senescenza replicativa, o mortalità nelle fase 1 (Ha la funzione di inibire l'immortalizzazione cellulare)
b. M2: crisi (le cellule in crisi di solito entrano nel pathway apoptotico, quelle che possono eludere la fase di crisi immortalizzano). Queste cellule:
1. Esprimono la telomerase 2. Mostrano una lunghezza telomerica relativamente costante 3. Mostrano aneuploidia 4. Mostrano traslocazioni non-reciproche 5. Insieme, questi dati suggeriscono che nella fase di crisi, i telomeri perdono la capacità protettiva
IV.2.5. Espressione della telomerasi nelle cellule primarie (umane)
Causa immortalizzazione
Suggerisce che i telomeri sono attivi in fase M1 e M2 e sono fondamentali per la determinazione della vita media cellulare
IV.2.6. L'entità del danno sostenuto dai telomeri
E' riconosciuto come danno del DNA
Dà inizio all'arresto del ciclo cellulare p53- dipendente
Può indurre invecchiamento cellulare
IV.2.7. La soglia della lunghezza telomerica in grado di indurre senescenza
Pu essere cambiata dall'overespressione di TRF2
Le cellule possono rilevare cromosomi con una ridotta concentrazione di proteine associate al telomero (ipotesi suggerita)
L' invecchiamento è determinato dalla lunghezza del telomero e causato delle proteine legate al telomero
L'immortalizzazione può essere realizzata attraverso l'attivazione della telomerasi, così che quelle cellule non sono pi limitate dal controllo negativo della crescita
L'espressione in vitro delle subunità enzimatiche della telomerasi nelle cellule diploidi causa immortalizzazione
La prolungata o costitutiva espressione della telomerasi pu indurre immortalizzazione
Le fasi M1, M2 dell'invecchiamento funzionano entrambe per imporre un limite alla vita media della cellula
L'invecchiamento prematuro visto nei topi mancanti della telomerasi pu essere inibito dalla riattivazione dell'espressione della telomerasi
La re-espressione della telomersi riporta i telomeri accorciati ad una soglia di lunghezza critica
La stabilità cromosomica è ristabilita
Nell'ataxia-telangectasia è mutato il prodotto genico (ATM)
Componente integrale nel pathway che riconosce il danno al doppio filamento di DNA
Coinvolto nella mantenere la lunghezza del telomero attraverso il legame con TRF1; partecipa alla protezione dei telomeri dal NHEJ
La perdita di ATM risulta in difetti di riparazione del DNA (in modo particolare quei pathways coinvolti nella ricombinazione omologa),nel controllo del ciclo cellulare e nell'aumento dell'incidenza di cancro
I topi knockout per ATM-/Terc mostrano telomeri accorciati, aumento dell'instabilità genomica che si riflette in fusioni cromosomiche, difetti nella proliferazione e morte precoce
Aberrazioni genetiche che aumentano il tasso di erosione del telomeri e inibiscono la normale riparazione del DNA a livello del telomero, sinergizza nel causare invecchiamento precoce, un fenomeno visto in molti disordini che mostrano la predisposizione alle neoplasie.
Discheratosi congenita: telomerasi difettosa con molti telomeri corti; DKC1 (dyskerin) proteina che stabilizza hTERC
Sindrome di Werner: accelerata erosione telomerica
A-T (ataxia-telangiectasia): accelerata perdita telomerica (vedi sopra)
Sindrome di Bloom (BLM): la DNA elicasi BLM sopprime ricombinazioni anormali; lega TRF2 nelle cellule ALT(+); permette l'amplificazione telomerica mediata dalla ricombinazione
L'espressione di geni mappati vicino al telomeo varia in accordo alla lunghezza del telomero
Soppressione reversibile dell'espressione genica
Influenzato da un pi alto livello di organizzazione della cromatina
Meccanismo mediante il quale pu essere regolata l'espressione genica correlata all'età cellulare
L'instabilità genomica è facilitata in presenza di telomeri accorciati
I dati suggeriscono fortemente che gli step cruciali nello sviluppo e progressione della neoplasia includono la disregolazione dei telomeri e della telomerasi
Quando una lunghezza critica del telomero è stata raggiunta, i cromosomi iniziano a fondere le loro estremità, portando le cellule in crisi.
VI.1.1. La riattivazione dell'espressione della telomerasi correla direttamente con le neoplasie, supportando la teoria che il mantenimento della telomerasi e dei telomeri porta alla formazione dei tumori.
VI.1.2. L'espressione di hTERT da sola causa l'immortalizzazione; la trasformazione cellulare richiede l'immortalizzazione accompagnata dall'inattivazione di geni soppressori tumorali e l'attivazione di oncogeni cellulari.
VI.1.3. L'accorciamento del telomero pu servire per inibire molti stadi della crescita tumorale; comunque, l'accorciamento telomerico, particolarmente nel contesto di una disregolazione del ciclo cellulare, pu facilitare la neoplasia mediante:
Esercitando una pressione selettiva che favorisce i cloni immortalizzati
Promuovendo l'accumulo di cambiamenti genetici
VI.1.4. Recenti dati suggeriscono che la riattivazione della telomerasi contribuisce allo sviluppo della neoplasia attraverso pathways indipendenti del mantenimento telomerico
Stabilizzando cambiamenti cromosomici
Favorendo la crescita di cloni immortalizzati
Conferendo resistenza all'apoptosi (alcuni dati suggeriscono che l'espressione di hTERT conferisce questo attributo)
VI.3.1. Studi molecolari e citogenetici hanno identificato che i cromosomi con anche una sola estremità non protetta sono geneticamente instabili fino a che l'integrità telomerica non viene ristabilita. Durante questo periodo di instabilità genomica, avvengono delle fusioni tra due estremità cromosomiche (breakage-fusion-bridge BFB), culminanti spesso in aneuploidie cromosomiche.
VI.3.2. BFB cycles e l'instabilità cromosomica promuovono anche le fusioni tra cromatidi fratelli mediante il non-homologous end joining (NHEJ).
VI.3.3. Durante la mitosi, la separazione dei centromeri nei cromosomi dicentrici ai poli opposti produce un ponte anafasico, seguito dalla rottura del cromosoma, la conseguente fusione delle parti terminali danneggiate e la promozione di BFB cycles.
VI.3.4. Ricorrenti cicli di amplificazione genica possono originarsi durante l'acquisizione di nuovi telomeri attraverso i riarrangiamenti dei cromosomi, suggerendo che le rotture del DNA a doppio strand sono importanti nella promozione dell'amplificazione di geni prossimali al punto di rottura cromosomica.
VI.3.5. Al fine di sopravvivere, le cellule geneticamente instabili devono anche evadere la rilevazione da parte dei regolatori del ciclo cellulare, come p53, che pu indurre l'arresto del ciclo cellulare o apoptosis in risposta al DNA danneggiato
I telomeri pi corti possono essere identificati da p53
P53 si lega al G-rich, DNA telomerico a singolo filamento e interagisce anche con il t-loop
La perdita della funzione di p53 e l'accorciamento del telomero lavorano insieme per promuovere la tumorigenesi
Collaboratore : Azra H. Ligon
Traduzione : Matteo Brioschi and Alessandro Beghini
Matteo Brioschi, Alessandro Beghini
Azra H. Ligon
Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2023-03-21
Telomeri
Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209020/telomeri