Telómeros

 

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I. Estructura del Telómero de Mamíferos
I.1. Secuencia de ADN
I.2. Bucles-t, bucles-G, bucles-D
I.3. Componente proteico

II. Función del Telómero
II.1. Estabilidad del cromosoma y protección de sus extremos
II.2. Registrador del número de divisiones celulares
II.3. Suministra el mecanismo para replicar los extremos del ADN

III. Mantenimiento del Telómero
III.1. Telomerasa
III.2. Alargamiento alternativo de los telómeros/telómero-independiente (ALT)

IV. Senescencia e Inmortalización
IV.1. Límite de Hayflick
IV.2. Telómeros y telomerasa
IV.3. Inmortalización

V. Envejecimiento
V.1. Papel de la longitud del telómero
V.2. Papel de ATM
V.3. Enfermedades humanas de envejecimiento prematuro
V.4. Efecto de posición telomérico (TPE, Telomere Position Effect) en humanos

VI. Inestabilidad genómica y neoplasias
VI.1. Papel de la longitud del telómero
VI.2. Expresión de telomerasa
VI.3. Inestabilidad cromosómica y genómica

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I. ESTRUCTURA DEL TELÓMERO DE MAMÍFEROS

Todos los cromosomas eucarióticos están delimitados por telómeros, que son estructuras formadas por ADN y proteínas asociadas situadas en los extremos de los cromosomas lineares.

I.1. Secuencia de ADN

  • Los extremos de los cromosomas lineares están formados por repeticiones de la secuencia (TTAGGG).
  • Esta unidad de seis nucleótidos o hexámeros se puede encontrar repetida hasta unas 2.000 veces (ocupando hasta 15 kb de ADN).
  • En cada ciclo celular se pierde un fragmento de 50-150 pb del extreme de los cromosomas.
  • Esta "erosión" natural de los telómeros es un fenómeno que afecta a numerosos procesos celulares (ver abajo).

I.2. Bucles-t, bucles-G, bucles-D

  • Los telómeros tiene un extremo protuberante o monocatenario en 3' rico en G's.
  • Cuando el extremo monocatenario se enrolla sobre sí mismo y empareja con las repeticiones de hexámeros bicatenarias se forma un bucle-t; conforme la hebra rica en G desplaza a una de hebras de las repeticiones se forma un bucle-D o de desplazamiento.
  • La formación de bucles-t confiere a la estructura cierta protección frente a las exonucleasas.

I.3. Componente proteico

Las proteínas de unión a los telómeros incluyen:

    I.3.1. TRF1 (factor 1 de unión a las repeticiones teloméricas, telomeric repeat binding factor 1)

    • Se expresa de manera ubicua a lo largo del ciclo celular.
    • Se une a la repetición TTAGGG como homodímero (en los bucles-t) con gran especificidad.
    • Inhibe la elongación dependiente de telomerasa en cis.
    • Participa en la regulación del huso mitótico.
    • A su vez está regulado por las proteínas TIN2, TANK1 y TANK2 (ver abajo).
    • ES un regulador negativo de la longitud del telómero (vía dependiente de telomerasa).
    • Algunos datos sugieren un cierto papel de TRF1 en la respuesta a las roturas bicatenarias de ADN (DSBs, double-strand breaks).
    I.3.2. TRF2 (factor 2 de unión a las repeticiones teloméricas, telomeric repeat binding factor 2)

    • Se expresa de manera ubicua a lo largo del ciclo celular.
    • Se une a la repetición TTAGGG como homodímero con gran especificidad.
    • Se localiza en los bucles-t, participando en su formación.
    • Presenta dominios C-terminales homólogos a la familia MYB de protooncogenes.
    • Podría participar en la inhibición de la horquilla de replicación.
    • Estabiliza los extremos monocatenarios ricos en G e inhibe las fusiones telómero-telómero.
    • Los telómeros negativos para TRF2 son reconocidos como ADN dañado.
    • Es un regulador negativo de la longitud del telómero; de tal manera que sobreexpresión de TRF2 en células somáticas = acortamiento de los telómeros.
    • La inhibición de TRF2 causa apoptosis y unión de extremos no homólogos (NHEJ, non-homologous end joining) de los telómeros.
    • Promueve la unión de hRAP1, una proteína asociada a telómeros.
    I.3.3. hRAP1

    • Homólogo humano de una proteína de levadura.
    • Regulador negativo, en cis, de la longitud del telómero.
    • El extremo C-terminal media la interacción con TRF2.
    • Su función está relacionada con la determinación de la longitud relativa del telómero.
    I.3.4. TIN2 (Factor nuclear 2 de interacción con TRF1, TRF1-interacting nuclear factor 2)

    • Regula la longitud del telómero a través de la unión del extremo NH2-terminal con TRF1.
    • La proteína TIN2 mutante que carece del extremo NH2-terminal está relacionada con telómeros más largos.
    • Promueve el emparejamiento de las repeticiones teloméricas dependientes de TRF1.
    I.3.5. TANK1/TNKS (tanquirasa, tankyrase; TRF1-interacting ankyrin-related polymerase)

    • Presenta una actividad polimerasa poli(ADP-ribosa) (PARP, Poly(ADP-ribose) polymerase).
    • La ADP-ribosilación mediada por tanquirasa de TRF1 inhibe la unión a repeticiones teloméricas.
    • Promueve la elongación de los telómeros.
    I.3.6. TANK2/TNKS2 (tanquirasa 2, tankyrase 2):

    • Relacionada con TANK1.
    • Su sobreexpresión induce la muerte celular.
    I.3.7. WRN (producto del gen del síndrome de Werner) :

    • Pertenece a la subfamilia RecQ de las helicasas.
    • Necesaria para la replicación del DNA.
    • Participa en el control de la estabilidad genómica.

    N.B. Por lo tanto, la función del telómero puede estar comprometida por la alteración de la/s función/es de las proteínas de unión al telómero.

 

II. FUNCIÓN DEL TELÓMERO

II.1. Estabilidad del cromosoma y protección de sus extremos

  • Protección frente a la exonucleasas celulares.
  • Protección frente a la unión de extremos no homólogos (NHEJ).
  • Permite a las células diferenciar entre los extremos naturales de los cromosomas y el ADN dañado.
  • Mantiene la integridad de los cromosomas permitiendo la replicación sin pérdida de secuencias codificantes.

II.2. Registrador del número de divisiones celulares

  • Mantiene un registro del número de divisiones celulares.
  • Determina la vida celular y el momento de ocurrencia de la senescencia replicativa.

II.3. Suministra el mecanismo para replicar los extremos del ADN

  • La replicación discontinua en la hebra retrasada requiere la participación de los fragmentos de Okazaki.
  • La telomerasa (ver abajo) añade repeticiones de hexámeros a los extremos 3', permitiendo a la ADN polimerasa completar la síntesis de la hebra opuesta.
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III. MANTENIMIENTO DEL TELÓMERO

    III.1. Telomerasa

    III.1.1. Componente ARN: hTERC (ARN codificante de telomerasa humana, human Telomerase Encoded RNA)

    • ARN: AAUCCC, codificado por hTERC.
    • Hace de molde para la síntesis de TTAGGG.
    • Se expresa de manera constitutiva.
    III.1.2. Componente catalítico: hTERT (transcriptasa inversa del telómero humano, human telomere reverse transcriptase)

    • Sintetiza ADN a partir de un molde ARN.
    • No se expresa en la mayor parte de las células somáticas.
    • Las proteínas asociadas a la telomerasa incluyen hEST2, hTEP1, SSB, DKC1 (disquerina).
    III.1.3. Mecanismo

    • La transcripción inversa realizada por la hTERT sintetiza las secuencias teloméricas perdidas durante la replicación del ADN rutinaria.
    • La actividad hTERT es un factor crítico en la estabilización de los telómeros a través de la adición de repeticiones TTAGGG.
    III.1.4. Expresión

    • Más de 90% de las neoplasias están asociadas con una reactivación de la expresión de hTERT.
    • hTERT no se expresa en la mayor parte de los tejidos somáticos.
    • hTERT se expresa en las células germinales e inmortales.
    • La inactivación de hTERT tiene como consecuencia un acortamiento de los telómeros.

    III.2. Alargamiento alternativo de los telómeros/telómero-independiente (ALT, alternative lengthening of telomeres)

    III.2.1. La longitud de los telómeros sintetizados por ALT es heterogénea.

    III.2.2. La longitud de los telómeros es dinámica y cambia de manera regular.

    III.2.3. Este mecanismo es activo en las neoplasias sin actividad telomerasa (~10-15- de todas las neoplasias)

    III.2.4. Este mecanismo es activo preferencialmente en células mesenquimales y derivadas, en comparación con las de origen epitelial.

    III.2.5. Los represores del mecanismo ALT se expresan en células normales y en ciertas células sin actividad telomerasa (por ejemplo, la actividad ALT y la actividad telomerasa pueden coexistir en las mismas células).

    III.2.6. La proporción de células ALT(+) está asociada con los cuerpos PML o PML NB (cuerpos nucleares de la leucemia promielocítica, promyelocytic leukemia nuclear body).

    • El PML NB está formado por ADN telomérico, y las proteínas TRF1, TRF2, y PML.
    • El ADN telomérico y las proteínas TRF1, TRF2 y PML colocalizan en las células ALT(+).
    • Sin embargo, esta colocalización no se observa en las células telomerasa (+).
    • Existe un papel potencial de los PML NB en la diferenciación celular, el crecimiento celular, la apoptosis, y un papel no muy claro en el mantenimiento de la integridad de los telómeros.


    III.2.7. En el mecanismo de ALT probablemente participa la recombinación homóloga entre los telómeros; las secuencias se copian de un telómeros a otro mediante emparejamiento por complementariedad como forma de creación de nuevo ADN telomérico.

    III.2.8. bucle-G vs bucle-t, bucle-D (ver arriba para una descripción de sus funciones).

    III.2.9. Experimentos realizados en levadura :

    • Demuestran la necesidad de los genes de reparación del ADN como RAD50 y RAD51 y las helicasas RecQ para que se lleve a cabo de manera adecuada la recombinación homóloga.
    • La inhibición de las vías de reparación de bases desemparejadas parece estimular la vía ALT, presumiblemente debido a que la recombinación homóloga requiere las proteínas implicadas en las vías de reparación de bases desemparejadas.

 

IV. SENESCENCIA E INMORTALIZACIÓN

IV.1. Límite de Hayflick (1961)

  • Es la demostración de que sólo es posible un número limitado (entre 30 y 50) de divisiones celulares in vitro.
  • El número de divisiones celulares son contadas y registradas por la célula.
  • El exceso del límite de división tiene como consecuencia la senescencia celular o replicativa.

IV.2. Telómeros y telomerasa

    IV.2.1. Los telómeros tienen una función crítica en la senescencia celular.

    IV.2.2. Los telómeros registran el número de divisiones celulares.

    IV.2.3. La telomerasa puede hacer que el número de divisiones celulares vuelva a comenzar desde el principio:

    • Mediante la reparación de los telómeros dañados o acortados, y
    • La inhibición de la telomerasa produce pérdida de las secuencias teloméricas y conduce a la senescencia celular.

    IV.2.4. Hay dos impedimentos biológicos para aumentar la vida de las células humanas:

    a. M1: senescencia replicativa, o estado de mortalidad 1 (cuya function es inhibir la inmortalización celular).

    b. M2: crisis (las células en crisis generalmente entran en la vía de la apoptosis). Las células que evitan la etapa de crisis pueden inmortalizarse, estas células:

    1. expresan telomerasa.
    2. muestran una longitud de los telómeros relativamente constante.
    3. muestran aneuploidía.
    4. presentan translocaciones no recíprocas.
    5. todo ello unido sugiere que, en la etapa de crisis, los telómeros pierden la capacidad protectora.

    IV.2.5. La expresión de la telomerasa en las células (humanas) primarias.

    • Produce inmortalización.
    • Sugiere que los telómeros están activos en las fases M1 y M2 y que son muy importantes en la determinación del período vital de la célula.

    IV.2.6. El daño sufrido por los telómeros

    • Es reconocido como daño en el ADN.
    • Inicia la parada del ciclo celular dependiente de p53.
    • Puede inducir la senescencia celular.

    IV.2.7. El límite de la longitud del telómero capaz de iniciar la senescencia

    • Puede cambiarse por la sobreexpresión de TRF2
    • Las células pueden detector los cromosomas que presentan una menor concentración de proteínas asociadas a los telómeros, sugiriendo que
    • La senescencia está determinada tanto por la longitud del telómero como por la unión de proteínas a éste.

IV.3. Inmortalización

  • La inmortalización puede alcanzarse a través de la activación de los telómeros, de tal manera que las células ya no estén limitadas por los controles negativos de su crecimiento.
  • Produce inmortalización la expresión in vitro de la subunidad enzimática de telomerasa en las células diploides.
  • También produce inmortalización la expresión constitutiva de telomerasa.
  • Tanto la fase M1 como la fase M2 de la senescencia promueven la existencia de una vida celular limitada.

 

V. ENVEJECIMIENTO

V.1. Papel de la longitud del telómero

  • El envejecimiento premature observado en los ratones sin telonerasa (nulos) puede rescatarse mediante la reactivación de la expresión de la telomerasa.
  • La reexpresión de la telomerase evita que el acortamiento de los telómeros disminuya por debajo de un umbral crítico.
  • Se recupera la estabilidad de los cromosomas.

V.2. Papel de ATM

  • Esta proteína es el producto cuya mutación produce la Ataxia telangectasia (Ataxia telangectasia mutated).
  • Es un componente de la vía que reconoce el daño por roturas bicatenarias en al ADN.
  • Participa en el mantenimiento de la longitud de los telómeros a través de su unión directa con TRF1; participa en la protección de los telómeros frente al NHEJ.
  • La pérdida de ATM tiene como consecuencia la aparición de alteraciones en la reparación del ADN (particularmente en las vías en las que participa la recombinación homóloga), y alteraciones en el control del ciclo celular, con un aumento en la incidencia de aparición de cáncer.
  • Los ratones doble knockout ATM-/Terc muestran un acortamiento de los telómeros, un aumento de la inestabilidad genómica reflejado en un aumento de las fusiones cromosómicas, y defectos en la proliferación y muerte prematura.

V.3. Enfermedades humanas de envejecimiento prematuro

Las alteraciones genéticas que aumentan la tasa de erosion de los telómeros e inhiben la reparación normal del ADN tienen un efecto sinérgico en el envejecimiento prematuro, un fenómeno observado en varias enfermedades cuya característica es la mayor predisposición al cáncer.

  • Disqueratosis congénita: hay una telomerasa defectiva y telómeros muy cortos; la proteína DKC1 (diskerina) estabiliza hTERC.
  • Síndrome de Werner: muestra una erosión acelerada de los telómeros.
  • A-T (ataxia-telangiectasia): muestra una pérdida acelerada de los telómeros (ver arriba).
  • Síndrome de Bloom (BLM, Bloom Syndrome): la AND helicasa BLM elimina la recombinación inadecuada; se une a TRF2 en las células ALT(+); permite la amplificación de los telómeros mediada por recombinación.

V.4. Efecto de posición telomérico (TPE, Telomere Position Effect) en humanos

  • La expresión de los genes localizados en las proximidades de los telómeros es variable en función de la longitud de los telómeros.
  • Hay una supresión reversible de la expresión génica.
  • Esta afectada por la organización de la cromatina.
  • El mecanismo de regulación de la expresión génica por el envejecimiento puede regularse.

 

VI. INESTABILIDAD GENÓMICA Y NEOPLASIAS

VI.1. Papel de la longitud del telómero

  • La inestabilidad genómica se ve facilitada por la presencia de telómeros acortados.
  • Los datos obtenidos sugieren que la desregulación de la telomerasa y los telómeros son pasos cruciales en el desarrollo del proceso neoplásico.
  • En el momento en el cual se alcanza un nivel de acortamiento crítico del telómeros, los cromosomas comienzan a fusionarse por sus extremos, haciendo que las células entren en crisis.

VI.2. Expresión de telomerasa

    VI.2.1. La reactivación de la expresión de la telomerasa se correlaciona de manera directa con el proceso neoplásico, esto apoya la idea de que el mantenimiento de la telomerasa y los telómeros tienen un papel central en el desarrollo del cáncer.

    VI.2.2. La expresión de únicamente hTERT produce solo inmortalización; la transformación celular necesita además que esta inmortalización esté acompañada por una inactivación de los genes supresores de tumores y una activación de oncogenes.

    VI.2.3. El acortamiento de los telómeros puede inhibir ciertas etapas iniciales del crecimiento tumoral; sin embargo, este acortamiento puede facilitar el proceso neoplásico, en el contexto de un ciclo celular que ha perdido su regulación, por:

    • ejercer una presión selectiva positiva que favorezca los clones inmortales.
    • promover la acumulación de cambios genéticos posteriores.

    VI.2.4. Datos recientes sugieren que la reactivación de la telomerasa contribuye al proceso neoplásico a través de vías independientes del mantenimiento de los telómeros.

    • estabilizando los cambios cromosómicos.
    • favoreciendo el crecimiento de los clones inmortales.
    • confiriendo resistencia a la apoptosis (algunos datos sugieren que la expression de hTERT es la responsible de ello).

VI.3. Inestabilidad cromosómica y genómica

    VI.3.1. Los estudios moleculares y citogenéticos han mostrado que los cromosomas que incluso los cromosomas que presentan un extreme no protegido son inestables hasta que no se restaura la integridad del telómeros afectado. Durante este período de inestabilidad genética, suceden varios ciclos de rotura-fusión-rotura (BFB, breakage-fusion-breakage), que a menudo desembocan en aneuploidías.

    VI.3.2. Los ciclos BFB y la inestabilidad cromosómica también promueven la fusion de cromátidas hermanas a través de l mecanismo NHEJ.

    VI.3.3. Durante la mitosis, la separación de los centrómeros en los cromosomas dicéntricos hacia los polos opuestos produce un Puente anafásico, seguido por una rotura cromosómica, fusión de los extremos dañados y nuevos ciclos BFB.

    VI.3.4. Durante la adquisición de nuevos telómeros por los cromosomas reordenados pueden aparecer ciclos recurrentes de amplificación génica. Ello sugiere que las roturas bicatenarias del ADN son importantes para la generación de la amplificación de genes cercanos a las roturas cromosómicas.

    VI.3.5. Para su supervivencia, las células genéticamente inestables también deben escapar a su detección por los reguladores del ciclo celular, como p53, que puede inducir la parada del ciclo o apoptosis en respuesta al daño en el ADN.

    • Los telómeros acortados de manera crítica pueden ser detectados por p53.
    • p53 se une al ADN telomérico con protuberancias monocatenarias y rico en G, y también interacciona con el bucle-t.
    • La pérdida de función de p53 y el acortamiento de los telómeros trabajan conjuntamente para promover la tumorogénesis.

Traducción : José Luis Vizmanos. Departamento de Genética, Facultad de Ciencias. Universidad de Navarra. Pamplona, Spain.


Contributor(s)

Written2004-04Azra H Ligon
Brigham, Women's Hospital, 75 Francis Street, Department of Pathology, Cytogenetics Laboratory, Amory 3rd Floor, Boston, MA, USA

Citation

Ligon AH

Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2004-04-01

Telómeros

Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/30117/tel-oacute;meros