Telomerasi: enzima dell’immortalità cellulare

doppia elica - Foto di ClixL’enzima telomerasi svolge un ruolo cruciale nel mantenimento dell’integrità del DNA durante la replicazione cellulare. La comprensione dei meccanismi che regolano la sua funzione potrebbe portare allo sviluppo di nuovi approcci terapeutici per numerose condizioni che implicano una alterazione della proliferazione cellulare come la discheratosi, i tumori e l’invecchiamento.

I telomeri, segmenti di DNA posti alle estremità dei cromosomi, vengono pian piano ridotti in seguito ad ogni replicazione del DNA. Il progressivo accorciamento delle estremità dei cromosomi a ciascuna divisione risulta in un numero limitato di divisioni prima che la cellula muoia.

Alcune cellule però sfruttano un enzima, la telomerasi, che è in grado di preservare i telomeri e allungare così la vita cellulare. La telomerasi rappresenta quindi un enzima molto interessante per gli scienziati che studiano fenomeni come l’invecchiamento e patologie come i tumori.

Kathleen Collins, professoressa di biochimica e biologia cellulare presso la University of Berkeley in California, ha condotto un’ampia ricerca sulla telomerasi con lo scopo di approfondire le conoscenze su questo “enzima dell’immortalità”.

I suoi studi riguardano la regolazione dell’enzima e le connessioni con alcune patologie umane che includono un’alterazione della proliferazione cellulare.
Il lavoro di ricerca condotto dal team della University of Berkeley porterà alla messa a punto di metodi per controllare e regolare la produzione della telomerasi.

Gli studi di Collins sono stati condotti sul protozoo acquatico Tetrahymena thermophila, che ha permesso di identificare una serie di importanti proteine associate alla telomerasi e alla sua produzione. Questo organismo unicellulare produce telomerasi in continuazione con lo scopo di riprodursi in modo efficiente.
Per contrasto, solo pochi tessuti umani, come il midollo osseo e l’epidermide, sono in grado di produrre la telomerasi.

Nel 1999 gli studi del team di ricercatori guidato dalla professoressa Collins ha rivelato una importante connessione tra una di queste proteine, la discherina, e una rara patologia generica: la discheratosi.

La discheratosi (DKC) è una sindrome legata al cromosoma X, che si sviluppa prevalentemente nei maschi e colpisce i tessuti che necessitano di un continuo rinnovo. Esordisce durante l’infanzia ed è caratterizzata da una serie di disturbi tra cui lesioni cutanee, distrofia ungueale e difetti al midollo osseo. Altre condizioni associate alla patologia sono: stenosi esofagea, fibrosi polmonare, cirrosi epatica, anomalie ossee e anomalie immunitarie oltre allo sviluppo di neoplasie spesso mortali.
La discheratosi congenita è legata all’espressione del gene DKC1 e della proteina da esso codificata, la discherina.
La discherina è associata anche con il componente RNA della telomerasi (hTR). Nei pazienti con malattia legata all’X, la concentrazione di hTR è ridotta ed i telomeri risultano più corti rispetto ai controlli. I telomeri sono più corti anche nei pazienti affetti da forme autosomiche della discheratosi congenita, suggerendo che la malattia possa essere causata da un’alterazione dell’attività telomerasica.

“Abbiamo scoperto che questi individui hanno mutazioni che coinvolgono la sintesi della discherina, tali da rendere inefficiente la telomerasi” spiega Collins.

Con livelli troppo bassi di telomerasi la pelle, i polmoni e le cellule del sangue che fanno affidamento in un occasionale aumento dei telomeri per rigenerarsi in modo costante, sostanzialmente interrompono le divisioni cellulari.

“Questo meccanismo di compensazione non basta per mantenere le cellule in vita per sempre però può essere sufficiente per soddisfare le necessità di organismi longevi come l’uomo” spiega Collins.

Man mano che le cellulare vanno in contro a divisione, i loro telomeri si accorciano portando alla fine ad un arresto della proliferazione.
Alcune cellule trasformate con virus o oncogeni bypassano il problema dell’accorciamento dei telomeri e proseguono la divisione cellulare con riarrangiamento dei cromosomi.
Raramente alcune cellule attivano la telomerasi per mantenere i telomeri così da indurre un potenziale sviluppo di tumori.

Le cellule tumorali riescono a mobilitare la telomerasi perciò possono replicare in continuazione mantenendo intatti i propri telomeri.

Alcune linee cellulari tumorali usate oggi nei laboratori sono state fatte crescere per quasi un secolo e i loro telomeri risultano intatti grazie all’azione della telomerasi.

Capire come viene regolata la telomerasi e individuare un metodo per ridurre e fermare l’azione dell’enzima nelle cellule tumorali sono alcuni degli obiettivi che i ricercatori stanno cercando di raggiungere per sviluppare in futuro un approccio terapeutico che potrebbe supportare gli attuali trattamenti per sconfiggere i tumori.

Gli scienziati hanno identificato una serie in continua crescita di patologie che sembrano essere legate alla diminuzione dell’attività della telomerasi. E’ quindi molto importante arrivare presto ad una buona comprensione dell’enzima.

Gli studi della professoressa Collins indicano che la struttura ibrida della telomerasi e la complessità della sua sintesi ne rendono particolarmente delicato l’assemblaggio che risulta molto sensibile a potenziali complicazioni tali da causare difetti dell’enzima.

La telomerasi è diversa rispetto a gran parte degli enzimi umani, è formata da una parte proteica e da una parte di RNA e questo la rende simile alle strutture usate da numerosi virus per stoccare l’informazione genetica.

“Non si tratta semplicemente di due parti che vengono incollate insieme, è un mix che rappresenta molto più che la somma delle parti. Allo stato attuale non sappiamo quanti meccanismi cellulari siano coinvolti nella sintesi della telomerasi. Esistono numerosi livelli di complessità non ancora indagati” spiega Collins.

Essendo un insieme di RNA e proteine, la telomerasi è molto importante anche dal punto di vista evolutivo: la complessità delle forme viventi aumenta sviluppando una varietà di diverse proteine.

“La presenza di un’ ampia diversità di proteine consente la progressione dell’evoluzione tramite l’elaborazione di complessi tra proteine e RNA. Assemblando in diversi modi una molecola di RNA con una proteina è possibile ottenere nuove funzioni” spiega Collins.

Questa considerazione evolutiva potrebbe spiegare il motivo per cui i genomi umani hanno solo un terzo di codice codificante proteine in più rispetto ai semplici nematodi.

Telomerasi

La telomerasi è un enzima costituito da una parte proteica dotata di attività catalitica e da una componente RNA dotata di una sequenza di basi complementare all’unità ripetuta dei telomeri. Pertanto la telomerasi si lega specificamente alla sequenza ripetuta telomerica che sporge alla fine del cromosoma, catalizza la sintesi di nucleotidi di nuovo DNA usando l’RNA della telomerasi come stampo e allunga il cromosoma addizionando un numero di ripetizioni telomeriche. La sintesi di DNA da uno stampo di RNA è detta trascrizione inversa, quindi l’enzima telomerasi è una trascrittasi inversa.

Poiché la DNA polimerasi può catalizzare nuovo DNA solo estendendo un primer, la replicazione delle estremità dei cromosomi eucarioti, i telomeri, pone dei problemi. Un cromosoma parentale è replicato dando luogo a due nuove molecole di DNA ciascuna delle quali ha un primer di RNA in posizione 5’ nella regione del telomero di ciascuna elica neo sintetizzata. I primer di RNA sono eliminati lasciando un tratto di DNA a singola elica, un’interruzione, al  5’ della nuova elica. Questa interruzione non può essere riempita dalla DNA polimerasi poiché l’enzima non può iniziare una nuova sintesi di DNA. Se queste interruzioni non venissero risolte, ad ogni ciclo di replicazione i cromosomi diventerebbero via via sempre più corti.
La maggior parte dei cromosomi eucarioti ha semplici sequenze specie-specifiche ripetute in tandem ai telomeri. La telomerasi mantiene la lunghezza dei cromosomi aggiungendo ripetizioni telomeriche alle estremità dei cromosomi.

Bibliografia

Russel P.J.- Genetica, EdiSES 2002
Dokal I. Dyskeratosis congenita. A disease of premature ageing. Lancet 2001 Dec; 358 Suppl: S27