Telomere - Telomere

Cromossomos humanos (cinza) cobertos por telômeros (branco)

Um dos telómeros ( / t ɛ l ə m ɪər / ou / t i l ə m ɪər / , de grego clássico : τέλος , romanizado :  télos , lit.  'fim' e grego antigo : μέρος , romanizado :  MEROS , lit.  'parte') é uma região de sequências de nucleotídeos repetitivas associadas a proteínas especializadas nas extremidades dos cromossomos lineares . Embora existam arquiteturas diferentes, os telômeros, em um sentido amplo, são uma característica genética difundida mais comumente encontrada em eucariotos . Na maioria, senão em todas as espécies que os possuem, eles protegem as regiões terminais do DNA cromossômico da degradação progressiva e garantem a integridade dos cromossomos lineares, evitando que os sistemas de reparo de DNA confundam as extremidades da fita de DNA com uma quebra de fita dupla .

Descoberta

No início dos anos 1970, o teórico soviético Alexei Olovnikov reconheceu pela primeira vez que os cromossomos não podiam replicar completamente suas extremidades; isso é chamado de "problema de replicação final". Com base nisso, e para acomodar a ideia de Leonard Hayflick de divisão celular somática limitada , Olovnikov sugeriu que as sequências de DNA são perdidas toda vez que uma célula se replica até que a perda atinja um nível crítico, ponto no qual a divisão celular termina.

Em 1975-1977, Elizabeth Blackburn , trabalhando como pós-doutoranda na Universidade de Yale com Joseph G. Gall , descobriu a natureza incomum dos telômeros, com suas simples sequências de DNA repetidas compondo as extremidades dos cromossomos. Blackburn, Carol Greider e Jack Szostak receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2009 pela descoberta de como os cromossomos são protegidos por telômeros e a enzima telomerase .

Em 1983, Barbara McClintock , uma citogenética americana e a primeira mulher a receber um Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina não compartilhado , recebeu o Prêmio Nobel por observar que os cromossomos sem partes finais tornaram-se "pegajosos" e hipotetizou a existência de uma estrutura especial no ponta do cromossomo que manteria a estabilidade do cromossomo.

Estrutura e função

Fim do problema de replicação

Fita retardada durante a replicação do DNA.

Durante a replicação do DNA , a DNA polimerase não consegue replicar as sequências presentes nas extremidades 3 ' . Isso é uma consequência de seu modo unidirecional de síntese de DNA: ele só pode anexar novos nucleotídeos a uma extremidade 3 'existente (ou seja, a síntese progride em 5'-3') e, portanto, requer um primer para iniciar a replicação. Na fita principal (orientada 5'-3 'dentro do garfo de replicação), a DNA-polimerase se replica continuamente desde o ponto de iniciação até o final da fita com o primer (feito de RNA ) sendo então excisado e substituído por DNA. A fita retardada, no entanto, é orientada 3'-5 'em relação à bifurcação de replicação, de modo que a replicação contínua pela DNA-polimerase é impossível, o que requer replicação descontínua envolvendo a síntese repetida de iniciadores mais 5' do local de iniciação (ver lagging replicação de fita ). O último iniciador a estar envolvido na replicação da fita retardada fica próximo à extremidade 3 'do molde (correspondendo à potencial extremidade 5' da fita retardada). Originalmente, acreditava-se que o último primer ficaria bem no final do molde, portanto, uma vez removida, a DNA-polimerase que substitui os primers por DNA (DNA-Pol δ em eucariotos) seria incapaz de sintetizar o "DNA substituto" da extremidade 5 'da fita em atraso de modo que os nucleotídeos molde previamente emparelhados com o último iniciador não seriam replicados. Desde então, foi questionado se o último iniciador de fita retardada é colocado exatamente na extremidade 3 'do molde e foi demonstrado que é bastante sintetizado a uma distância de cerca de 70-100 nucleotídeos, o que é consistente com a descoberta de que o DNA em a célula humana em cultura é reduzida em 50-100 pares de bases por divisão celular .

Se as sequências de codificação forem degradadas neste processo, o código genético potencialmente vital será perdido. Os telômeros são sequências repetitivas não codificantes localizadas nas extremidades dos cromossomos lineares para atuar como buffers para as sequências codificantes posteriores. Eles "tapam" as sequências finais e são progressivamente degradados no processo de replicação do DNA.

O "problema de replicação de extremidades" é exclusivo dos cromossomos lineares, pois os cromossomos circulares não têm extremidades fora do alcance das DNA-polimerases. A maioria dos procariontes , dependendo de cromossomos circulares, não possui telômeros. Uma pequena fração dos cromossomos bacterianos (como aqueles em Streptomyces , Agrobacterium e Borrelia ), entretanto, são lineares e possuem telômeros, que são muito diferentes daqueles dos cromossomos eucarióticos em estrutura e função. As estruturas conhecidas dos telômeros bacterianos assumem a forma de proteínas ligadas às extremidades dos cromossomos lineares, ou loops em gancho de DNA de fita simples nas extremidades dos cromossomos lineares.

Telomere termina e abriga em

Shelterin coordena a formação do T-loop de telômeros.

Na extremidade 3 'do telômero há uma saliência de 300 pares de bases que pode invadir a porção de fita dupla do telômero, formando uma estrutura conhecida como um T-loop. Esse laço é análogo a um nó, que estabiliza o telômero e evita que as extremidades do telômero sejam reconhecidas como pontos de interrupção pelo mecanismo de reparo do DNA. Caso ocorra união de extremidade não homóloga nas extremidades teloméricas, resultaria em fusão cromossômica. O T-loop é mantido por várias proteínas, conhecidas coletivamente como o complexo shelterin. Em humanos, o complexo shelterin consiste em seis proteínas identificadas como TRF1 , TRF2 , TIN2 , POT1 , TPP1 e RAP1 . Em muitas espécies, as repetições de sequência são enriquecidas em guanina , por exemplo, TTAGGG em vertebrados , o que permite a formação de G-quadruplexes , uma conformação especial de DNA envolvendo par de bases não Watson-Crick. Existem diferentes subtipos, dependendo do envolvimento do DNA de fita simples ou dupla, entre outras coisas. Há evidências de que a saliência 3 'nos ciliados (que possuem repetições teloméricas semelhantes às encontradas nos vertebrados ) para formar esses quadruplexes G que os acomodam, em vez de um T-loop. Os quadruplexes G representam um obstáculo para enzimas como DNA-polimerases e, portanto, acredita-se que estejam envolvidos na regulação da replicação e da transcrição.

Telomerase

Síntese de cromossomos termina por telomerase

Muitos organismos possuem uma enzima chamada telomerase, que realiza a tarefa de adicionar sequências repetitivas de nucleotídeos às extremidades do DNA. A telomerase "repõe" a "tampa" do telômero. Na maioria dos organismos eucarióticos multicelulares, a telomerase é ativa apenas nas células germinativas , alguns tipos de células-tronco , como as células-tronco embrionárias , e certos glóbulos brancos . A telomerase pode ser reativada e os telômeros retornam ao estado embrionário por transferência nuclear de células somáticas . O encurtamento constante dos telômeros com cada replicação nas células somáticas (do corpo) pode ter um papel na senescência e na prevenção do câncer . Isso ocorre porque os telômeros agem como uma espécie de "fusível" de retardo, eventualmente acabando após um certo número de divisões celulares e resultando na eventual perda de informações genéticas vitais do cromossomo da célula com divisões futuras.

Comprimento

O comprimento dos telômeros varia muito entre as espécies, de aproximadamente 300 pares de bases em leveduras a muitos quilobases em humanos, e geralmente é composto de matrizes de repetições de seis a oito pares de bases ricas em guanina . Os telômeros eucarióticos normalmente terminam com saliência 3 ′ de DNA de fita simples , que é essencial para a manutenção e cobertura dos telômeros. Várias proteínas que se ligam ao DNA dos telômeros de fita simples e dupla foram identificadas. Eles funcionam tanto na manutenção quanto na proteção do telômero. Os telômeros formam grandes estruturas de loop chamadas de loops de telômero ou T-loops. Aqui, o DNA de fita simples se enrola em um longo círculo, estabilizado por proteínas de ligação aos telômeros . Bem no final do T-loop, o DNA do telômero de fita simples é mantido em uma região de DNA de fita dupla pela fita do telômero rompendo o DNA de dupla hélice e emparelhamento de base a uma das duas fitas. Essa estrutura de fita tripla é chamada de loop de deslocamento ou D-loop.

Papel no ciclo celular

O encurtamento do telômero em humanos pode induzir a senescência replicativa, que bloqueia a divisão celular. Este mecanismo parece prevenir a instabilidade genômica e o desenvolvimento de câncer em células humanas envelhecidas, limitando o número de divisões celulares. No entanto, os telômeros encurtados prejudicam a função imunológica, o que também pode aumentar a suscetibilidade ao câncer. Se os telômeros se tornarem muito curtos, eles têm o potencial de se desenvolver a partir de sua suposta estrutura fechada. A célula pode detectar esse desbloqueio como dano ao DNA e então parar de crescer, entrar na velhice celular ( senescência ) ou começar a autodestruição celular programada ( apoptose ), dependendo da origem genética da célula ( status de p53 ). Os telômeros destapados também resultam em fusões cromossômicas. Como esse dano não pode ser reparado em células somáticas normais, a célula pode até entrar em apoptose. Muitas doenças relacionadas ao envelhecimento estão associadas a telômeros encurtados. Os órgãos se deterioram à medida que mais e mais células morrem ou entram na senescência celular.

Encurtando

Dano oxidativo

Além do problema de replicação final, estudos in vitro mostraram que os telômeros acumulam danos devido ao estresse oxidativo e que o dano ao DNA mediado pelo estresse oxidativo tem uma grande influência no encurtamento dos telômeros in vivo . Há uma infinidade de maneiras pelas quais o estresse oxidativo, mediado por espécies reativas de oxigênio (ROS), pode levar a danos no DNA; no entanto, ainda não está claro se a taxa elevada em telômeros é provocada por sua suscetibilidade inerente ou uma atividade diminuída dos sistemas de reparo de DNA nessas regiões. Apesar da ampla concordância das descobertas, falhas generalizadas em relação à medição e amostragem foram apontadas; por exemplo, uma espécie suspeita e dependência de tecido de dano oxidativo aos telômeros é considerada insuficientemente considerada. Estudos de base populacional indicaram uma interação entre a ingestão de antioxidantes e o comprimento dos telômeros. No Long Island Breast Cancer Study Project (LIBCSP), os autores encontraram um aumento moderado no risco de câncer de mama entre mulheres com telômeros mais curtos e menor ingestão dietética de beta-caroteno, vitamina C ou E. Esses resultados sugerem que há risco de câncer devido ao encurtamento do telômero pode interagir com outros mecanismos de dano ao DNA, especificamente estresse oxidativo.

Associação com o envelhecimento

O encurtamento do telômero está associado ao envelhecimento, mortalidade e doenças relacionadas ao envelhecimento. O envelhecimento normal está associado ao encurtamento dos telômeros em humanos e camundongos, e estudos em modelos animais geneticamente modificados sugerem ligações causais entre a erosão dos telômeros e o envelhecimento. No entanto, não se sabe se os telômeros curtos são apenas um sintoma da senescência ou se eles próprios contribuem para a progressão do processo de envelhecimento.

A idade do pai desempenha um papel importante no comprimento dos telômeros da criança, o que tem implicações evolutivas. Embora os telômeros dos leucócitos diminuam com a idade, os telômeros dos espermatozoides aumentam com a idade. Teoriza-se que telômeros mais curtos impõem custos de energia mais baixos (devido a menos replicação), mas também têm custos relacionados ao sistema imunológico e outros custos relacionados ao envelhecimento e doenças, portanto, o efeito da idade paterna no comprimento dos telômeros pode ser uma adaptação para aumentar as chances de que a criança será adequada para o ambiente em que nasceram.

Efeito potencial do estresse psicológico

As meta-análises descobriram que o aumento do estresse psicológico percebido estava associado a uma pequena diminuição no comprimento dos telômeros - mas que essas associações atenuaram para nenhuma associação significativa quando contabilizando o viés de publicação . A literatura sobre telômeros como biomarcadores integrativos de exposição ao estresse e adversidade é dominada por estudos transversais e correlacionais, o que torna a interpretação causal problemática. Uma revisão de 2020 argumentou que a relação entre o estresse psicossocial e o comprimento dos telômeros parece mais forte para o estresse experimentado no útero ou no início da vida.

Alongamento

A célula média se divide entre 50 e 70 vezes antes da morte celular. À medida que a célula se divide, os telômeros na extremidade do cromossomo ficam menores. O limite de Hayflick é o limite teórico para o número de vezes que uma célula pode se dividir até que o telômero se torne tão curto que a divisão é inibida e a célula entra em senescência.

O fenômeno da divisão celular limitada foi observado pela primeira vez por Leonard Hayflick e agora é conhecido como limite de Hayflick . Descobertas significativas foram subsequentemente feitas por um grupo de cientistas organizado na Geron Corporation pelo fundador da Geron, Michael D. West , que ligou o encurtamento do telômero ao limite de Hayflick. A clonagem do componente catalítico da telomerase possibilitou experimentos para testar se a expressão da telomerase em níveis suficientes para prevenir o encurtamento do telômero era capaz de imortalizar células humanas. A telomerase foi demonstrada em uma publicação de 1998 na Science como sendo capaz de estender a vida das células e agora é bem reconhecida como capaz de imortalizar células somáticas humanas.

Está se tornando aparente que reverter o encurtamento dos telômeros por meio da ativação temporária da telomerase pode ser um meio potente de retardar o envelhecimento. A razão pela qual isso aumentaria a vida humana é porque aumentaria o limite de Hayflick. Três rotas têm sido propostas para reverter o encurtamento dos telômeros: medicamentos, terapia gênica ou supressão metabólica, o chamado torpor / hibernação . Até agora, essas ideias não foram comprovadas em humanos, mas foi demonstrado que o encurtamento do telômero é revertido na hibernação e o envelhecimento é retardado (Turbill, et al. 2012 e 2013) e que a hibernação prolonga a vida (Lyman et al. 1981 ) Também foi demonstrado que a extensão dos telômeros reverteu com sucesso alguns sinais de envelhecimento em ratos de laboratório e na espécie de verme nematóide Caenorhabditis elegans . Foi levantada a hipótese de que telômeros mais longos e, especialmente, a ativação da telomerase podem causar aumento do câncer (por exemplo, Weinstein e Ciszek, 2002). No entanto, telômeros mais longos também podem proteger contra o câncer, porque telômeros curtos estão associados ao câncer. Também foi sugerido que telômeros mais longos podem causar aumento no consumo de energia.

As técnicas para estender os telômeros podem ser úteis para a engenharia de tecidos , porque podem permitir que células de mamíferos saudáveis ​​e não cancerosas sejam cultivadas em quantidades grandes o suficiente para serem materiais de engenharia para reparos biomédicos.

Dois estudos com aves marinhas de vida longa demonstram que o papel dos telômeros está longe de ser compreendido. Em 2003, os cientistas observaram que os telômeros do petrel-tempestade de Leach ( Oceanodroma leucorhoa ) parecem se alongar com a idade cronológica, a primeira instância observada desse comportamento dos telômeros. Em 2006, Juola et al. relataram que em outra espécie de ave marinha de vida longa e não relacionada, a grande fragata ( Fregata minor ), o comprimento do telômero diminuiu até pelo menos c. 40 anos de idade (ou seja, provavelmente ao longo de toda a vida), mas a velocidade de diminuição diminuiu enormemente com o aumento da idade, e as taxas de diminuição do comprimento dos telômeros variaram fortemente entre as aves individuais. Eles concluíram que nesta espécie (e provavelmente nas fragatas e seus parentes em geral), o comprimento dos telômeros não poderia ser usado para determinar a idade de uma ave suficientemente bem. Assim, parece que há muito mais variação no comportamento do comprimento dos telômeros do que inicialmente se acreditava.

Além disso, Gomes et al. descobriram, em um estudo da biologia comparativa de telômeros de mamíferos, que o comprimento dos telômeros de diferentes espécies de mamíferos se correlaciona inversamente, ao invés de diretamente, com o tempo de vida, e concluíram que a contribuição do comprimento dos telômeros para o tempo de vida permanece controversa. Harris et al. encontraram poucas evidências de que, em humanos, o comprimento dos telômeros é um biomarcador significativo do envelhecimento normal no que diz respeito a habilidades cognitivas e físicas importantes. Gilley e Blackburn testaram se a senescência celular no paramécio é causada pelo encurtamento dos telômeros e descobriram que os telômeros não eram encurtados durante a senescência.

Seqüências

Seqüências de nucleotídeos telômeros conhecidas e atualizadas estão listadas no site do banco de dados da Telomerase .

Pesquisa sobre risco de doenças

Os telômeros são essenciais para manter a integridade genômica e podem ser fatores para doenças relacionadas à idade. A pesquisa descobriu uma forte ligação entre o comprimento mais curto dos telômeros e o aumento do risco de algumas doenças crônicas, como diabetes tipo 2, câncer, doenças cardiovasculares e doença de Alzheimer. Durante o processo de envelhecimento, à medida que o comprimento dos telômeros encurta, sua função de fornecer proteção ao DNA dentro de nossos cromossomos se esgota, o que leva ao envelhecimento celular. Estudos laboratoriais mostram que a disfunção ou encurtamento dos telômeros é comumente adquirida devido ao processo de envelhecimento celular e desenvolvimento de tumor. Telômeros curtos podem causar instabilidade genômica, perda de cromossomos e a formação de translocações não recíprocas; e os telômeros nas células tumorais e suas lesões precursoras são significativamente mais curtos do que o tecido normal circundante.

Estudos observacionais encontraram telômeros encurtados em muitos tipos de cânceres experimentais. Além disso, descobriu-se que as pessoas com câncer possuem telômeros de leucócitos mais curtos do que os controles saudáveis. Metanálises recentes sugerem aumento de 1,4 a 3,0 vezes no risco de câncer para aqueles com telômeros mais curtos vs. mais longos. No entanto, o aumento do risco varia de acordo com a idade, sexo, tipo de tumor e diferenças nos fatores de estilo de vida.

Medição

Diversas técnicas são atualmente empregadas para avaliar o comprimento médio dos telômeros em células eucarióticas. Um método é o Southern Blot Terminal Restriction Fragment (TRF). Um ensaio de PCR em tempo real para o comprimento do telômero envolve a determinação da proporção do gene telômero para cópia única (T / S), que é demonstrado ser proporcional ao comprimento médio do telômero em uma célula.

Ferramentas também foram desenvolvidas para estimar o comprimento do telômero de experimentos de sequenciamento do genoma completo (WGS). Entre eles estão TelSeq, Telomerecat e telomereHunter. A estimativa de comprimento do WGS normalmente funciona diferenciando leituras de sequenciamento de telômeros e, em seguida, inferindo o comprimento do telômero que produziu esse número de leituras. Foi demonstrado que esses métodos se correlacionam com métodos preexistentes de estimativa, como PCR e TRF. O Flow-FISH é usado para quantificar o comprimento dos telômeros nos leucócitos humanos. Um método semiautomático para medir o comprimento médio dos telômeros com Flow FISH foi publicado na Nature Protocols em 2006.

Embora várias empresas ofereçam serviços de medição do comprimento dos telômeros, a utilidade dessas medições para uso pessoal ou técnico generalizado tem sido questionada. A vencedora do Prêmio Nobel, Elizabeth Blackburn , que foi cofundadora de uma empresa, promoveu a utilidade clínica das medidas de comprimento dos telômeros.

Na vida selvagem

Durante as últimas duas décadas, estudos eco-evolutivos investigaram a relevância de traços de história de vida e condições ambientais em telômeros de vida selvagem. A maioria desses estudos foi realizada em endotérmicos , ou seja, aves e mamíferos. Eles forneceram evidências para a herança do comprimento dos telômeros, no entanto, as estimativas de herdabilidade variam muito dentro e entre as espécies. A idade e o comprimento dos telômeros freqüentemente se correlacionam negativamente em vertebrados, mas esse declínio é variável entre os táxons e está relacionado ao método usado para estimar o comprimento dos telômeros. Em contraste, as informações disponíveis não mostram diferenças sexuais no comprimento dos telômeros entre os vertebrados. Traços de filogenia e história de vida, como tamanho do corpo ou ritmo de vida, também podem afetar os telômeros da vida selvagem, como, por exemplo, foi descrito em várias espécies de pássaros. Uma meta-análise recente confirma que a exposição a estressores (por exemplo, infecção por patógenos, competição, esforço reprodutivo e alto nível de atividade) está associada a telômeros mais curtos em diferentes taxa animais. Os telômeros também são um candidato a biomarcador de saúde para estudos de ecotoxicologia, no entanto, seu uso ainda precisa de validação adicional, visto que a literatura atual é taxonomicamente enviesada e limitada por um número reduzido de abordagens experimentais e longitudinais.

Embora ca. 80% dos animais vivos são ectotérmicos , o conhecimento sobre a dinâmica dos telômeros nessas espécies ainda é limitado a alguns estudos em répteis, peixes e anfíbios, enquanto os telômeros de invertebrados praticamente não foram explorados. Os ectotérmicos são significativamente mais prováveis ​​do que os endotérmicos de apresentar variação na expressão da telomerase somática. Por exemplo, em muitos peixes, a telomerase ocorre em todo o corpo (e associada a isso, o comprimento do telômero é aproximadamente o mesmo em todo o seu tecido). Estudos sobre ectotérmicos e outros organismos não mamíferos mostram que não existe um modelo universal único de erosão dos telômeros; em vez disso, há uma grande variação na dinâmica relevante em Metazoa , e mesmo dentro de grupos taxonômicos menores, esses padrões parecem diversos. Devido aos diferentes cronogramas reprodutivos de alguns ectotérmicos, a seleção de doenças é relevante para uma fração muito maior da vida dessas criaturas do que para os mamíferos, então o comprimento dos telômeros na primeira e na terceira idade e suas possíveis ligações com o câncer parecem especialmente importante nessas espécies do ponto de vista da teoria da história de vida . De fato, os ectotérmicos são mais sensíveis à variação ambiental do que os endotérmicos e fatores como a temperatura são conhecidos por suas taxas de crescimento e maturação, portanto, prevê-se que os telômeros ectotérmicos sejam muito afetados pelas mudanças climáticas.

Veja também

• Relógio epigenético
• Centrômero
• Teoria do envelhecimento do dano ao DNA
• Imortalidade
• Vida máxima
• Rejuvenescimento (envelhecimento)
• Senescência , envelhecimento biológico
• Tankyrase
• Proteína de ligação a telômero
• Quarteto G
• Hipótese de fita de DNA imortal

Notas

Referências

links externos

• Telômeros e telomerase: os meios para o fim Palestra do Nobel de Elizabeth Blackburn , que inclui uma referência ao impacto do estresse e pessimismo no comprimento dos telômeros
• Telomerase e as consequências da disfunção do telômero Palestra do Nobel de Carol Greider
• DNA Ends: Just the Beginning Nobel Lecture de Jack Szostak