Telómeros y envejecimiento

“La llave de la juventud externa”

Creado por Alba Gómez Aguilar & Javier Vicente Gutiérrez, alumnos de tercero de Biología Sanitaria, en la asignatura de Biología Molecular. Universidad de Alcalá de Henares, Madrid (España).

¿Alguna vez has pensado si es posible la inmortalidad, o si simplemente en nuestras células ya vienen determinadas para morir? . Y, ¿qué opinas sobre el envejecimiento? ¿Es una enfermedad curable o algo impuesto por la naturaleza contra lo cual no podemos luchar? En esta entrada de blog pretendemos dar algunas pinceladas sobre todas estas cuestiones desde el punto de vista de la biología molecular.

 LOS TELOMEROS: EL TALÓN DE AQUILES DEL ADN

Vamos a ponernos en contexto: la llave y la respuesta de estas cuestiones asociadas al envejecimiento parece que se encuentra en los telómeros. Pero, ¿qué son los telómeros? .

Los telómeros son los extremos de los cromosomas de las células eucarióticas, formados por secuencias repetidas no codificantes cuya principal función es mantener la integridad del cromosoma eucariótico y preservar la información de nuestro genoma. Así, podrían compararse con los herretes de los zapatos. Aquí os dejamos un vídeo en el que se explica mejor esta comparación entre herretes y telómeros, así como una pequeña entrevista a María Blasco, de la cual hablaremos más tarde:

Pero, volviendo a lo nuestro, ¿A qué se debe la formación de los telómeros? Su función es esencial pues cuando una célula eucariótica se replica siempre queda un cebador de ARN (o “primer”) en el extremo 5’, el cual debe ser eliminado. Pero, al ser eliminado, la ADN polimerasa no podrá actuar porque no podrá incorporarse un nuevo “primer” y esta enzima no funciona si no reconoce un extremo 3’ OH libre. Con esto va a quedar una hebra suelta de ADN, conocida como extremo 3’overhang, que será reconocida por los sistemas de reparación como ADN defectuoso, de modo que estos sistemas tenderán a cortarla provocando así el acortamiento de los telómeros.

Se observa un origen de replicación a partir del cual se forman dos hebras nuevas, ambas con ese extremo 3′ overhang. Imagen tomada de https://es.khanacademy.org/ science/biology/dna-as-the-genetic-material/dna-replication//telomeres-telomerase

Si estos extremos estuvieran constituidos por genes necesarios su pérdida su pondría consecuencias fatales para la célula. Por esta razón son sustituidos por estas secuencias teloméricas repetidas, las cuales se irán acortando, lo cual no supondrá daño en la célula (al menos no a corto plazo) pues recordad que no son codificantes.

En el caso de humanos y murinos esta secuencia es la siguiente: 5’ATTGGG 3’. Pero, si dejamos la molécula tal cual, con esa secuencia no codificante suelta, las endonucleasas lo detectarían y lo eliminarían.

En esta imagen se amplia los telómeros y se ve que tienen esa secuencia ATTGGG repetida muchas veces. Imagen tomada de www.vejezyvida.com/relacion-entre-status-socioeconomico-y-envejecimiento/

Luego, debemos “engañar a estas nucleasas”. Y ¿cómo hacemos esto? Pues resulta que cuando se tiene un triplete de guaninas, un pequeño salto de dos bases, y otras tres guaninas, la hebra de ADN se pliega de tal modo que 4 guaninas interaccionan por apareamiento de bases de tipo Hoogsteen formando una tétrada que se estabiliza con un átomo de potasio en el centro. Después estas tétradas se sitúan en paralelo y se estabilizan por stacking dando lugar a unas estructuras denominadas G-cuadruplexos (3 tétradas= 1 G-cuadruplexo). Estas estructuras son esenciales, entre otras cosas, para inhibir esas nucleasas de las que hemos hablado pues estas no son capaces de reconocer estas estructuras ordenadas, a pesar de que se siga tratando de una hebra suelta.

En la imagen de la izquierda se ve la estructura tridimensional de un G-cuadruplexo visto desde arriba. En la imagen de la derecha se observan las guaninas unidas por ese apareamiento no canónico y como 3 tétradas se apilan formando un G-cuadruplexo. Imagen tomada de https://nptel.ac.in/courses/104103018/module4/lec2/8.html

¿ESTAMOS PROGRAMADOS PARA MORIR?

Perfecto, ya sabemos que son los telómeros, pero ¿cómo se relacionan estos con el envejecimiento? Hoy en día tenemos muy presente el envejecimiento en términos generales: no hay día que no veamos anuncios publicitarios de cremas antienvejecimiento, alimentos milagrosos que retrasan el mismo, etc. Pero ahora nos vamos a centrar, de momento, en el envejecimiento a nivel celular que podría definirse como la pérdida de potencialidad de nuestras células (1) y, por consiguiente, del organismo en completo. Se ha estudiado mucho sobre cuales son los mecanismos que producen envejecimiento y muerte celular. En este ámbito tuvo una gran importancia el descubrimiento de Leonard Hayflick (1928- ). Leonard es un profesor de anatomía que cultivo tejido de pulmón y vio que las células siempre se dividían un número determinado de veces (unas 50). Después, dejo que las células se dividieran 25 veces, las congeló durante un tiempo y al restaurar la temperatura siempre se dividían hasta alcanzar el límite de 50 divisiones (es decir, tras la congelación se dividían 25 veces más) y morían (2). Esto es lo que denominó límite de Hayflick (número de veces que se dividía una célula somática).


En esta imagen puede verse como los telómeros se van acortando en las sucesivas generaciones. Imagen tomada dehttp://plecellularageing.blogspot.com/2017/01/el-limite-de-hayflick.html

También se observó que, una vez alcanzado este límite, se activaban una serie de señales celulares que hacían que la célula dejara de ser viable, es decir, la célula entra en fase G0/G1 y deja de replicarse, proceso conocido como senescencia celular. Luego, cuando se produce esta senescencia las células ya no se replican por lo que no hay regeneración de tejidos y esto lleva al envejecimiento y desgaste del organismo.

Podríamos comparar esta senescencia con la famosa obsolescencia programada que determina la vida útil de un producto, la cual está calculada de antemano por el fabricante durante el diseño de dicho producto (3). Muchas veces hemos escuchado que los móviles no suelen durar más de 2 o 3 años por más que lo cuides y esto es debido a esta obsolescencia. Pues bien, parece ser que nosotros también tenemos establecido esa duración de vida útil de modo que, una vez llegado a ese límite de las 50 divisiones, dejaríamos de “funcionar”. 

Representación animada de la senescencia celular. Imagen tomada de https://molasaber.org/2014/12/22/cuando-tus-celulas-se-jubilan-senescencia-celular/

Pero, claro ¿qué tiene que ver esto con los telómeros? Pues mucho. Se vio que la senescencia depende de la longitud de los telómeros de modo que cuanto más largos sean estos, más podrá replicarse una célula y, por tanto, más se mantiene la capacidad regenerativa celular y tisular, lo cual podría llevar a que el organismo viva durante más tiempo. (4)

Así, los telómeros serían como el “reloj biológico” de la duración de la vida. Por ello, está habiendo mucha investigación en este ámbito pues parece ser que un análisis de la longitud de los telómeros con alta precisión podría ser empleado en clínica para prevenir y/ o detectar a tiempo ciertas enfermedades relacionadas con el envejecimiento como son: diabetes, artritis, Párkinson, Alzheimer, etc. De hecho, ya existen laboratorios privados que realizan estas pruebas (5),(6) . No obstante, esto todavía no está claro pues en nada veremos que hay muchos factores que parecen influir en este acortamiento. Es más, si os interesa cómo ha ido evolucionando estos descubrimientos y qué inconvenientes hay para que todavía este análisis no sea seguro, os recomendamos el siguiente libro: “Morir joven, a los 140: El papel de los telómeros en el envejecimiento y la historia de cómo trabajan los científicos para conseguir que vivamos más y mejor” de María Blasco y Mónica Salomé.

¿EXISTE SOLUCIÓN, O SIMPLEMENTE DEBEMOS RESIGNARNOS?

Parece como si la muerte de las células estuviera anunciada de manera congénita. Pero, no en todos los tipos celulares sucede esto. Así, en las células cancerígenas y en las células madre hay una enzima llamada telomerasa que es la verdadera encargada de aumentar la longitud de los telómeros y en consecuencia, hacer a estas células inmortales. La activación de esta enzima ha supuesto, en la actualidad, una puerta de salida para atajar el problema del envejecimiento. Pero, la cosa no queda ahí, sino que la longitud de nuestros telómeros, así como la acción de la telomerasa está regulada por un complejo proteico llamado telosoma. En este complejo se encuentran las shelterinas que son los verdaderos cronómetros celulares y protegen al telómero de la acción de nucleasas. Pero la cosa no acaba aquí, pues hay factores ambientales o abióticos que están implicados en el acortamiento de los telómeros como la actividad física o el estrés que median procesos fisiológicos del organismo beneficiosos o perjudiciales para nuestros telómeros: radicales libres, factores inflamatorios… Todo esto lo iremos desmenuzándolo, y además veremos los avances en investigación y hablaremos de dos protagonistas en el panorama actual de los telómeros: María Blasco y Elizabeth Parrish.

María Blasco, presidenta del CNIO, vía el país.

 Hay una protagonista en toda esta historia que podría solucionar el problema: la telomerasa. Recientemente una científica española ha desarrollado y descubierto la estructura completa de la telomerasa (7). Su nombre Eva Nogales y la técnica que empleo para ello Criomicroscopía electrónica, Cryo-EM. Está técnica consiste en estudiar la estructura a nivel celular (micrometros) o nivel molecular (nanometros o Amnstrong), donde se combina el uso de ME (microscopio electrónico) a temperaturas de criogenia, que permiten mantener las condiciones biológicas naturales.

Imagen de latelomerasa y sus componentes por la técnica de Cryo-EM. Imagen obtenida del artículo de Eva Nogales presente en la bibliografía (7).

La telomerasa es un tipo de enzima que se encuentra en células madre y en células cancerígenas. La telomerasa es una DNA polimerasa dependiente de RNA (=transcriptasa inversa). Presenta dos subunidades: la subunidad TERC y la subunidad TERT. La subunidad TERC se trata de un ácido nucleico que presenta una secuencia de ARN: 5´ UAACCC 3´.

Imagen del núcleo catalítico de la telomerasa y sus componentes por la técnica de Cryo-EM. Imagen obtenida del artículo de Eva Nogales presente en la bibliografía (7).

Por otro lado, la subunidad TERT, presenta la actividad ADN polimerasa. Otra particularidad de esta enzima con respecto al resto de las polimerasas se encuentra en el cebador mientras que las ADN polimerasas requieren de un cebador de ADN o de ARN, esta enzima usa como cebador el extremo 3´overhang. Su mecanismo de acción es igual que el de cualquier otra polimerasa: introduce dNTP, presentando un centro catalítico con dos Mg2+ que facilitan la formación del enlace fosfodiéster de la cadena que se alarga. La cadena que se alarga es el extremo 3´ que queda desapareado: hasta unas mil repeticiones de la secuencia telomérica se llega alargar.

Imagen del mecanismo de acción de la telomerasa. Imagen obtenida tanto de los apuntes de clase.

Unido a todos estos componentes, hay proteínas que están implicadas en la regulación de la actividad de la telomerasa. Entre ellas destacamos la Disquerina (DKC) que tiene como función formar pseudouridinas, que permiten estabilizar el ARN de la telomerasa. También juega un papel clave con la misma función en la maduración del t-ARN o el rARN. Mutaciones de esta enzima causa la disqueratosis, enfermedad que presenta fuertes consecuencias teratogénicas asociadas a un desarrollo de queratina en células de capas más profundas de la piel.

Imagen de paciente con disqueratosis con alteraciones ungueales. Imagen obtenida del artículo “Disqueratosis congénita”, presente en el enlace anterior.

EL CRONÓMETRO CELULAR

La shelterinas, actúan como verdaderos safeguard” de los telómeros. Lo que hacen estas enzimas es unirse al DNA duplexo del telómero reconociendo las secuencias ATTGGG: TRF1, TRF2 y POT1 se encargan de reconocer estas secuencias. En concreto, se unen a los G-cuadruplexos formados a partir de estas secuencias. La unión de estas shelterinas, induce a la formación de un T-loop que consiste en una triple-hélice que permite enmascarar al DNA simplexo para que no pueda ser reconocido por las nucleasas.

(1) Imagen sobre el mecanismo de acción de las sheterinas y formación del T-loop. Imagen obtenida del artículo “Shelterin: the protein complex that shapes and safeguard human telomere” (8).
(2) Imagen de la estructura básica de las shelterinas y su unión al ADN del telómero. Imagen obtenida del artículo “Shelterin: the protein complexthat shapes and safeguard human telomere” (8).

Si lo queremos entender un poco mejor, sería similar a lo que sucede en el juego del comecocos. Cuando las shelterinas están unidas al DNA, el camino se cierra para el comecoco (nucleasa). Cuando estas no están unidas al DNA, es entonces cuando se abre el camino para el comecoco y pueda acabar con los fantasmas (los nucleótidos de DNA simplexo del telómero). Las shelterinas según esto no son más que cronometradores de la vida de nuestros telómeros. Cuando el telómero se acorta, la shelterinas no se puede unir y las nucleasas detectan finalmente el ADN simplexo libre, activando los mecanismos apoptóticos de la célula (8).

Imagen del juego popular de los comecocos que representa un símil a cerca de lo que sucedería en le caso de no existir shelterinas, y que pudieran actuar las nucleasas. Imagen obtenida de gif de Whatsapp.

MARÍA BLASCO Y SUS RATONES

El trabajo de investigación iniciado en 2008 por María Blasco logró aumentar la longitud de los telómeros en ratones modificados transgénicamente, aproximadamente un 40% (9). Lo que hicieron fue inducir en estos ratones por ingeniería genética, resistencia frente al cáncer, a través de la sobreexpresión de los genes supresores del cáncer como p53, p16 y Arf. Cruzaron estas cepas de ratones con cepas de ratones donde se había inducido un aumento de la actividad de la subunidad TERT de la telomerasa. La actividad en estos ratones de la expresión del gen Tert, aumento hasta un 10%. Estos ratones presentaban efectos del antienvejecimiento: tolerancia a la glucosa o una mayor coordinación neuromuscular. También se obtuvo un incremento, en esta cepa de ratones, de los niveles de IGF1 y disminución de los niveles de g-H2AX (con el envejecimiento aumenta el número de este tipo de histonas fosforiladas que suele implicar rupturas de secuencias de DNA de doble hélice y disfuncionalidad de la actividad telomerasa) (9). En definitiva, María Blasco ha sido la primera en poner la piedra para combatir el envejecimiento, causante de muchas de las principales enfermedades degenerativas por el envejecimiento celular: Alzheimer, fibrosis o artritis.

Imagen de los ratones empleados durante el experimento. Imagen obtenida del artículo de María Blasco (9).

¿SE PUEDE RETRASAR EL ENVEJECIMIENTO CON EL EJERCICIO FÍSICO?

Los factores abióticos también suponen un papel fundamental en el envejecimiento, no todo lo determinan los genes, como la forma de vida, la alimentación, la actividad física … (10),(11) Esto sería entonces como construir un edificio. Los genes son los que construyen el edificio en general y esta estructura está prevista que dure “x” tiempo, pongamos 100 años. Pero, existen factores externos que pueden modificar la estructura de ese edificio: una tormenta, incendios, inundamientos … y, por tanto, hacer que se caiga mucho antes.

Igual ocurre con nuestros telómeros. Los telómeros son las vigas de ese edificio que tienen una vida aproximada de “x” tiempo (dependerá de la longitud de los telómeros del DNA de sus células epiteliales), pero ese tiempo se puede ver influenciado en detrimento por los factores externos mencionados. Uno de estos factores externos importantes es la actividad física. A continuación, os dejamos un esquema sencillo y detallado sobre como la actividad física influye en la longitud de los telómeros de una forma positiva, es decir, aumentando la longitud de los mismos, obteniendo así un efecto protector sobre los telómeros (11).

Imagen sobre la influencia de la actividad física en la longitud de los telómeros. El ejercicio promueve un aumento de la actividad de la telomerasa y disminuye el estrés oxidativo (niveles de ROS). También influye en la inflamación, disminuyendo la misma. Y por último se favorece la proliferación de células satélites que regeneran las fibras musculares. Todos estos factores aumentan la protección de los telómeros. Imagen sacada de la revision sistemática “Physical activity andtelomere length: Impact of aging and potential mechanisms of action” (11).

LIZ PARRISH: HISTORIA O LOCURA

Y acabamos con el momento “salseo” relacionado con los telómeros. Os presentamos a Elisabeth Parrish que creó una empresa de biotecnología, llamada BioViva motivada por la enfermedad de su hijo: ELA. Parrish pretendía buscar una cura para lo que según ella, es la causante de muchas enfermedades: el envejecimiento. Así, creó la primera terapia génica antienvejecimiento, aplicada en una persona, ella misma. Tal y como cuenta en una entrevista en El País: “me sometí al tratamiento con 44 años, pero el estrés redujo la longitud de mis telómeros a la de una persona de 65 años. Tras la terapia la longitud de mis telómeros se corresponde con la de una persona de 45 años”.  Según la información de varios medios de comunicación y entrevistas, la longitud de sus telómeros aumento de 6,71kb a 7,33 kb. La terapia que recibió consistía en dos terapias completamente experimentales: inhibición del gen de la follistatina que inhibe a la miostatina (proteína implicada en la regeneración muscular) e inoculación del vector de Adenovirus, al cual se le introduce una modificación del gen AAV9-Tert.

Imagen de las dos técnicas empleadas en la terapia administrada a Elisabeth Parrish. A la izquierda la follistatina y a la derecha una imagen de un Adenovirus. Imagen obtenida de Internet.

Esta última es la terapia que se empleó en el CNIO (España) por María Blasco y su grupo de investigación. Pues bien, a María Blasco ya le han preguntado por este caso y su respuesta, al igual que la de muchos otros científicos, ha sido: “no se trata de un ensayo clínico, pues en un ensayo se requiere de un control y de muchos más miembros. Por lo que, con un solo paciente, resulta difícil de creer que esta terapia se pueda ser eficaz” (vídeo al comienzo del artículo). Sin ir más lejos, la propia Parrish tuvo que recibir el tratamiento en Colombia para evitar el control de la FDA (Agencia de Medicamentos y Alimentos, USA). Unos días antes de la publicación de los resultados obtenidos por Parrish su empresa se unió a la empresa de biotecnología DKLS (Deep Knowledge Life Sciences) fundado por Dmitry Kaminskiy, quien ofreció un premio de un millón de dólares a la persona que consiguiese llegar a una edad de 123 años (información obtenida por un artículo del periódico Forbes).

¿Tú qué opinas?, ¿se trata de un hecho histórico de la ciencia o del deseo de una persona con alto poder económico? ¿Se trata de un avance científico o de pseudociencia?

Esperamos que hayas disfrutado de la lectura de este artículo y déjanos tus dudas, preguntas u opiniones en los comentarios.

Referencias:

  1. Eusalud.uninet.edu [Internet]. EnvejecimientoCelular – misapuntes; 2018 [visto el 26 November 2018]. Disponible: http://eusalud.uninet.edu/misapuntes/index.php/Envejecimiento_Celular
  2. Es.wikipedia.org [Internet]. Límite de Hayflick;2018 [visto el 26 November 2018]. Disponible: https://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADmite_de_Hayflick
  3. Es.wikipedia.org [Internet]. Obsolescencia programada; 2018 [visto el 26 November 2018]. Disponible: https://es.wikipedia.org/wiki/Obsolescencia_programada
  4. G.Krupp, K.Heidorn, K.Kühne, K.Singh, R.Parwaresch, W.Klapper. Longevity of lobsters is linked to ubiquitous telomerase expression.FEBS Letters. 1998;439(1-2):143-146.
  5. Life Length [Internet]. ▷ “Vigilarla longitud de tus telómeros puede salvarte la vida” | 【 LifeLength BLOG 】; 2018 [visto el 26 November 2018]. Disponible: https://lifelength.com/es/vigilar-la-longitud-de-tus-telomeros-puede-salvarte-la-vida/
  6. Biosalud [Internet]. TelomCHECK – conoce la longitud de los telómeros ydetermina tu edad; 2018 [visto el 27 November 2018]. Disponible: https://biosalud.org/analisis-online/analisis-longitud-telomeros/
  7. B.Greber, D.Toso, E.Nogales, J.Tam, R.Wu, T.Nguyen et al. Cryo-EM structure of substrate-bound human telomerase holoenzyme. Nature. 2018;557(7704):190-195.
  8. deLange T. Shelterin: the protein complexthat shapes and safeguards human telomeres. Genes& Development. 2005;19(18):2100-2110.
  9. A.Maraver, A.Tomás-Loba, I.Flores, M.Blasco, M.Cayuela, M.Tejera, P.Fernández-Marcos. A et al. Telomerase Reverse Transcriptase DelaysAging in Cancer-Resistant Mice. Cell.2008;135(4):609-622.  
  10. Marti A. TELÓMEROS Y CALIDAD DE LA DIETA: UNA REVISION SISTEMATICA. Nutrición Hospitalaria.2017.
  11. E.Ogawa, G.Tinsley, L.Zuo, N.Arsenis, T.You. Physical activity and telomere length: Impact of aging and potential mechanisms ofaction. Oncotarget. 2017;8(27).


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