Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Telomerasi


Molecola del Mese di Novembre 2018
La telomerasi preserva le parti terminali dei nostri cromosomi


Introduzione
Le nostre cellule devono affrontare un problema complesso: gli enzimi che replicano il DNA non sono in grado di copiarne i filamenti fino alle estremità, e così il DNA copiato manca di qualche nucleotide all'inizio del filamento. I batteri risolvono questo problema nel modo più semplice: i loro cromosomi sono circolari quindi non hanno estremità e il piccolo tratto di DNA che non copiano all'inizio della replicazione lo copiano alla fine. Le moderne cellule eucariote conservano l'informazione genetica in filamenti lineari di DNA, forse perchè questo aiuta il rimescolamento dei geni durante la meiosi. Per questo hanno bisogno di un meccanismo speciale che garantisca che i loro cromosomi non si accorcino ogni volta che le cellule si dividono.

Proteggere le estremità
Le estremità dei nostri cromosomi sono protette da una speciale struttura chiamata telomero, composta da DNA e proteine. Il DNA dei telomeri è costituito da un migliaio di ripetizioni di una corta sequenza di sei nucleotidi TTAGGG. La maggior parte di un telomero è accoppiata con il telomero della catena complementare di DNA per formare una normale doppia elica, ma le ultime centinaia di nucleotidi sono a catena singola e si pensa che si ripieghino all'indietro per interagire con la zona a doppia elica. Molte proteine chiamate schelterin rivestono il telomero e lo proteggono.

Aggiungere sei nucleotidi, ripetere
I telomeri hanno una struttura ripetitiva che offre una facile soluzione al problema del loro accorciamento: le cellule possono usare un enzima telomerasi per rigenerare i telomeri aggiungendo segmenti formati da unità ripetenti quando il telomero diventa troppo corto. La telomerasi mostrata qui sopra dal file PDB 6d6v, è una macchina molecolare che contiene uno stampo per il segmento ripetitivo del telomero e un enzima che aggiunge questo segmento alle estremità dei cromosomi. Lo stampo è costituito da un breve tratto di RNA (TER) che include anche regioni non codificanti che interagiscono con il resto del complesso. L'enzima è una trascrittasi inversa (TERT) che usa uno stampo di RNA per creare il DNA del telomero. Un insieme di altre proteine (viola) aiuta questo processo: afferrano l'estremità del telomero portando con sè la telomerasi in modo da permetterle di aggiungere le unità ripetenti.

Telomeri e cancro
La telomerasi ha la massima attività durante lo sviluppo embrionale, quando le cellule si dividono molte volte per creare un corpo intero. Dopo la nascita è molto meno attiva e così i telomeri si accorciano con l'età. Quando sono completamente consumati, le cellule non possono più rinnovarsi perchè ad ogni duplicazione non verrebbero persi tratti di telomero, ma frammenti di geni. I telomeri, quindi, consentono alle cellule un numero limitato di duplicazioni e sono una specie di misura del tempo che ci è rimasto da vivere. Se la telomerasi fosse sempre attiva, però, non diventeremmo immortali, infatti una eccessiva attività della telomerasi può causare gravi problemi. Per esempio, le cellule del cancro hanno mutazioni che producono alti livelli di telomerasi. Questo permette loro di mantenere costante la lunghezza dei telomeri mentre si riproducono in modo incontrollato e formano i tumori.

Quadruplesso
I biochimici stutturali hanno scoperto che la sequenza ricca di guanina dei telomeri può formare una struttura molto insolita. Quattro guanine (rosse) di quattro punti diversi della catena possono incontrarsi tra loro per formare una struttura planare chiamata quadruplesso. Come si vede nella figura qui a fianco (file PDB 143d), un tratto di DNA con quattro unità ripetenti TTAGGG può formare un nodo compatto affacciando 4 tratti di catena antiparalleli in cui ognuno rivolge tre guanine verso il centro per formare tre quadruplessi all'interno del nodo.

























Il quadruplesso può essere capito meglio osservando le due immagini 3d qui sotto (tridimensionali se osservate a sguardo incrociato) o guardando questo filmato.
Il filamento grigio scende e risale più volte formando il nodo e facendo incontrare al centro le basi azotate delle 4 sequenze ripetute. Le 3 guanine (rosse) di ogni filamento si incontrano nel centro formando tre quadruplessi.





Nella figura qui a fianco le quattro guanine del quadruplesso centrale sono state isolate per evidenziare il piano del quadruplesso. Qui si vedono i legami idrogeno anomali che si realizzano, mostrati con sferette verdi. La testa di ogni guanina si lega sul fianco di un'altra.
























Esplorando la struttura

L'enzima telomerasi è stato difficile da studiare perchè è molto flessibile. La struttura del centro catalitico della telomerasi è stata determinata usando la tomografia crio elettronica usando un DNA che conteneva dei nucleotidi modificati per bloccare la struttura in una forma stabile che potesse essere osservata.
La struttura contiene una stampo di RNA (rosa, TER), la trascrittasi inversa e molte proteine associate (non mostrate qui) e un breve tratto del DNA del telomero (giallo e arancione). Questa telomerasi (PDB 6d6v) è di un protozoo, con telomeri che sono leggermente diversi dai nostri e hanno una sequenza TTGGGG.













Spunti per ulteriori esplorazioni

Anche i retrovirus usano una trascrittasi inversa per sintetizzare DNA usando uno stampo di RNA. Potete vedere come agisce la trascrittasi inversa dell'HIV nel file PDB 2hmi.
I G-quadruplessi sono stati osservati anche con altri arrangiamenti dei quattro segmenti del filamento. Cercate "quadruplex" nel sito PDB per vederne altri.


Bibliografia
6d6v: Jiang, J., Wang, Y., Susac, L., Chan, H., Basu, R., Zhou, Z.H., Feigon, J. (2018) Structure of telomerase with telomeric DNA. Cell 173: 1179-1190.e13
Wu, R.A., Upton, H.E., Vogan, J.M., Collins, K. (2017) Telomerase mechanism of telomere synthesis. Annual Review of Biochemistry 86: 439-460.
143d: Wang, Y., Patel, D.J. (1993) Solution structure of the human telomeric repeat d[AG3(T2AG3)3] G-tetraplex. Structure 1: 263-282