Telomeri: la chiave dell’immortalità?

COSA SONO I TELOMERI?

I telomeri rappresentano la regione terminale dei cromosomi e sono formati da DNA altamente ripetuto, ovvero DNA non codificante che non verrà tradotto ma non per questo inutile, come si pensava in passato, che veniva identificato come junk DNA (DNA spazzatura). I telomeri, quindi, grazie a questo DNA non codificante, proteggono l’estremità dei telomeri al fine di non favorire la fusione con cromosomi vicini e anche dal deterioramento. La parola “telomero”, infatti, deriva dal greco ed è composto da due parole: “telos”, cioè “fine” e “meros” che vuol dire “parte”. Nei vertebrati, in particolare, la sequenza nucleotidica dei telomeri è TTAGGG e nell’uomo la sequenza 5’-TTAGGG-3’ si ripete intorno alle 2500 volte. Ovviamente, questa sequenza varia da specie a specie ma, generalmente, è moto ricca in GC. Nei batteri, invece, non presentano alcun tipo di telomeri in quanto il DNA è circolare anche se comunque una piccola parte dei cromosomi batterici, che sono lineari, presentano porzioni telomeriche ma differenti, sia per quanto riguarda la struttura che per la funzione, rispetto a quelle eucariotiche. È stato dimostrato che le estremità dei telomeri non sono lineari, ma assumono una struttura a forma di loop che viene definita T-loop (telomere-loop). Questa struttura è dovuta all’appaiamento tra le sequenze TTAGGG dell’estremità 3’ che protrude a singolo filamento e il filamento complementare nel breve tratto denaturato nella lunga regione adiacente ripetitiva duplex. Questa struttura viene stabilizzata dalla formazione di complessi proteici in cui le proteine sono implicate sia nella funzione telomerica che nella protezione dell’estremità del cromosoma.

Tra l’altro, è stata descritta un’altra struttura del DNA che verrebbe assunta dal filamento protruso del telomero e che potrebbe avere un particolare ruolo nella stabilizzazione. Stiamo parlando del quartetto di G in cui le guanine sono distanziate lungo un singolo filamento. Perché i telomeri sono così importanti? Basti pensare che, se non ci fossero i telomeri, la replicazione del DNA porterebbe ad una importante perdita di informazioni genetiche. Ogni qual volta che avviene la replicazione, tra l’altro, questi telomeri vengono accorciati, ma ne parleremo più nel dettaglio nei paragrafi successivi. Inizialmente, come abbiamo accennato poco prima, si pensava che la regione telomerica fosse una regione interamente non codificante ma diversi studi hanno mostrato che vengono prodotti dei trascritti definiti TERRA, implicati nella regolazione della telomerasi. Ricordiamo, inoltre, che la DNA polimerasi non è in grado di replicare interamente il cromosoma, considerando anche le sue porzioni terminali.

Cosa sono i cromosomi?

Abbiamo parlato di una parte importante dei cromosomi, ma in questo paragrafo cerchiamo di capire meglio il contesto in cui questi telomeri vengono localizzati. Il materiale genetico di qualsiasi organismo, che può essere procariotico ed eucariotico, è organizzato in strutture chiamate cromosomi che sono localizzati in una specifica regione cellulare. Questo materiale genetico viene letteralmente impacchettato, compattato. Basti pensare che se le molecole di DNA di una singola cellula fossero distese e allineate, misurerebbero circa 2 metri di lunghezza. Incredibilmente, però, grazie a queste strutture, queste molecole vengono impacchettate nel nucleo della cellula che ha un diametro di circa 6 μm. Immaginiamoci, quindi, quanto la lunghezza delle molecole di DNA rappresentino un problema rapportandole alle dimensioni di una cellula anche per un discorso di duplicazione cellulare. In base alla localizzazione del DNA, i cromosomi iniziano a “emergere” nel nucleo cellulare, per quanto riguarda gli organismi eucarioti, o nel nucleoide, nel caso dei procarioti, per poi migrare sempre all’interno della cellula nelle varie fasi mitotiche.

Come la parola telomero, anche il termine “cromosoma” deriva dal greco: “chroma” ovvero “colore”, e “soma” che significa “corpo”. Negli eucarioti i cromosomi possiedono forma lineare, a differenza di quelli presenti negli organismi procariotici che sono circolari. Sono più grandi e il loro numero è specie-specifico: nell’uomo si hanno 46 cromosomi, nel cane ce ne sono 78 e nel topo 40. Queste tre differenze numeriche ci aiutano a capire una questione molto importante, ovvero che il numero cromosomico non è strettamente correlato al livello di complessità strutturale degli individui di una specie. In molti eucarioti, tra l’altro, ogni cromosoma è presente in doppia copia nella cellula, motivo per cui il corredo cromosomico viene definito diploide e ogni copia deriva da ciascun genitore. Lo zigote deriva, quindi, dalla fusione di due cellule aploidi, chiamati gameti, in cui è presente solo una copia di ciascun cromosoma. Negli organismi eucariotici le molecole di DNA si legano a proteine che possono essere istoniche (proteine basiche) e non istoniche (proteine neutro o acide), attorno alle quali il filamento di DNA si avvolge, formando una struttura definita cromatina. Si possono distinguere due tipi di cromatina:

• Eucromatina: trascrizionalmente attiva con una struttura più aperta;
• Eterocromatina: maggiormente condensata e trascrizionalmente inattiva.

L’eterocromatina interfasica, inoltre, può essere distinta in:

• Eterocromatina costitutiva: molto compatta e nel cromosoma si concentra principalmente a livello del centromero e dei telomeri;
• Eterocromatina facoltativa: può condensarsi e diventare temporaneamente inattiva, e può essere inattivata solo in tessuti specifici o in determinati stadi dello sviluppo.

LA TELOMERASI: UN ENZIMA MOLTO IMPORTANTE

Come abbiamo già specificato prima, la struttura dei telomeri è molto importante per il controllo della stabilità del genoma. Il problema di cui vi parlavamo riguarda il meccanismo della sintesi discontinua del DNA del filamento ritardato: mentre la replicazione del filamento leading procede fino a copiare l’estremità 5’, nella replicazione del filamento lagging rimane il tratto dell’RNA primer al 5’ il quale, quando viene rimosso, lascia un segmento di DNA non replicato che non può essere riempito da altre polimerasi. Sui telomeri, infatti, si formano dei complessi nucleoproteici caratteristici (diversi dalle rotture della doppia elica chiamati DSB) a cui la cellula cerca di porre rimedio attivando dei meccanismi riparativi che risultano essere molto dannosi nel caso fossero applicati alle estremità telomeriche. L’importanza sta nel mantenere l’integrità dei telomeri e replicarli correttamente senza perdere informazione genetica. Se non si provvede a replicare il tratto telomerico corrispondente all’estremità 5’ del filamento lagging, i telomeri perderanno tra le 50 e le 150 paia di basi comportando un meccanismo di erosione dei telomeri che non sono stati replicati correttamente. Ma l’integrità, se così possiamo chiamarla, è assicurata da un altro enzima molto particolare: la telomerasi. La telomerasi è una ribonucleoproteina costituita da:

• TERT: proteina che agisce come una trascrittasi inversa, capace di sintetizzare il DNA copiando uno stampo di RNA;
• TERC: molecola di RNA stampo.

TERT si associa con altre proteine accessorie al fine di formare la macchina proteica coinvolta nel mantenimento dei telomeri. La telomerasi allunga il terminale 3’ il quale si appaia con il TERC della telomerasi. La porzione proteica di questo enzima, successivamente, copia la sequenza del suo RNA allungando di una ripetizione la sequenza 3’. Questo processo si ripete più e più volte permettendo, così, l’aggiunta di numerose unità della sequenza telomerica ripetuta. Nel lievito, la telomerasi è sempre espressa, mentre nell’uomo la sua espressione è limitata a cellule che proliferano attivamente.

ACCORCIAMENTO TELOMERI: COSA COMPORTA?

È stata osservata una possibile correlazione tra l’accorciamento dei telomeri e l’invecchiamento cellulare. Ma prima di spiegare il perché, spiegheremo come funziona l’accorciamento dei telomeri e perché avviene. I telomeri si accorciano a causa del meccanismo di replicazione del filamento lagging del DNA, che abbiamo accennato prima. La replicazione del DNA non ha inizio dalle estremità ma da varie regioni centrali del cromosoma e, tra l’altro, tutte le DNA polimerasi polimerizzano in direzione 5’→3′, spostandosi in direzione 3’→5′. Proprio per questo, il DNA in fase di replicazione presenta un filamento leading ed uno lagging. Sul filamento leading, la DNA polimerasi III può produrre un filamento complementare senza ostacoli, perché procede da 5′ a 3′. Al contrario, però, c’è un problema riguardo al senso contrario, ovvero 3’→5′ che l’enzima dovrebbe prendere sul filamento lagging.

Per risolvere questo problema, piccole sequenze di RNA (RNA primer) legano tale filamento e agiscono come innesco, favorendo l’attacco della DNA polimerasi III e l’avvio della polimerizzazione. Questo processo genera la formazione dei frammenti di Okazaki, piccole sequenze nucleotidiche prodotte durante la replicazione che prendono il nome dallo scienziato che riuscì a dimostrarne l’esistenza. Questi frammenti, negli organismi procariotici, sono processati infine dalla DNA polimerasi I, che va a sostituire l’RNA dei primers con DNA, e dall’enzima DNA ligasi, che è in grado di unire i frammenti tramite legame fosfodiesterico. Questo accade presso tutti i siti del filamento lagging, ma non dove si appaia primer terminale di RNA. In questa regione, infatti, l’RNA viene distrutto dall’enzima RNAsi H, ma non viene sostituito con alcun DNA. Ed è proprio questo a generare un continuo processo di accorciamento dei telomeri.

Diversi studi hanno dimostrato una forte correlazione tra quest’accorciamento e l’invecchiamento cellulare. Infatti, la telomerasi viene anche definita “enzima dell’immortalità” poiché gioca un ruolo cruciale da questo punto di vista. Come avrete capito, quindi, i telomeri sono soggetti a una rapida degradazione dato che ogni volta che il cromosoma si duplica i telomeri si accorciano, fino a degradarsi del tutto. A quel punto, la cellula non potrà più riprodursi e andrà incontro alla morte. L’immortalità, quindi, sembra risiedere proprio nei telomeri e nell’azione della telomerasi, ma allo stesso tempo la situazione, paradossalmente, cambia quando si parla di cellule tumorali.

TELOMERI E CANCRO: CHE RELAZIONE C’È?

Ovviamente, la scoperta del ruolo dei telomeri nell’invecchiamento cellulare fu una scoperta rivoluzionaria in ambito scientifico ma, allo stesso tempo, si fece un’altra importante scoperta: le cellule tumorali erano ricche di telomerasi. E proprio grazie alla telomerasi, le cellule cancerogene diventavano immortali. Fu proprio questa scoperta a far comprendere il perché i tumori fossero così resistenti. Nonostante la “cattiva” notizia, però, i ricercatori sono riusciti a capire qual era il loro punto debole e si guadagnarono il Premio Nobel per la medicina, nel 2009, proprio grazie alla scoperta della telomerasi. Oltre alla ricerca per la cura del cancro, alcuni ricercatori, del Dana-Farber Cancer Institute di Boston, hanno condotto degli esperimenti sui topi, molto interessanti. Questo gruppo di ricerca ha impiegato l’enzima telomerasi al fine di riuscire a ringiovanire alcuni topi da laboratorio. Non somministrando loro l’enzima, ma hanno cercato di riattivare la loro telomerasi naturale. In un mese, la massa cerebrale dei topi invecchiati aveva subìto una proliferazione di cellule nervose giovanili, ma anche a livello muscolare e per quanto riguarda la crescita del pelo e delle cellule spermatiche.

Un altro importante dato è che in questi topi non sono state osservate cellule tumorali. Nel 2019, è stato pubblicato un articolo su EMBO Molecular Medicine proprio sul tema telomeri-cancro. Nell’abstract, i telomeri vengono considerati come bersagli anti-cancro universali, dato che l’integrità dei telomeri è essenziale per sostenere la crescita del cancro che risulta essere indefinita. Le mutazioni nella telomerasi sono tra le più frequenti nel cancro. Inoltre, mutazioni nei componenti del complesso protettivo dei telomeri, chiamato anche shelterin, si trovano anche nei tumori familiari e sporadici. La maggior parte degli sforzi per mirare ai telomeri si è concentrata sull’inibizione dell’enzima telomerasi anche se studi recenti suggeriscono che il targeting diretto del complesso shelterin potrebbe risultare una strategia più efficace. In particolare, in questo studio, è stato dimostrato che l’eliminazione genetica della proteina shelterin essenziale TRF1 altera la crescita del tumore nei modelli murini (topi) aggressivi di cancro ai polmoni e glioblastoma (GBM) mediante induzione diretta del danno dei telomeri, indipendentemente dalla loro lunghezza.

Vengono, inoltre, esaminati farmaci inibitori di TRF1 utilizzando una raccolta di farmaci approvati dalla FDA in studi clinici. Tra gli altri obiettivi, vi è anche l’inibizione di diverse chinasi della via Ras, tra cui ERK e MEK, inclusa l’induzione del danno telomerico al DNA, la fragilità dei telomeri e l’inibizione del potenziale staminale del cancro. Infine, vengono utilizzati nuovi percorsi regolatori TRF1 come base per scoprire nuove combinazioni di farmaci basate sull’inibizione di TRF1, al fine di bloccare efficacemente la potenziale resistenza ai singoli farmaci nei modelli di xenotrapianto di glioblastoma derivati dal paziente. Insomma, sembra fantascienza, ma i telomeri sembrano essere decisamente la chiave di moltissime cose. Riusciremo, in futuro, a sconfiggere il cancro rendendoci, allo stesso tempo, più longevi?