Desde pequeños principios, la investigación de telómeros - las estructuras especializadas en las
puntas de los cromosomas – ha explotado en un reino de biotecnología
El Juego del Fin del Cromosoma
Genera una Multitud
Incluso para un biólogo, la pequeña criatura de una célula conocida como
Tetrahymena puede parecer un poco extraño. Un ciliado, llamado así por sus
prolongaciones como pelos denominados cilios, Tetrahymena no tiene uno sino
dos núcleos. Y el ciclo de la vida de un ciliado incluye una fase durante la cual los
cromosomas del núcleo más grande de estos dos núcleos se fragmentan en miles
o incluso millones de piezas, dependiendo de la especie. Fue el último capricho
que atrajo la atención de la biólogo celular Elizabeth Blackburn.
A mediados de los ’70, Blackburn se embarcó en un estudio que parecía
esotérico de las puntas de los cromosomas- de los cuales Tetrahymena y otros
ciliados ofrecen en abundancia. Ahora Blackburn Tetrahymena se encuentran en
el escenario central de una de las áreas más “calientes” de la biotecnología y la
biología celular básica: la investigación de los telómeros- las estructuras
especializadas que cubren las puntas de los cromosomas.
Los telómeros hacen el crucial trabajo de proteger a los cromosomas de la
erosión durante la división celular. Sin ellos, información genética esencial se
perdería. Pero los telómeros son mucho más que meros cascos pasivos: Los
investigadores los han relacionado al envejecimiento y cáncer. No
sorprendentemente, estas conexiones (relaciones) han atraído a una amplia gama
de investigadores- entre ellos una inusualmente grande contingencia de mujeres
que han emergido como líderes en el campo. Los telómeros también han tentado
a biotécnicos y a firmas farmacéuticas impacientes a invertir en drogas
antienvejecimiento y anticáncer, algunas de las cuales se están moviendo a
ensayos clínicos.
Es un grito lejano de los inicios del campo, dice Blackburn, quien ganó el
premio cáncer de General Motors del 2001 en ciencia básica por su trabajo inicial
en los telómeros. Incluso, tan recientemente como a fines de los ’80, en una
reunión, dice, que los cromosomas podrían tener una sesión sola en el tema.
Blackburn, ahora en la Universidad de California (UC), San Francisco, recuerda
usualmente ser la última en hablar en la última sesión de las conferencias de
Gordon. Ahora, “tenemos reuniones completas de telómeros,” dice ella.
La gran afluencia de investigadores ha subido a nivel de competición, nota
Carol Greider de la Universidad de la Escuela de Medicina de John Hopkins en
Baltimore, Maryland, quien entró en el campo a mediados de los ’80 como una
estudiante graduada en el laboratorio de Blackburn. “Al principio, podíamos pensar
en un experimento y conseguir a un estudiante graduado para hacerlo,” dice.
“Ahora tenemos que preocuparnos de si la compañía pondrá 10 postdoctores en el
proyecto y abarcarnos.” Incluso así, Greider y otros dicen que tener más
competidores es, en balance, benéfico.
Un lento comienzo
Los telómeros hace mucho que han tenido sus seguidores. Hace décadas,
tuvieron el interés de los genetistas ganadores del Premio Nobel Barbara
McClintock y Hermann J. Muller. Su trabajo en los 30’ y 40’ indicó que los
telómeros previenen que los cromosomas se fusionen punta con punta, un evento
que tendría catastróficas consecuencias para la célula. Pero los telómeros eran
difíciles de estudiar directamente, principalmente porque el material es muy
escaso. Las células humanas, por ejemplo, tienen sólo 92 telómeros- uno en cada
punta de sus 46 cromosomas.
Consecuentemente, permanecieron como un poco más que una curiosidad
hasta que Blackburn tomó la causa a mediados de los ’70. Recién se había
cambiado al laboratorio de Joseph Gall, en la Universidad Yale, después de
completar un post-grado con Fred Sanger en la Universidad de Cambridge. Reino
Unido. Sanger era el líder en esfuerzos para desarrollar métodos de secuencia de
DNA, y Blackburn y Gall estaban ansiosos por probarlos.
El DNA telomérico era un buen blanco porque podía ser etiquetado y así
fácilmente aislado. Así es cuando Tetrahymena, con sus numerosos
minicromosomas y rápido ciclo vital, entró primero a la película. “Joe sabía la
bestia correcta para usar”, recuerda Blackburn. Ciertamente, Tetrahymena y otros
organismos simples probaron ser centrales en la investigación de los telómeros.
“Casi todos los mayores avances de los primeros estudios han sido basados en
Tetrahymena y levadura,” dice Jerry Shay de la Universidad de Texas Sur-oeste
Centro Médico en Dallas.
Gall obtiene crédito por influenciar el campo de otra manera, también. “Por
cualquier razón, cuando habían pocas mujeres en la ciencia, su laboratorio
siempre tenía un número sustancial,” dice Virginia Zakian de la Universidad
Princeton. Y como esas mujeres establecieron sus propios laboratorios, atrajeron
más al campo. “Había un gran número de mujeres para empezar, y engendraron
más,” dice Greider.
Blackburn pone la proporción de mujeres al 50%. “Este es un campo que no
tiene tendencia de género,” dice Vicky Lundblad, una prominente investigadora de
telómeros en la Universidad Baylor de Medicina en Houston. Otras pocas áreas de
investigación pueden demandar tan alta representación de mujeres entre sus
líderes hoy, hace 15-20 años. “¿Ayudó tener mujeres mentores? Espero que sí,”
dice Blackburn.
La búsqueda de la telomerasa
Como Blackburn y Gall laboriosamente secuenciaron el DNA telomérico de
Tetrahymena, encontraron que era “muy extraño,” recuerda Blackburn. Distintos a
los pocos genomas virales antes secuenciados, consistía en una corta secuencialos seis nucleótidos CCCCAA- se repetían desde 20 a 70 veces. Estos
investigadores y otros pronto se dieron cuenta que el DNA repetido y la variación
de longitud son una marca registrada de telómero. Esto es cierto para os
telómeros de la levadura Saccharomyces cerevisiae, como Blackburn, quien para
ese tiempo se había unido a la facultad de UC Berkeley, y Jack Szostak en el
Instituto del Cáncer Dana Farber de Harvard en Boston encontraron en 1984. Y en
1988, Robert Moyzis y colegas en Los Álamos National Laboratory mostraron que
los telómeros humanos consisten en una secuencia (repetición) de 6 nucleótidos:
TTAGGG.
Aun, nadie sabía exactamente qué hacían los telómeros hasta 1982,
cuando Blackburn y Szostak confirmaron la proposición de McClintock y Muller de
que los telómeros protegen a los cromosomas. Normalmente, DNA ajeno
introducido en levadura es rápidamente desglosado. Pero Blackburn y Szostak
encontraron que podían prevenir eso uniendo primero telómeros de Tetrahymena
en las puntas del DNA ajeno. Zakian, en ese tiempo en el Centro de Investigación
del Cáncer Fred Hutchinson en Seattle, Washington, obtuvo un resultado similar
con DNA telomérico de otro ciliado, Oxytricha fallax.
Y ambos equipos encontraron que en la levadura, los telómeros ciliados se
hacían más largos agregando secuencias teloméricas de las levaduras. “La
levadura tiene la habilidad de agregar su DNA a algo que parezca telómero,” dice
Blackburn. “Eso nos llevó a pensar que debe haber una enzima sintetizadora de
telómero.”
Blackburn, ahora profesora en la UC Berkeley, se dispuso a encontrarla. En
1984, Greider, una nueva estudiante graduada, comenzó a buscar la enzima,
ahora conocida como telomerasa, en extractos de células de Tetrahymena. Captó
los primeros signos de la existencia de la enzima en el día de Navidad de 1984.
Uno de sus preparaciones de gel mostró signos de una escalera de repeticiones
teloméricas que habían sido agregadas a un telómero por la esquiva enzima.
“Estaba muy emocionada pero inmediatamente empecé a pensar en qué podría
darme un resultado que pareciera una telomerasa pero realmente era otra cosa,”
dice Greider. No fue sino hasta primavera que confirmó qua había visto la
actividad de una nueva enzima que sintetiza DNA telomérico y no, por ejemplo,
una conocida DNA polimerasa.
Una señal en que Greider tuvo la enzima correcta fue su descubrimiento
que, distinta a las polimerasas ordinarias, la telomerasa contiene un componente
de RNA que es necesario para la actividad de la enzima. “La última parte de la
tesis de Carol era clavar ese RNA,” dice Blackburn. Greider lo hizo, mostrando que
es la forma templada de la cual esas pequeñas secuencias teloméricas repetidas
son copiadas.
Como Blackburn acredita a Greider, otros acreditan la vision de Blackburn.
Thomas Cech, cabeza del Instituto Médico Howard Hughes en Chevy Chase,
Maryland, dice, “Estaba tan adelantada a su época, que fue años antes de que
cualquiera supiera si la síntesis de telómeros era sólo algo que Tetrahymena hacía
o que tuviera un amplio significado.” Lundblad está de acuerdo: “El campo estaba
realmente dominado por las ideas de Liz Blackburn. Ella proporcionó el marco
molecular- cómo se ve un telómero- y después descubrió la telomerasa con
Greider.”
Nuevos campos que conquistar
La identificación de la telomerasa proporcionó una solución al misterio de
muchos años en la biología celular- el llamado problema del fin de la replicación.
Los investigadores han conocido por décadas que la polimerasa que replica el
DNA antes que la célula se divida no puede hacerlo hasta el final de la hebra que
está copiando. Sin una enzima como la telomerasa, el DNA erosionaría con cada
división celular. De hecho, Titia de Lange, ahora en la Universidad Rockefeller, en
la ciudad de Nueva York, dice que el descubrimiento ayudó a atraerla al campo al
inicio de los ’80. “Era intrigante que hubiera una solución en la telomerasa,”
recuerda.
En unos pocos años, los investigadores le pusieron más atención a reunir
resultados- forjando las primeras uniones entre los telómeros y el envejecimiento.
Algo de este trabajo vino de Lundblad, en ese tiempo en el laboratorio de Szostak.
Comúnmente, los cultivos de levadura y otros organismos unicelulares
pueden dividirse indefinidamente. Pero estos investigadores identificaron una
levadura mutante, llamada est1 (ever shorter telomeres 1), en los cuales los
telómeros progresivamente se acortaban y también dejaban de dividirse,
experimentando lo que es llamado vejez (senectud) replicativa. “Si eliminas la
replicación del telómero, confieres vejez,” Lundblad dice. Poco después, el grupo
de Blackburn demostró que enredarse con la estructura telomérica también lleva a
la vejez en Tetrahymena. “Esto nos dijo que las células necesitan la telomerasa
para su mantenimiento normal,” dice Blackburn.
Otros investigadores, mientras, estaban extendiendo este trabajo a los
humanos. Por ejemplo, en los ‘60s, Leonard Hayflick, en ese tiempo en el Instituto
Wistar en Filadelfia, había encontrado que las células humanas, no como los
organismos unicelulares, tienen una capacidad límite para dividirse en cultivo.
Después de 35 a 50 ciclos de división, se detienen, llegando a la vejez replicativa.
Greider, en ese tiempo en el Laboratorio Cold Spring Harbor en Long Island; Carl
Harley, que estaba en la Universidad McMaster en Hamilton, Notario; y muchos
colegas querían saber por qué. La respuesta parecía estar en los telómeros, los
cuales parecían acortarse con cada división de células humanas- una indicación
de que proporcionan el reloj que les dice a las células que están viejas y que es
hora de dejar de replicarse. En estas células, los telómeros efectivamente se
sacrifican para proteger la información genética, pero últimamente se acortan tanto
que la división cesa.
Un descubrimiento aun más excitante llegó al inicio de los ‘90s, cuando los
investigadores- incluyendo a Greider, Harley, Silvia Bacchetti, también en
McMaster, y Shay y su colega de sudoeste Woodring Wright- relacionaron la
telomerasa con el cáncer. Demostraron que mientras la enzima no está activa en
células normales- permitiendo así el acortamiento progresivo del telómero- el gen
para la enzima de alguna forma se devuelve (rebobina) en células cancerígenas.
Ciertamente, la enzima es activa hasta en un 90% en cáncer humano. Eso hace a
la telomerasa “un importante objetivo para la terapia de cáncer,” dice el
investigador de cáncer Robert Weinberg del Instituto Whitehead para Investigación
Biomédica en Cambridge, Massachussets.
Exactamente cómo la telomerasa que hace genes se rebobina en las
células cancerígenas no está claro, aunque el trabajo de Shay y Wright da algunas
pistas. En su ruta a convertirse en cancerígenas, las células primero tienen que
superar a la división celular normalmente impuesto por telómeros cortos. Y ellos
pueden hacer esto, los científicos de Texas encontraron, si han perdido también
copias activas de los gener represores de tumores p53 y Rb- mutaciones
conocidas a contribuir con el desarrollo del cáncer.
Los telómeros de las células que continúan dividiéndose se hacen
progresivamente más cortos, llevando a aun más anormalidades cromosomales,
aparentemente incluyendo, en raros casos, reactivación del gen de la telomerasa.
Y cuando eso pasa, la célula puede seguir creciendo, formando un tumor
cancerígeno.
En el despertar de estos descubrimientos, el campo del telómero explotó.
Cuando Greider revisó el número de papers mencionando la palabra “telomerasa,”
encontró un dramático incremento comenzando en 1994, y sigue creciendo. Los
descubrimientos también dieron cabida al incremento de ímpetu a la investigación
del gen de la proteína catalítica de la telomerasa, la cual aun estaba “en general”,
una situación que era una desventaja para un entendimiento completo de cómo la
enzima trabaja- sin mencionar los esfuerzos para desarrollar inhibidores para uso
en la terapia del cáncer. Un ciliado, esta vez Euplotes aediculatus, de nuevo
proporcionó la primera entrada.
Joachim Lingner, en ese tiempo un post-doctor en el laboratorio de Cech,
en la Universidad de Colorado, Boulder, fue capaz de aislar la proteína de la
telomerasa de Euplotes en 1996. Una unión a la levadura llegó con el
descubrimiento de que la proteína es el equivalente a Euplotes de Est2, una
proteína hecha por un gen que Lundblad había identificado en levadura como
necesaria para mantener la longitud del telómero. En 1997, cuatro grupos habían
clonado el gen para la proteína catalítica de la telomerasa (también llamada
hTERT). Uno de los grupos incluía a Cech, Harley- ahora en la Corporación
Geron, una compañía biotecnológica en Parque Menlo, California- y sus colegas;
los otros tres fueron guiados por Murria Robinson y Lea Harrington de Amgen Inc.
En Thousand Oaks, California, Weinberg, y Roger Reddel del Instituto de
Investigación Médica de Niños en Sydney, Australia.
Desde entonces, los investigadores han reforzado la relación entre la
telomerasa y el envejecimiento y el cáncer. Por ejemplo, en 1998, Shay, Wright, y
sus colegas mostraron que podían extender el período de vida replicativo de las
células humanas en cultivo introduciendo el gen clonado hTERT. Además, equipos
independientes, uno guiado por Kathleen Collins de UC Barkeley, y el otro por
Tom Vulliamy en el Hospital Hammersmith en Londres, han encontrado que las
mutaciones que se reducen, pero no se eliminan, la actividad de la telomerasa
causa algunos casos de dyskeratosis congénita, una rara enfermedad genética
cuyos síntomas incluyen algunos que son consistentes en el envejecimiento
prematuro. Blackburn describe el trabajo como “fascinante. Argumenta que para
un período normal de vida humano, la dosis de telomerasa es importante.”
Y en el frente del cáncer, Weinberg, William Hahn del Instituto de Cáncer
Dana-Farber, Christopher Counter del Centro Médico de la Universidad Duke en
Durham, Carolina del Norte, y sus colegas reportaron en Nature del 29 de Julio de
1999 que podían hacer células humanas cancerosas introduciendo sólo unos
pocos genes: los antígenos T del virus 40 (simio), los cuales interfieren con las
actividades supresoras de tumor de p53 y Rb; el oncogen Ras; y hTERT. “Nadie
antes había puesto genes definidos y obtenido una célula cancerosa humana,”
dice Weindberg. “Estábamos emocionados.”
Tan importante como eso, muchos investigadores han demostrado que
pueden inhibir el crecimiento de células de tumor bloqueando la actividad de la
telomerasa en las células. Muchos equipos, incluyendo investigadores en firmas
de biotecnología tales como Geron y Amgen, así también como gigantes
farmacéuticos como Novartis y Boehringer Ingelheim, están ahora persiguiendo
esta iniciativa a desarrollar terapias para el cáncer.
Preguntas sin responder
Aunque la conexión del cáncer es un enorme dibujo, muchos investigadores
aun están abordando preguntas fundamentales de la biología telomérica. Una es
cómo el DNA del telómero es protegido. Si los telómeros fueran sólo DNA en las
puntas de los cromosomas, la célula los reconocería como DNA dañado y los
“repararía”, produciendo cromosomas fundidos y otras anormalidades. Los
telómeros tienen un par de formas de evitar este destino.
Usando microscopía electrónica, Jack Griffith de la Universidad de Carolina
del Norte, Chapel Hill, de Lange de Rockefeller, y sus colegas mostraron en 1999
que las puntas desnudas de los telómeros de mamíferos se doblan y se meten en
la doble hebra de DNA. Desde entonces, los investigadores ah encontrado
similares “vueltas-t” (t-loops), como el grupo los llamó en ciliados y en
tripanosomas. “El que se metan puede ser cómo los telómeros protegen sus
puntas,” de Lange dice.
Las vueltas-T no se forman por sí solas. Los investigadores, incluyendo a
de Lange, Cech, y Lundblad han identificado muchas proteínas que se unen al
DNA del telómero. De hecho, dice Cech, “te preguntas cómo hay espacio” para
todas ellas. El grupo de De Lange tiene evidencia de que dos de estas proteínas,
TRF1 y TRF2, están implicadas en la formación de las vueltas-T y la protección
telomérica.
Y hace como un año, Cech y Peter Baumann, post-doctor de la Universidad
de Colorado, encontraron a la proteína q dobla la punta del telómero, Pot1 (para la
protección de los telómeros 1) presente en organismos que van desde levaduras
hasta mamíferos. La deleción del gen Pot1 en levadura resulta en rápida pérdida
de telómeros, mostrando que es necesario para el mantenimiento de telómeros.
Porque estas proteínas son esenciales para el mantenimiento de telómeros,
ellos, también, podrían ser blancos de terapias anticáncer.
Los investigadores ahora quieren desenterrar las funciones de todas las
proteínas enlazadoras (que unen). Además de TRF1 y TRF2, y Pot1, éstas
incluyen muchas proteínas conocidas por participar en la reparación del DNA.
“¿Por qué pondrías proteínas implicadas en la unión punta con punta del DNA
junto con los telómeros?” pregunta Zakian de Princeton. “Parecería ser el último
lugar en que las querrías.”
Otras preguntas conciernen cómo los telómeros se “sacan el casco” cuando
el DNA se replica y después de lo vuelven a poner cuando termina, y cómo la
célula sabe que los telómeros se han acortado al punto donde no hay tiempo para
envejecer o morir. “No tenemos idea sobre què es lo que hace que un telómero se
vea bien o mal para la célula,” dice Blackburn. Pero mientras haya mucho trabajo
por hacer, una cosa es cierta: Hay muchas manos para superarlo.
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El Juego del Fin del Cromosoma

Tema 13: Genética humana (revisado)

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CareotipoTelocéntricoCromosoma metafásicoSubmetacéntricoAcrocéntricoAutosomaMetacéntricoAlteracionesPsicobiologíaCentrómero

EXAMEN DE BIOLOGÍA MOLECUL4R GRUPO A JUNIO−99

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Proceso de replicaciónFarmaciaTraducción en ProcariotasReplicación de los genesProblema TeloméricoDNA PolimerasaRNA Polimerasa

Los ácidos nucleicos

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Ácido fosfóricoTeoría de las proteínasMecanismos molecularesSoporte molecularEstructura química de los genesNucleótidosPolímerosDNA (Deoxyribonucleic Acid)Biología celularInformación genética

Material genético

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