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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.
 Quartetti
di guanine
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
quartetto di guanine (G4). 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 quartetti G4 all'interno del nodo.
Il quartetto di guanune G4 può essere capito meglio osservando
le due immagini 3D qui sotto (tridimensionali se osservate a
sguardo incrociato) o guardando questo
filmato.
Le due immagini affiancate qui sotto forniscono
una visione 3D se osservate a sguardo incrociato con la seguente procedura.
Mettete le mani a coppa 15 cm davanti ai vostri occhi e lasciate tra
i palmi un foro attraverso cui guardare le immagini.
Mantenendo ferma la testa, trovate la posizione delle mani con la quale,
guardando solo con l'occhio sinistro, vedete l'immagine di destra e
guardando solo col destro, vedrete l'immagine di sinistra.
Guardando con entrambi gli occhi, nel foro tra le mani vedrete l'immagine
3D della molecola.
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 quartetti G4.
Nella figura qui a fianco le quattro guanine del quartetto G4 centrale
sono state isolate per evidenziare il piano del quartetto. 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 (file 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 quartetti G4 (G-quadruplex) 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
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