La terminación de la replicación de los cromosomas de las células eucarióticas está estrechamente relacionada con el problema de la duplicación de los DNA lineales: al final del proceso, los nuevos DNA quedan con un extremo romo y un extremo 3’ protuberante que no puede ser replicado por las DNA polimerasas celulares. Esto daría como consecuencia un acortamiento progresivo de los cromosomas tras cada ciclo de replicación. Para evitarlo, los eucariotas han desarrollado una estrategia consistente en elongar los extremos de los DNA 3’ protuberantes de manera que no queden secuencias importantes del cromosoma sin replicar. Además, si los extremos de los cromosomas estuvieran libres, serían rápidamente atacados por los mecanismos de reparación celular, lo que provocaría su desestabilización. Para que los cromosomas sean estables se forman complejos específicos de DNA y proteínas en sus extremos, que se denominan telosomas.
El DNA telomérico de los telosomas consiste en secuencias de DNA muy simples de 5 a 8 nucleótidos, y repetidas en tándem. La secuencia y el número de veces que se repite es típico de cada especie. Cada repetición telomérica de bases es rica en C y G, agrupadas en "clusters". Además, las G se encuentran en la cadena 5’
T3’ desde el centrómero hacia el extremo (cadena G), y la cadena complementaria es la rica en C (cadena C). La cadena G, además, sobresale en dirección 3’, formando una estructura monocatenaria denominada protuberancia G. La protuberancia G puede plegarse en una estructura denominada DNA-G4 o "quadruplex". El bloque sobre el que se construyen estas estructuras son los cuartetos de G: asociación de 4 guaninas en un ordenamiento cíclico mediante puentes de hidrógeno de Hoogsteen, lo que confiere al cuarteto de G gran estabilidad termodinámica. En mamíferos no parecen existir los DNA-G4, sino una estructura distinta, el lazo t, formado por la invasión de la protuberancia G sobre las repeticiones teloméricas.La similitud existente entre las repeticiones teloméricas de distintos organismos sirve para reclutar proteínas que las unen específicamente. Dicho reconocimiento se realiza a través de un dominio de unión al DNA que se suele denominar telocaja ("telobox"). En el caso de Saccharomyces, la proteína del telosoma que contiene la telocaja es Rap1p (Repressor Activator Protein), que recubre completamente el DNA telomérico. A su vez, Rap1p recluta otras moléculas (proteínas Sir y Rif) y ensambla el definitivo complejo telosómico. El DNA telomérico de los vertebrados es reconocido por dos proteínas: Trf1p y Trf2p (Telomeric Repeat binding Factor). Al igual que Rap1p, la unión es muy específica de la repetición telomérica, jugando un papel muy importante en la inducción de la formación de lazos t.
Una compleja serie de señales celulares es la que determinará si el DNA telomérico debe o no ser elongado por la telomerasa. Los componentes básicos de la telomerasa son una subunidad ribonucleica y otra proteica. La primera contiene el molde para las repeticiones teloméricas, y se denomina TR (telomerase RNA). La subunidad que contiene la actividad catalítica es homóloga a las retrotranscriptasas y se denomina TERT (telomerase reverse transcriptase). La subunidad TR varía tanto de secuencia como de longitud en distintos organismos, mientras que la estructura secundaria que tienen todas es la misma. Su papel es contener de 1,2 a 2 copias del molde de la repetición telomérica y la modular la actividad catalítica de la subunidad TERT. Las subunidades TERT presentan clara homología con las retrotranscriptasas, aunque son mucho mayores que éstas. En distintos organismos aparecen una serie de subunidades proteicas adicionales que le confieren su actividad definitiva y la regulación específica.
El sustrato que reconoce la telomerasa es un DNA monocatenario de longitud mayor a 20 nt, cuyo extremo 3’ presenta una secuencia complementaria al molde contenido en la enzima. La asociación entre el sustrato y la enzima se consigue gracias a los sitios catalítico y de anclaje, localizados en puntos distintos de la subunidad TERT. La reacción comienza cuando el extremo 3’ del DNA se coloca sobre el centro activo y se alinea con la secuencia molde de la subunidad TR. Los nucleótidos se van añadiendo uno a uno hasta copiar todo el molde. Se produce entonces la translocación de la telomerasa para iniciar un nuevo ciclo de síntesis, para lo que el extremo 3’ del DNA sustrato ha de recolocarse en el comienzo de la secuencia molde sobre el centro activo. Dado que el molde es RNA y que lo que se copia es DNA, se explica claramente por qué existe homología entre TERT y las retrotranscriptasas: ambas catalizan el mismo tipo de reacción. La diferencia es que las retrotranscriptasas hacen una síntesis lineal, mientras que la telomerasa hace un proceso cíclico.
En algunos tipos de insectos y algunas plantas donde la telomerasa se ha perdido durante la evolución, los extremos cromosómicos se extienden por recombinación. En otros insectos se ha comprobado que la longitud del DNA telomérico se mantiene con retrotransposones que se transponen específicamente en los extremos de los cromosomas.
El mantenimiento de la longitud del DNA telomérico es un proceso que implica un intrincado balance de factores en competición, tanto los que provocan su síntesis como los que inducen su degradación. El que la longitud de los telómeros sea característica de las especies se debe al número de proteínas con telocaja que se unen a las repeticiones teloméricas. Los telómeros que por cualquier razón no tienen suficientes repeticiones serían reconocidos por la telomerasa, que añadiría repeticiones teloméricas hasta llegar a la longitud adecuada.
La subunidad TERT está sometida a regulación transcripcional mientras que TR se expresa constitutivamente. La fosforilación de la telomerasa aumenta su actividad. La capacidad de realizar una o más rondas de síntesis de repeticiones teloméricas (procesividad) aumenta con el grado de oligomerización de la enzima.
En humanos, la telomerasa no se expresa en células somáticas, con lo que se ha sugerido la posibilidad de que la longitud del DNA telomérico pueda servir de reloj mitótico que actuaría limitando el potencial replicativo de las células in vivo e in vitro al irse acortando el DNA telomérico con las divisiones celulares. De hecho, los telosomas en personas de edad avanzada son más pequeños que en los jóvenes. En cambio, muchas células tumorales sí expresan telomerasa y mantienen constante la longitud de los telómeros, lo que está haciendo centrar la atención de las terapias antitumorales en el control de la expresión de la telomerasa en células cancerosas.
M. Gonzalo Claros es Profesor Titular del Departamento de Biología Molecular y Bioquímica en la Universidad de Málaga.