Telômeros e telomerase

Se você pudesse aproximar e observar o DNA da extremidade de um dos cromossomos, o que você veria? Você esperaria encontrar genes ou talvez algumas sequências de DNA envolvidas na regulação gênica. Em vez isso, o que você veria, na verdade, seria uma sequência única –TTAGGG – repetida várias vezes, centenas ou milhares de vezes.

As regiões repetitivas nas extremidades dos cromossomos são chamadas de telômeros e são encontradas em uma grande variedade de espécies eucarióticas, de humanos a protistas unicelulares. Telômeros atuam como capas que protegem as regiões internas dos cromossomos e que se desgastam em pequena medida a cada ciclo de replicação de DNA.

Neste artigo, vamos examinar mais de perto no motivos de os telômeros serem necessários, por que eles encurtam durante a replicação do DNA e como a enzima polimerase pode ser usada para estendê-los.

Ao contrário do cromossomo bacteriano, os cromossomos de eucariontes são lineares (forma de bastonetes), que significa que têm extremidades. Essas extremidades representam um problema para a replicação do DNA. O DNA da extremidade do cromossomo não pode ser totalmente copiado em cada ciclo de replicação, resultando em um encurtamento lento e gradual do cromossomo.

Por que é assim? Enquanto o DNA está sendo copiado, uma das duas fitas do DNA em uma forquilha de replicação é produzida continuamente e é chamada de fita líder. A outra fita é produzida em pequenas partes chamadas de fragmentos de Okazaki, cada uma das fitas se inicia com seu próprio RNA primer e é conhecida como fita tardia. (Veja o artigo sobre replicação do DNA para mais detalhes.)

Na maior parte dos casos, os primers dos fragmentos de Okasaki podem ser substituídos por DNA facilmente e os fragmentos conectados para formar uma fita contínua. No entanto, quando a forquilha de replicação alcança a extremidade do cromossomo, há um pequeno prolongamento do DNA (em muitas espécies, incluindo humano) que não é coberto por um fragmento de Okasaki— essencialmente não há maneira de iniciar o fragmento porque o primer cairia para além da extremidade do cromossomo$^1$start superscript, 1, end superscript. Além disso, o primer do último fragmento que efetivamente é produzido, não pode ser substituído por DNA como os outros primers são.

Graças a esses problemas, parte do DNA na extremidade dos cromossomos eucarióticos seguem sem serem copiados, a cada ciclo de replicação, deixando uma extensão de fita simples. Ao longo de vários ciclos de divisão celular, o cromossomo vai se encurtar cada vez mais e mais, enquanto o processo de repetir.

Em células humanas, o último RNA primer da fita tardia pode estar posicionado de $70$70 a $100$100 nucleotídeos de distância da extremidade do cromossomo$^{2}$squared. Assim, as extensões de fita simples produzidas pela replicação incompleta da extremidade em humanos são relativamente longas e o cromossomo encurta significantemente a cada ciclo de divisão celular.

Para evitar a perda de genes com o desgaste dos cromossomos, as extremidades dos cromossomos eucarióticos têm tampões de DNA especializados chamados de telômeros. Telômeros consistem em centenas ou milhares da mesma curta sequência de DNA, a qual varia entre os organismos, mas é 5'-TTAGGG-3' em humanos e outros mamíferos.

Telômeros precisam ser protegidos dos sistemas de reparação de DNA das células porque eles têm extensões de fita simples que se parecem com DNA danificado. A extensão na extremidade da fita tardia do cromossomo se dá por replicação incompleta do cromossomo (veja a figura acima). O excedente da extremidade da fita líder do cromossomo é na verdade gerada por enzimas que cortam parte do DNA$^1$start superscript, 1, end superscript.

Em algumas espécies (incluindo humanos), os excedentes de fita simples se ligam a repetições complementares do DNA fita dupla adjacente, fazendo com que as extremidades dos telômeros formem alças protetoras$^3$cubed. Proteínas associadas às extremidades dos telômeros também ajudam a protegê-los e os impedem de desencadear vias de reparação de DNA.

As repetições que formam os telômeros são consumidas lentamente ao longo dos vários ciclos de divisão, estabelecendo uma barreira que protege as regiões internas dos cromossomos que contêm os genes (ao menos por certo tempo). O encurtamento de telômeros foi relacionado ao envelhecimento de células e a perda progressiva dos telômeros pode explicar a razão pela qual as células somente podem se dividir um determinado número de vezes.$^4$start superscript, 4, end superscript.

Algumas células têm a capacidade de reverter o encurtamento dos telômeros através da expressão da telomerase, uma enzima que estende os telômeros dos cromossomos. A telomerase é uma DNA polimerase RNA dependente, ou seja, uma enzima que pode produzir DNA usando o RNA como molde.

Como funciona a telomerase? A enzima se liga a uma molécula especial de RNA que contém uma sequência complementar à repetição do telômero. Ela prolonga (adiciona nucleotídeos) a extensão da fita do DNA do telômero usando um RNA como molde. Quando a extensão está longa o suficiente, pode-se fazer uma fita complementar através do mecanismo comum de replicação de DNA (isto é, usando um RNA primer e DNA polimerase), produzindo uma fita dupla de DNA.

O primer pode não estar posicionado corretamente no fina do cromossomo e não pode ser substituído por DNA, então ainda haverá uma saliência. Entretanto, o comprimento geral do telômero será maior.

A telomerase não é geralmente ativa na maioria das células somáticas (células do corpo), mas é ativa nas células germinativas (as células que constituem o esperma e o óvulo) e em algumas células-tronco adultas. Esses são tipos celulares que precisam passar por diversas divisões ou, no caso das células germinativas, dar origem a um novo organismo com o seu relógio telomérico de "recomeçar"$^5$start superscript, 5, end superscript.

Interessantemente, muitas células cancerígenas têm telômeros mais curtos e a telomerase é ativa nessas células. Se a telomerase pudesse ser inibida por drogas como parte da terapia contra o câncer, a sua divisão excessiva (e, assim, o crescimento do tumor cancerígeno) poderia ser potencialmente parado.