telomerasa – Fuente de la Eterna Juventud

Premio Nacional de Investigación para los Telómeros

mblasco — La investigadora Maria Antonia Blasco Marhuenda

El pasado 14 de Julio se hacía pública la concesión de los Premios Nacionales de Investigación, los de mayor prestigio a nivel nacional de cuantos se conceden. Dentro de la categoría de Investigación en Biología, que reciben el nombre de “Santiago Ramón y Cajal”, la investigadora María Antonia Blasco Marhuenda (página oficial del CNIO con su biografía), fue la galardonada con dicha distinción, por sus aportaciones al campo de los telómeros y la enzima telomerasa.

El texto de la notificación oficial del ministerio de ciencia (MICINN) dice así:

“María A. Blasco Marhuenda, por sus aportaciones pioneras a la biología de los telómeros, como sus trabajos con ratones transgénicos demostrando la importancia de la telomerasa, el descubrimiento del papel de las modificaciones epigenéticas y del RNA telomérico, así como el papel de los telómeros en la movilización de las células madre y en el envejecimiento celular.”

telomeros — Telómeros (en amarillo) en los extremos de los cromosomas (en azul)

En entradas anteriores de este mismo blog ya comentamos ¿Qué son los Telómeros? y la relación entre Los telómeros y la senescencia celular (no estaría mal aprovechar la ocasión para repasar esas entradas si no lo has hecho ya). En ellas repasábamos, desde una perspectiva histórica, cómo se llegó al descubrimiento de los telómeros (del griego telos: final y meros: parte) como estructuras que protegen los extremos de los cromosomas, y cuál es su papel determinando el límite proliferativo de las células, en lo que se conoce como senescencia celular.

watson-olovniokov — James Watson (izq) y Alexei Olovnikov (der)

Comenzando con los estudios pioneros de Hermann Müller (premio Nobel en 1945) y de Barbara McClintock (también premio Nobel en 1983) describiendo por primera vez estas estructuras especializadas en los extremos de los cromosomas; pasando por el planteamiento del problema de la replicación terminal, el problema biológico que plantea el proceso de replicación al llegar al extremo de los cromosomas en cada ronda de duplicación de la información genética, planteado por James Watson y Alexei Olovnikov; y culminando en los trabajos definitivos realizados por los laboratorios de Liz Blackburn, Jack W. Szostak y Carol W. Greider, en los que se describieron los telómeros como hileras de secuencias de ADN repetidas a las que se asocian proteínas para formar una estructura que confiere estabilidad al cromosoma, y que ven su longitud acortada tras cada ronda de replicación si no son restaurados por la enzima telomerasa, un complejo de proteína y ARN molde del que copiar la secuencia a añadir a ellos; el campo de los telómeros y de la telomerasa ha demostrado su enorme importancia en campos tan relevantes (y relacionados) como el envejecimiento y el cáncer. Los descubrimientos de Blackburn, Szostak y Greider, les valieron recientemente el premio Nobel en medicina o fisiología.

María Antonia Blasco es alicantina y culminó sus estudios universitarios de biología en 1989 en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en donde se unió al laboratorio dirigido por la Dra Margarita Salas, una de las pioneras de la investigación en biología molecular de España, en el Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa” (CBMSO), centro mixto CSIC-UAM, para realizar su tesis doctoral trabajando con la ADN polimerasa del fago Phi29, grado que obtuvo en 1993. Posteriormente y hasta 1996, Maria Antonia se desplazó al laboratorio dirigido por Carol W. Greider (que acabamos de mencionar) en Cold Spring Harbor (CSHL), Nueva York, en donde entró en contacto con el mundo de los telómeros, realizando contribuciones fundamentales, como la generación de modelos animales deficientes en actividad telomerasa. A su vuelta a España en 1997, se establece en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB), en donde pasa a dirigir su propio grupo dentro del Departamento de Inmunología y Oncología, dirigido por aquel entonces por Carlos Martínez, casualmente otro de los galardonados este año con el Premio Nacional de Investigación en Medicina. Su investigación desde entonces ha girado siempre entorno al mundo de los telómeros y la enzima telomerasa, primero en su laboratorio del CNB y posteriormente, tras su mudanza en el 2003, en el laboratorio que dirige en la actualidad en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO). En dicho centro es además directora del programa de investigación en Oncología Molecular y es una de los dos vicedirectores científicos del centro.

Sus contribuciones científicas desde el CNIO han sido numerosas y de gran impacto, destacando entre muchas otras, por ejemplo en los últimos cinco años:

– La demostración del papel de la telomerasa y de la longitud telomérica en la biología de las células madre adultas (Science. 2005; 309(5738):1253-6. PMID: 16037417).

– La transcripción de ARNs derivados de los telómeros con un papel importante en la biología de los mismos (Nat Cell Biol. 2008; 10(2):228-36. PMID: 18157120).

– La generación de un modelo de ratón triple transgénico, en el que la expresión de la telomerasa permite un considerable aumento de la longevidad (Cell. 2008; 135(4):609-22. PMID: 19013273).

– El papel de los telómeros y la regulación de su biología en el proceso de reprogramación celular a iPS (Cell Stem Cell. 2009; 4(2):141-54. PMID: 19200803; y Nature. 2009; 460(7259):1149-53. PMID: 19668189).

El trabajo desarrollado por María Blasco le ha valido numerosos e importantes reconocimientos, como son: el premio Echevarne en oncología (1999); el premio aniversario FEBS (2000); el Swiss Bridge Award de investigación del cáncer (2000); el de la SEBBM Beckman/Coulter (2002); el investigador joven de la EACR, el de la ELSO, y el de la revista Carcinogenesis; el “Universalia”; el Josef Steiner en investigación del cáncer (2004); la medalla de oro de la EMBO (2006); el “Carmen y Severo Ochoa” en biología molecular; el “Rey Jaime I” de investigación básica (2008); el Körber European Science Award; el “Alberto Sols” de ciencias de la salud, etc, etc, etc. Además, fue elegida miembro (o miembra) EMBO, Líder joven del foro mundial, de la Academia Europaea, forma parte del comité editorial de numerosas revistas científicas y en comités científicos y consejos consultivos de distintas instituciones.

A toda esta larga lista de premios y honores se une ahora este Nacional de Investigación “Santiago Ramón y Cajal” que se concede cada dos años y que ha premiado en anteriores convocatorias a científicos de la talla de Ginés Morata (2002), Jesús Ávila (2004), Joan Modolell (2006) y Carlos López-Otín (2008). Para algunos, María Blasco era ya, incluso, merecedora del Premio Nobel y fue una injusticia no habérselo otorgado junto a Elizabeth H. Blackburn, Jack W. Szostak y Carol W. Greider en el 2009. En nuestra opinión un grave error de juicio, confundiendo una exitosa trayectoria científica de indudable valor, con el premio a la originalidad y la visión pionera de los que abrieron con sus descubrimientos nuevos campos de investigación y permitieron el avance de la ciencia con pasos clave en el saber científico.

Mariano Barbacid

Actualización: Según aparecía ayer en el diario Público, y apuntando a fuentes del propio ministerio de ciencia, este premio había sido otorgado en primera estancia al director en funciones del CNIO, Mariano Barbacid, quien renunció a él «para no generar envidias». Tras su rechazo, el premio habría ido a parar a la investigadora María Blasco. Sorprendente noticia, además de fácilmente comprobable falsa, puesto que Mariano Barbacid ya fue premiado anteriormente con este premio en la convocatoria del año 1983, cuando los premios tenían otro nombre y existían menos categorías por especialidad.

Los telómeros y la senescencia celular

En una entrada anterior, veíamos cómo se llegó al descubrimiento de la estructura molecular de los telómeros, fundamentalmente por Liz Blackburn cuando trabajaba en el laboratorio de John Gall.

Ya en 1984, en el laboratorio que dirigía Elizabeth Blackburn en la Universidad de California en Berkeley, Carol Greider, entonces estudiante de doctorado recién llegada al laboratorio en Abril de ese año, acometió el excitante proyecto que le encargó Liz Blackburn de identificar y aislar la enzima responsable de añadir esas repeticiones en los extremos de los cromosomas. El día de Navidad de ese mismo año Carol Greider obtuvo los primeros resultados positivos en la identificación y aislamiento de esta actividad. En Diciembre del año siguiente, 1985, aparecía publicado en la revista Cell la descripción de esta enzima, que denominaron transferasa terminal del telómero, y que inmediatamente pasó a ser conocida como telomerasa. Esta enzima es una polimerasa particular, puesto que posee un componente proteico, en donde reside la actividad polimerasa, y un componente de ARN que sirve de molde a la enzima para sintetizar esas repeticiones características del telómero. La telomerasa es la enzima responable de la integridad del telómero de organismos simples como Tetrahymena y la levadura, ya permite su división celular continua sin pérdida de secuencias teloméricas. En las células de la línea germinal, que como vimos anteriormente pueden ser consideradas células inmortales, también existe actividad telomerasa detectable que garantiza la integridad de los telómeros en los cromosomas inmortales que viajarán de generación en generación a lo largo de la evolución. Sin embargo, las células somáticas que se derivan de las germinales carecen de actividad detectable telomerasa lo que supone que sus telómeros deberían estar expuestos a los efectos del problema de la replicación terminal. De hecho así es, y cuando se compara la longitud telomérica de células de la línea germinal y de células somáticas de un mismo individuo, estas últimas presentan telómeros más cortos debido a la incapacidad para reponer las secuencias que se van perdiendo de división en división celular.

: Calvin Harley

En 1990, una vez que Carol Greider había conseguido una posición independiente en los laboratorios de Cold Spring Harbor en Nueva York, comenzó a colaborar con Calvin Harley de la Universidad McMaster en Ontario, Canada. Harley tenía un gran interés en definir cómo se producía el control del número de divisiones celulares y en identificar el reloj biológico que marca a la célula el momento de cesar en su capacidad de proliferación. La unión del conocimiento de Calvin Harley y la experiencia en el campo de los telómeros de Carol Greider fructificó en la descripción del acortamiento telomérico debido a las sucesivas rondas de división celular, conectando así la senescencia celular descrita por Hayflick con los telómeros como mecanismo molecular capaz de detectar el número de divisiones celulares. Más aún, cuando se examinaron los telómeros de células de la piel de donantes jóvenes y viejos, se observó una perfecta correlación entre la longitud de los mismos y la edad del individuo de procedencia, estableciendo el acortamiento telomérico como un fenómeno natural asociado al envejecimiento más allá de la observación hecha en células en cultivo. Tras esta productiva colaboración con Carol Greider, Calvin Harley decidió dejar el mundo académico de la ciencia y pasarse al lado comercial y por ello, en 1993, entró a formar parte de la recién creada compañía de biotecnología Geron de Menlo Park en California (de donde se ha retirado como CEO en Septiembre del año 2009), cuyo principal interés está centrado en desarrollar estrategias de prolongación de la vida fundamentalmente basadas en manipular la actividad telomerasa y mantener nuestros telómeros largos. Este acercamiento al mundo de la ciencia empresarial de Harley terminó por distanciar a ambos, debido a la incomodidad que sentía Carol Greider estando en el foco de la atención pública, foco atraído la mayoría de las veces por pronunciamientos un tanto exagerados de su compañero para reforzar la posición en el mercado de su compañía.

Recurriendo de nuevo al símil de los cordones de los zapatos, las sucesivas divisiones celulares, debido al problema de la replicación terminal de Olovnikov ya enunciado antes, van erosionando los telómeros durante el envejecimiento del mismo modo que el uso va desgastando la protección de plástico que rodea el final de cada cordón. Llegado un punto en el que se pierde esa capacidad protectora, los cordones quedan expuestos y se deshilachan.

¿Qué son los telómeros?

Los estudios pioneros de Hermann Müller (premio Nobel en 1945) trabajando con la mosca del vinagre, Drosophila melanogaster, y de Barbara McClintock (también premio Nobel en 1983) estudiando el maíz, Zea mays, habían concluído que los extremos de los cromosomas poseen unas estructuras especiales denominadas telómeros (del griego telos: final y meros: parte). Estas estructuras representarían una protección fundamental para que los cromosomas no resulten fusionados por la maquinaria de reparación de la célula ya que permiten distinguir estos extremos de cualquier otra rotura en el ADN celular que debe ser reparada y vuelta a fusionar. En muchas ocasiones se ha empleado el símil de los extremos de los cordones de los zapatos para referirse a la función de los telómeros que estarían, al igual que las fundas plásticas que se usan para proteger el extremo de los cordones, protegiendo la integridad de los cromosomas.

Para poder entender el papel de los telómeros y de la enzima telomerasa en el envejecimiento hay que repasar las nociones básicas de replicación del ADN, el material genético que contiene toda la información necesaria para la vida. En 1953, James Watson y Francis Crick, que junto a Maurice Wilkins recibieron el premio Nobel en el año 1962, habían descrito la estructura de doble hélice del ADN en una publicación histórica (y sorprendentemente corta de 1 página que se puede leer aquí) en la revista Nature. El modelo de estructura del ADN establece que dos cadenas de nucleótidos se enfrentan de manera complementaria (timina con adenina y guanina con citosina) y se retuercen a modo de hélice que gira hacia la derecha. Por tanto, tenemos dos hebras que discurren en paralelo y que son copia complementaria la una de la otra. Cuando una célula se dispone a dividirse en dos células hijas inicia el proceso de replicación del ADN con el objetivo de fabricar una copia fiel de cada una de las hebras. De esta delicada función celular se encarga la enzima ADN polimerasa. Debido a la extraordinaria longitud del ADN y a que el proceso de replicación debe realizarse en un tiempo razonable, el trabajo es realizado por varias moléculas de ADN polimerasa al mismo tiempo, cada una de ellas encargada de una región de la hebra.

replicacion — Replicación del ADN. La síntesis de la cadena retrasada se realiza en fragmentos a partir de "cebadores" que posteriormente se eliminan.

El primer paso de la replicación es la separación de las dos hebras de manera que su interior sea accesible a la polimerasa. La actividad de la enzima le permite leer el nucleótido a copiar a partir de la cadena original que actúa como molde, seleccionarlo e incorporarlo a la cadena hija. Sin embargo, la ADN polimerasa sólo es capaz de funcionar en una dirección (un argumento más en contra de los defensores del diseño «inteligente«), por lo que una de las cadenas se sintetiza de manera continua según se va abriendo la doble hélice, mientras que la otra depende de la actividad de la síntesis de una pequeña cadena de ARN que sirva de “cebador” a partir del cual añadir los nuevos nucleótidos. Posteriormente estas cadenas “cebadoras” son eliminadas y sustituidas por nucleótidos de ADN. Este proceso es posible a lo largo de la longitud de toda la hebra de ADN, a excepción de los extremos, puesto que cuando el último cebador sea eliminado, la ADN polimerasa no será capaz de rellenar ese hueco debido a su incapacidad de funcionar en los dos sentidos. De manera que nos encontramos con un proceso de copia del ADN, la molécula esencial para la célula que contiene toda la información, que producirá dos nuevas moléculas formadas por una cadena parental y una hija, que va dejando de copiar un pequeño fragmento en el extremo en cada ronda de replicación. Sin duda no parece un proceso demasiado eficiente, puesto que tras varias divisiones celulares, las células hijas estarán recibiendo moléculas de ADN más cortas de lo original.

James Watson, en el año 1972, mientras se encontraba preparando una clase de bioquímica en la universidad de Harvard, reflexionó sobre este problema al darse cuenta de que un tipo de virus que infecta a bacterias denominado bacteriófago T7, une de manera consecutiva varias moléculas de ADN antes de iniciar su replicación para, de esta manera, minimizar la pérdida de secuencias que supone el problema de replicación de los extremos. Al mismo tiempo, y muy lejos de allí, Alexei Olovnikov en el Instituto Gamelaya de la entonces República Soviética, se encontraba también reflexionando sobre las particularidades del ADN y el proceso de replicación mientras esperaba el tren. Se dio cuenta entonces que si la máquina del tren es la ADN polimerasa que avanza sobre las vías del ADN, el trozo de vía sobre el que descansa la máquina al iniciar su marcha no puede ser replicado.

El problema de la replicación final de Watson y el problema de la replicación inicial de Olovnikov confluyen en la idea de que cada división celular conlleva una pérdida de secuencias del ADN que, sin duda, no es aceptable para la integridad de la información genética contenida en el ADN. Olovnikov conocía los trabajos de Len Hayflick describiendo el proceso de senescencia celular y esto le llevó a publicar un artículo teórico en el año 1973 en el que proponía que este acortamiento de las hebras de ADN en cada ronda de replicación y división celular podía ser la base del proceso descrito por Hayflick. De alguna manera, teorizaba Olovnikov, la célula “siente” esa pérdida de ADN como algo incompatible con la supervivencia celular.

Sin embargo, esto no es del todo exacto, puesto que los extremos de los cromosomas en los que se organizan las hebras de ADN se encuentran protegidos para evitar esas pérdidas de secuencias que no podrían ser asumibles. En el año 1978, Elizabeth H. Blackburn, trabajando en el laboratorio de John Gall en Yale, describió que los extremos del único cromosoma lineal del protozoo ciliado Tetrahymena, están formados de secuencias simples repetidas. Además pronto fue evidente que lo mismo ocurría en muchos otros organismos que fueron examinados y la comparación de las secuencias identificadas en todos ellos mostró un alto grado de similitud entre organismos muy diversos, por lo que este fenómeno debía de representar un mecanismo conservado en la evolución para mantener intactos estos extremos. De hecho, un experimento clave para demostrar que estas secuencias están conservadas y son capaces de funcionar incluso en distintas especies fue el realizado por Jack W. Szostak de la Harvard Medical School, usando las secuencias identificadas por Liz Blackburn. Zsostak estaba intentando generar cromosomas artificiales de levadura (YACs) y todos sus intentos fracasaban porque sus YACs eran inestables. Cuando añadió las secuencias repetidas de telómero derivadas de Tetrahymena, sus YACs funcionaron. Además, tras un periodo dentro de la levadura, estos YACs poseían telómeros aún más largos, lo que implicaba que debía existir una actividad enzimática capaz de añadir más secuencias repetidas a los telómeros, alargándolos. Esta actividad enzimática sería más tarde identificada y aislada, y se conoce por el nombre de telomerasa. En su descubrimiento tuvo un papel fundamental Carol W. Greider; pero esta historia formará parte de otra entrada de este blog.

Recientemente, en el año 2009, Elizabeth H. Blackburn, Jack W. Szostak y Carol W. Greider fueron galardonados con el premio Nobel por su descripción molecular de los telómeros y la identificación de la telomerasa, lo que ha permitido el entendimiento de la maquinaria molecular encargada de preservar la integridad de los extremos de los cromosomas y ha dibujado un modelo que nos permite entender el papel que estas estructuras juegan en la resolución del problema de la replicación terminal. Todos estos descubrimientos tienen enorme relevancia en nuestra visión del proceso de envejecimiento a nivel molecular, así como en la biología del cáncer, como veremos en otro momento.