Un modello ad alta risoluzione per capire l'invecchiamento. A high resolution model to understand aging.

Un modello ad alta risoluzione per capire l'invecchiamento. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione. / A high resolution model to understand aging. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Illustrazione del nuovo modello di telomerasi (Credit: Thi Hoang Duong Nguyen, Jane Tam, Robert A. Wu, Basil J. Greber, Daniel Toso, Eva Nogales, Kathleen Collins and InMotionScience) / Illustration of the new telomerase model

Grazie a una sofisticata tecnica di microscopia elettronica, un gruppo di ricerca dell'Università della California ha ottenuto un modello molto dettagliato della struttura della telomerasi umana, un enzima fondamentale per la corretta replicazione del DNA. Il risultato è importante per comprendere meglio i processi d'invecchiamento e l'origine di molte patologie, tra cui i tumori.

Potrebbe aprire nuove prospettive terapeutiche per molte patologie, compresi i tumori, e garantire una migliore comprensione dei processi d’invecchiamento il risultato pubblicato su “Nature” da Thi Hoang Duong Nguyen e colleghi dell’Università della California a Berkeley. Il loro studio ha infatti svelato, con un dettaglio senza precedenti, la struttura della telomerasi umana, un enzima fondamentale per il corretto svolgimento dei processi di duplicazione del DNA.

Schema della struttura dei telomeri (in rosso) sulla parte terminale di un cromosoma, e della telomerasi (in verde, a destra) (Credit: Thi Hoang Duong Nguyen, Jane Tam, Robert A. Wu, Basil J. Greber, Daniel Toso, Eva Nogales, Kathleen Collins and InMotionScience) / Diagram of the telomere structure (in red) on the terminal part of a chromosome, and of the telomerase (in green, on the right)

Durante la duplicazione, il DNA degli organismi eucarioti - piante, animali e funghi – si organizza in strutture discrete, i cromosomi. Nella parte terminale, i cromosomi sono ricoperti da strutture protettive chiamate telomeri, che "chiudono" il cromosoma (l'analogia più frequente è con i pezzetti di plastica alla fine delle stringhe delle scarpe), riducendosi un po' a ogni nuova divisione cellulare. In pratica, la funzione dei telomeri è di tenere sotto controllo la senescenza delle cellule, marcando il tempo che rimane prima che smettano di replicarsi, ragion per cui sono studiatissimi dai ricercatori che si occupano dei processi di invecchiamento.

Per la formazione e il mantenimento dei telomeri è fondamentale l’azione di un enzima, la telomerasi. Classificata come enzima ribonucleoproteico, o RNP, è formata da due subunità: una parte di RNA non codificante (TR), e una parte proteica, la telomerasi trascrittasi inversa (TERT). Sostanzialmente, mantiene i telomeri aggiungendo ripetizioni di sequenze di DNA semplici alle estremità dei cromosomi lineari, con compiti ben definiti per le due subunità: la TERT catalizza la reazione di sintesi delle sequenze, mentre una piccola porzione di TR fa da modello per le ripetizioni.

Sulla telomerasi si concentrano le attenzioni di 

buona parte della ricerca biomedica. Una mutazione genetica in grado di compromettere la funzione della telomerasi può infatti causare gravi disturbi, caratterizzati dal deterioramento dei tessuti proliferativi. Al contrario, l'aumentata espressione di telomerasi supporta la crescita cellulare incontrollata nella maggior parte dei tumori umani.

Finora si era riusciti a comprendere l’origine di queste patologie, ma non a sviluppare delle terapie specifiche, anche perché mancava una comprensione approfondita della struttura e dell'organizzazione della telomerasi.

Nguyen e collaboratori hanno utilizzato una tecnica di microscopia crioelettronica, che studia proteine tenute a temperature bassissime in una soluzione, "illuminate" da un fascio di elettroni. La risoluzione raggiunta dallo strumento è tre volte maggiore di quella utilizzata in precedenza per lo stesso tipo di analisi, e ha permesso di distinguere le parti che costituiscono le porzioni più dense della struttura della telomerasi. Il risultato è una visione senza precedenti di come è organizzato il complesso enzimatico quando è legato al DNA.

Il modello della telomerasi che ne emerge è a due lobi, in accordo con quanto concluso dalle precedenti analisi a bassa risoluzione. Ma gli autori propongono un’ipotesi completamente nuova della disposizione delle subunità nei lobi, evidenziando inoltre che la molecola di RNA è più lunga del previsto e ha anche una funzione di sostegno.

Si tratta di un successo importante, che ora potrebbe aprire la strada a nuove e ancora più approfondite analisi, L’obiettivo è arrivare a un modello con risoluzione atomica dell’enzima nei suoi vari stati funzionali da cui partire, si spera, per lo sviluppo di applicazioni cliniche.

ENGLISH

Thanks to a sophisticated technique of electron microscopy, a research group at the University of California has obtained a very detailed model of the structure of human telomerase, a fundamental enzyme for the correct replication of DNA. The result is important for better understanding the aging processes and the origin of many diseases, including tumors.

It could open new therapeutic perspectives for many diseases, including tumors, and ensure a better understanding of aging processes the result published in "Nature" by Thi Hoang Duong Nguyen and colleagues of the University of California at Berkeley. In fact, their study has unveiled, with an unprecedented detail, the structure of human telomerase, a fundamental enzyme for the correct performance of DNA duplication processes.

During the duplication, the DNA of eukaryotic organisms - plants, animals and fungi - is organized into discrete structures, the chromosomes. In the terminal part, the chromosomes are covered by protective structures called telomeres, which "close" the chromosome (the most frequent analogy is with the small pieces of plastic at the end of the shoe strings), reducing a little to each new cell division. In practice, the function of telomeres is to control the senescence of cells, marking the time that remains before they stop replicating, which is why they are studied by researchers who deal with the aging process.

For the formation and maintenance of telomeres, the action of an enzyme, the telomerase, is fundamental. Classified as a ribonucleoprotein enzyme, or RNP, is formed by two subunits: a part of non-coding RNA (TR), and a protein part, the reverse transcriptase telomerase (TERT). Basically, it maintains telomeres by adding repetitions of simple DNA sequences to the ends of linear chromosomes, with well-defined tasks for the two subunits: TERT catalyzes the synthesis reaction of the sequences, while a small portion of TR serves as a model for repetitions.

The attention of a large part of biomedical research is concentrated on telomerase. A genetic mutation capable of compromising the function of telomerase can indeed cause serious disorders, characterized by the deterioration of proliferative tissues. In contrast, the increased expression of telomerase supports uncontrolled cell growth in most human cancers.

Until now, the origin of these diseases has been understood, but not the development of specific therapies, also because there was a lack of in-depth understanding of the structure and organization of telomerase.

Nguyen and collaborators used a cryoelectronic microscopy technique, which studies proteins kept at very low temperatures in a solution, "illuminated" by an electron beam. The resolution reached by the instrument is three times greater than that used previously for the same type of analysis, and has allowed to distinguish the parts that make up the denser portions of the telomerase structure. The result is an unprecedented view of how the enzyme complex is organized when it is bound to DNA.

The model of the telomerase that emerges is two-lobes, in accordance with the conclusion of the previous low-resolution analyzes. But the authors propose a completely new hypothesis of the arrangement of subunits in the lobes, further highlighting that the RNA molecule is longer than expected and also has a supporting function.

This is an important success, which now could pave the way for new and even more in-depth analyzes. The goal is to arrive at a model with atomic resolution of the enzyme in its various functional states from which it is hoped for development. of clinical applications.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/04/26/news/struttura_telomerasi_umana_svelata-3956515/?ref=nl-Le-Scienze_27-04-2018