Tras un número finito de divisiones, las células simplemente se rinden.

A medida que cada ronda de replicación recorta sus telómeros —las capas protectoras de los extremos de los cromosomas—, estas capas acaban siendo demasiado cortas para evitar que los extremos de los cromosomas se reconozcan como roturas de ADN.

Como resultado, las células se detienen de forma permanente, un fenómeno conocido como senescencia replicativa.

Este límite dependiente de los telómeros para la división celular evita que los clones cancerosos tempranos progresen a cánceres francos y constituye una poderosa vía supresora de tumores.

Ahora, un nuevo estudio publicado en Molecular Cell demuestra que la senescencia replicativa depende por completo de la quinasa ATM, una proteína de señalización que responde a las roturas del ADN y es crucial para mantener la estabilidad genómica.

Los nuevos hallazgos también abordan la vieja pregunta de por qué las células dejan de dividirse antes en las condiciones de alto nivel de oxígeno que se utilizan en los laboratorios, en comparación con cuando se cultivan en las condiciones de bajo nivel de oxígeno del cuerpo humano.

Los investigadores descubrieron que, cuando los niveles de oxígeno son altos, la ATM se vuelve hiperactiva, respondiendo enérgicamente a las roturas del ADN y reduciendo la tolerancia de la célula a los telómeros cortos.

«Nuestros resultados han esclarecido el mecanismo que subyace al envejecimiento de las células humanas a través de la senescencia replicativa», afirma Titia de Lange, directora del Laboratorio de Biología Celular y Genética.

«Estos conocimientos son fundamentales para comprender cómo esta vía de supresión tumoral previene el cáncer».

Crear las condiciones adecuadas

Al detener el crecimiento de las células con telómeros comprometidos, la senescencia replicativa evita que los cánceres en fase inicial continúen dividiéndose.

La detención se activa cuando los telómeros se acortan tanto que ya no pueden reclutar suficiente TRF2, una proteína shelterina que mantiene los telómeros protegidos.

Cuando no hay suficiente TRF2, los telómeros se asemejan a una rotura del ADN, lo que activa la cascada de eventos que detiene la división celular.

«La senescencia replicativa es una vía supresora de tumores muy eficaz», afirma de Lange.

«Lo sabemos por los pacientes con telómeros largos en los que este sistema no funciona correctamente. Estos pacientes pueden padecer hasta cinco tipos diferentes de cáncer antes de los 70 años, lo que indica que, en personas con telómeros de longitud normal, la vía supresora de tumores de los telómeros previene muchos tipos de cáncer».

A pesar de la importancia de este programa de prevención del cáncer, seguían sin respuesta una serie de preguntas de larga data sobre la senescencia replicativa.

No estaba claro qué vía de señalización del daño en el ADN mediaba realmente la detención de la división celular —los estudios apuntaban a que tanto la ATM como la ATR podrían estar involucradas— y una pregunta aún mayor rodeaba el papel del oxígeno.

Durante décadas, los investigadores observaron que las células cultivadas en condiciones de laboratorio estándar, con aproximadamente un 20 % de oxígeno, alcanzaban la senescencia mucho antes que las células cultivadas con niveles de oxígeno mucho más bajos, entre el 1 y el 8 %, como los que se encuentran en el cuerpo.

Sin embargo, la explicación principal, según la cual un alto nivel de oxígeno acelera la erosión de los telómeros, había sido descartada, sin dejar una respuesta satisfactoria sobre cómo los niveles de oxígeno modulaban el envejecimiento celular.

Para comprender por qué los altos niveles de oxígeno aceleran el envejecimiento celular, de Lange y sus colegas hicieron un seguimiento de la senescencia en fibroblastos humanos primarios cultivados con un 3 % o un 20 % de oxígeno.

Cultivar células en condiciones de bajo oxígeno no fue una tarea fácil.

Trabajar con un 3 % de oxígeno significaba que incluso las tareas ordinarias —mover placas, lisar células o añadir reactivos— debían realizarse con rapidez y cuidado para que las células no quedaran expuestas al oxígeno atmosférico.

«Cada vez que las células o los reactivos se encuentran fuera de la incubadora especial con bajo nivel de oxígeno, quedan expuestos a un 20 % de oxígeno, lo que puede cambiar el entorno molecular en cuestión de minutos», afirma Alexander Stuart, antiguo estudiante de posgrado del laboratorio de De Lange que ahora ocupa un puesto de posdoctorado en Harvard.

«Eso significa que a menudo hay que correr para realizar todos los pasos del protocolo estándar con extrema rapidez, de modo que las muestras puedan mantenerse con el menor nivel de oxígeno posible».

Stuart determinó primero que el ATM por sí solo impone la senescencia tanto al 3 % como al 20 % de oxígeno.

La inhibición del ATM (o la sobreexpresión de TRF2) permitió que las células crecieran más allá de su fecha de caducidad habitual, y el bloqueo de la señalización del ATM en las células detenidas las devolvió a la vida, lo que demostró que la detención es reversible y depende totalmente del ATM.

El impacto del oxígeno elevado

Stuart y de Lange descubrieron entonces que el oxígeno elevado acelera el envejecimiento celular porque crea una forma hiperactiva de ATM.

Trabajos posteriores revelaron que la diferencia de vida útil entre las células cultivadas con oxígeno bajo y alto refleja la capacidad de las células para tolerar telómeros muy cortos.

Con un 3 % de oxígeno, las células pueden seguir dividiéndose incluso después de que muchos de sus telómeros se hayan acortado extremadamente; solo se detienen cuando se trasladan a un 20 % de oxígeno, donde el ATM se vuelve tan reactivo que trata esos telómeros cortos como un daño urgente en el ADN y obliga a las células a entrar en senescencia.

«No creo que el bajo nivel de oxígeno prolongue la vida útil de las células humanas, ese es el estado fisiológico de nuestros cuerpos. Más bien, la pregunta era: ¿por qué las condiciones de alto nivel de oxígeno acortan la vida útil celular? Entonces, se podría ampliar esa pregunta: ¿por qué las condiciones de alto nivel de oxígeno no son sistemas precisos para estudiar la senescencia?», dice Stuart.

«Ahora hemos demostrado que el alto nivel de oxígeno representa una configuración hiperactiva de la ATM, lo que conduce a menos divisiones de las que las células experimentarían naturalmente».

Stuart y de Lange rastrearon el efecto del oxígeno en el ATM hasta unas moléculas conocidas como especies reactivas del oxígeno (ROS), que, contrariamente a lo que cabría esperar, son más prominentes en condiciones de bajo nivel de oxígeno.

Las ROS provocaban que las moléculas de ATM se unieran a través de puentes químicos llamados enlaces disulfuro, creando dímeros que no pueden responder a las roturas del ADN o a los telómeros marchitos.

Con la ayuda de Ekaterina V. Vinogradova, directora del Laboratorio de Inmunología Química y Proteómica de Rockefeller, identificaron en qué parte del ATM se forman estos enlaces disulfuro y demostraron que uno de ellos es necesario para la regulación del ATM por el oxígeno.

En conjunto, los hallazgos confirman que la vía de senescencia replicativa está controlada íntegramente por la ATM y que esta se comporta de forma muy diferente en condiciones de alto nivel de oxígeno.

Los resultados pueden tener implicaciones inmediatas para los científicos que estudian la respuesta al daño del ADN en el laboratorio.

«Estudiar eso en células humanas cultivadas con un 20 % de oxígeno significa que, básicamente, se está estudiando la quinasa ATM en condiciones hiperactivas», afirma de Lange.

«No estamos diciendo que todo el mundo deba pasar a trabajar con bajos niveles de oxígeno, porque es muy difícil de hacer, pero puede ser una buena idea verificar que lo que se observa al 20 % también se mantiene al 3 % de oxígeno».

Mientras tanto, los hallazgos de De Lange también tienen implicaciones para las enfermedades humanas.

La mayoría de los tumores experimentan niveles de oxígeno que suprimen la actividad de la ATM, lo que permite a las células cancerosas tolerar telómeros excepcionalmente cortos que, de otro modo, serían insoportables.

Las terapias centradas en restaurar la función de la ATM en estos entornos podrían forzar a las células malignas vulnerables a detener su crecimiento.

«El acortamiento de los telómeros representa un programa de prevención del cáncer muy importante», afirma de Lange.

«Las preguntas sobre cómo funciona este sistema han sido el centro del trabajo de mi laboratorio durante años, y seguiremos profundizando en esta vía».

Artículo: La atenuación de la señalización de la ATM por las ROS retrasa la senescencia replicativa en condiciones fisiológicas de oxígeno

Fuente: Universidad Rockefeller