sabadell universitat www.sabadelluniversitat.org ESTIU 2006 S10. II Simposi sobre Fertilitat Femenina i Masculina: Genètica i Ambient Sabadell, 7 de juliol PAPEL DE LOS TELÓMEROS Y LAS PROTEINAS TELOMÉRICAS EN LA ESTABILIDAD CROMOSÓMICA: IMPLICACIONES EN LA FERTILIDAD Purificación Muñoz, Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas de Madrid
Papel de los telómeros y proteínas teloméricas en la estabilidad cromosómica: implicaciones en la fertilidad Grupo Telómeros y Telomerasa P. Muñoz M. A. Blasco CNIO II Simposio sobre infertilidad femenina y masculina: Genética y ambiente
mammalian telomeres and telomerase # telomeres protect chromosome ends from the DNA repair machinery telomeres telomeric proteins G-strand overhang 3 TTAGGG TTAGGG AATCCC AATCCC ~ 10 Kb human ~ 40 Kb mouse
Detección de telomeros en metafases de ratón mediante análisis de Q-FISH
the end-replication problem 3 3 dsdna (chromosome) DNA replication telomeres 3 3 Loss of DNA sequences at the end 3 telomeres Loss of genetic material with every cell division
telomerase synthesizes telomeres Telomerase is a ribonucleoprotein... Tert Terc DKC1 RNA template reverse-transcriptase component (Tert) Telomerase RNA component (Terc) How does telomerase work? Telomere polymerization telomere 5 3 3 template
telomeres in aging and cancer telomere length germ cells somatic tissues primary cells premature aging sydromes (werner, AT, DC) tumors immortal cells null or not sufficient cancer aging Cell divisions or aging
the telomerase KO mouse: a model of telomere dysfunction by TTAGGG loss telomere length loss of cell viability generation number disease-free G3-G5 telomere loss leads to end-to-end fusions
premature aging of the telomerase KO mouse % survival 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 C57BL6 Wt 34 G1 35 G2 112 G3 80 G4 9 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 age, months infertility small size defects in highly proliferative tissues cardiac myocyte loss and heart failure stem cell decreased proliferation reduced viability with age proliferative defects increased apoptosis p53 Herrera et al., EMBO J. (1999a, 1999b, 2000); Samper et al., Blood (2002); Leri et al., EMBO J. (2003)
short telomeres are a tumor suppressor mechanism # short telomeres are potent tumor suppressors & provoke aging 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 wild-type 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 G1 Terc / 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 G5 Terc / < 2 mm 2-5 mm 5-7 mm 7-10 mm 10 mm 10-15 mm > 15 mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 1617 18 19 2021 22 weeks * 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 18 19 20 21 22 weeks * 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 1617 18 19 2021 22 * weeks wild-type G1 Terc / G5 Terc / 22 weeks p53 telomerase normal telos González-Suárez et al., Nature Genetics (2000) no telomerase normal telos no telomerase short telos
telomeric proteins TRF2 TRF2 TRF1 T-Loop TRF1 TRF1 TRF1 TRF2 5 POT1 3 TRF2 complex TRF1 complex Mre11 Rad50 Nbs1 ERCC1/XPF TRF2 Ku PARP2 WRN tankyrases TRF1 PINX1 POT1 TIN2 PTOP/PIP1 G-strand maintenance telomere capping regulation of telomerase-mediated telomere maintenance
telomere-binding proteins & human disease Up-regulated in human cancer Human chromosomal instability syndromes Premature aging Increased cancer Xeroderma pigmentosum syndrome tankyrases TRF2 TRF1 TIN2 POT1 Nijmegen breakage syndrome Mre11 Rad50 Nbs1 ATM ERCC1/XPF TRF2 Ku PARP2 WRN BLM Werner syndrome Ataxia telangiectasia syndrome immunodeficiency Bloom syndrome Blasco, Nature Rev Genet, 2005
NHEJ activities are necessary for telomere capping TTAGGG + -telomere fusions end-to-end fusions Ku86 -/- Q-FISH Samper et al. EMBO Reports 1, 244 (2000) Goytisolo et al., Mol. Cell. Biol. 21, 3642 (2001) Ku86 deficiency results in age-related pathologies Ku 86 -/- wild-type NHEJ deficiency radiosensitive immunodeficient small size aging phenotypes infertility no tumors osteopenia atrophic skin hepatic degeneration decreased viability Vogel et al. PNAS 96:10770, 1999
targetting trf2 to the skin: K5-TRF2 Cornified cell Granular cell Spinous cell Basal cell Stem cell K5-TRF2
dramatic telomere loss in K5-TRF2 mice wt (PM3) K5-TRF2 (PM1) basal layer dermis dermis basal layer Muñoz et al., Nature Genetics (2005)
absence of telomeres multiple telomeres fragments fusion fusion extrachromosomal telomeres K5-TRF2 keratinocyte
premature skin aging in K5-TRF2 mice K5-TRF2 (PM1) K5-TRF2 (PM20) 23 weeks 23 weeks 16 weeks 45 weeks 45 weeks 33 weeks Muñoz et al., Nature Genetics (2005)
telomere dysfunction and premature aging CRITICAL TELOMERE SHORTENING Terc -/- K5-TRF2 DEFECTIVE TELOMERE CAPPING & DNA REPAIR Ku86 -/- DNA-PKcs -/- telomere dysfunction Ku86 +/+ premature aging Ku86 -/-
Por qué la pérdida de función telomérica conduce a infertilidad en ratones?
atrofia de los testículos en ratones macho deficientes en telomerasa salvajes G3 Terc -/- salvajes G3 terc -/- Herrera et al., EMBO, 1999
disminución de células germinales en ratones macho sin telomerasa α-scp3 células germinales salvajes G3 Terc -/- Herrera et al., EMBO, 1999
aumento de muerte por apoptosis de células germinales en machos Terc -/- salvaje TUNEL G1 Terc -/- apoptosis G3 Terc -/- Espejel et al., EMBO, 03
atrofia de los ovarios en hembras Terc -/- G4 G2 salvaje C57Bl6 G4 G2 salvaje ovarios atrofiados
ovogénesis en mamíferos Profase I Diploteno Metafase II Mitosis Meiosis
disminución de células meioticas en ovarios de hembras G4 Terc-/- WT G2 G4 SCP3 (green) Secciones de ovarios fetales (17,5d)
telomeres and chromosome ends recruitment to nuclear envelope during meiosis Meiosis I interfase Early-zygotene pachytene
aberrante distribución perinuclear de telómeros en ovarios fetales G4 Terc-/-
Telomere dysfunction impairs meiotic synapsis and recombination Meocitos de fetos de 17,5 dias Meiocitos de testículos de ratones de 20 dias
Roturas del CS en Diplotene en machos Terc-/-
disminuida recombinación entre homólogos en meiocitos con telómeros disfuncionales
Formacion de quiasmas: esencial para la separación de cromosomas homólogos en anafase I
aberrante alineamiento de cromosomas en los ovocitos de hembras Terc KO Liu et al., EMBO Reps, 02
Telómeros disfuncionales e infertilidad Telómeros disfuncionales alterado anclaje de cromosomas a la envuelta nuclear en meiosis deficiente recombinación meiotica anormal segregación de cromosomas Reducida fertilidad reducción de gametos anuploidías
La disfunción telomérica conduce a una reducida fertilización de células germinales Liu et al. Devel. Biol. 2002
ACKOWLEDGEMENTS Telomeres and Telomerase Group (CNIO) < Lin Liu David L. Keefe Brown University Massachusetts Sonia Franco Howard Hughes Medical Institute Boston
critically short telomeres in oocytes from G4 Terc defient mice
Fragmentacion del DNA de esperma en machos Terc -/- Rodriguez et al., Fertil Steril, 05