The role of telomeres an telomerase during zebrafish heart regeneration

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 23-11-2015Telomeres are specialized nucleoprotein structures that protect the ends of chromosomes from DNA repair and degradation activities. The maintenance of telomeres is essential for chromosome stability. Without new synthesis, telomeres (TTAGGG repeats) undergo progressive shortening with each cell division. Telomere shortening can lead to the appearance of critically short telomeres triggering the activation of a persistent DNA damage response and the subsequent induction of cellular senescence or apoptosis. Telomerase is a reverse transcriptase that elongates telomeres, efficiently compensating telomere attrition during cell division. A common feature of the telomerase-positive cells is their highly regenerative capability. Zebrafish (Danio rerio) has emerged as an excellent model to study tissue regeneration due to its remarkable capacity to fully repair several organs, including the heart. In contrast to mammals, this lower vertebrate is able to replace damaged cardiac muscle after an insult with newly formed fully functional myocardium. During the regeneration process of the zebrafish heart, differentiated cardiac myocytes dedifferentiate and robustly proliferate. Telomerase activity can be detected in the zebrafish model not only in young animals, but also in old ones. Here we demonstrate that after cardiac injury in zebrafish, telomerase become hyperactivated and telomeres transiently elongate, preceding a peak of cardiomyocyte proliferation and full organ recovery. We have used tert-/- animals to analyze the role of telomerase in zebrafish heart regeneration. We show that under the high demands imposed by heart injury telomere reserves cannot be maintained without telomerase. Absence of telomerase decouples dedifferentiation from proliferation, drastically impairing proliferation and leading to accumulation of DNA damage. Instead of regenerating myocardial tissue and regressing cardiac fibrosis tert-/- hearts increment the percentage of cells that present DNA damage and senescence characteristics, leading to blockade in the regeneration process. Our results provide direct evidence for the essential role of telomerase during the zebrafish heart regeneration and reveal a role of this enzyme in cardiac cell protection from the injury-induced elevated levels of DNA damage.Los telómeros son estructuras nucleoproteícas que protegen los extremos de los cromosomas de mecanismos de reparación y de degradación del ADN. Pese a que el mantenimiento de los telómeros (repeticiones TTAGGG) es esencial para la estabilidad de los cromosomas, éstos se acortan progresivamente con cada división celular. Los telómeros críticamente cortos desencadenan un daño persistente al ADN conduciendo a la senescencia o la apoptosis de la célula. La telomerasa es una reverso transcriptasa que alarga los telómeros, compensando eficientemente su desgaste. Una característica común de las células en las que la telomerasa está activa es su gran capacidad regenerativa. El pez cebra (Danio rerio) es un excelente modelo para el estudio de la regeneración tisular debido a su notable capacidad para regenerar órganos, incluyendo el corazón. A diferencia de los mamíferos, el pez cebra es capaz de reemplazar el músculo cardiaco dañado por nuevo miocardio completamente funcional. Durante el proceso de regeneración del corazón los cardiomiocitos diferenciados sufren un proceso de desdiferenciación y proliferan. En el pez cebra la actividad telomerasa es detectable durante toda la vida del animal. Los resultados de esta tesis demuestran que tras la lesión cardiaca en el pez cebra se produce un aumento de la telomerasa, un alargamiento telomérico y un incremento en la proliferación de los cardiomiocitos, conduciendo a la recuperación del órgano. Mediante el uso de animales carentes de telomerasa (tert-/-) se observó que esta enzima es esencial para el mantenimiento de las reservas teloméricas tras la lesión. La ausencia de telomerasa afecta drásticamente a la proliferación de los cardiomiocitos y conduce a la acumulación de daño en el ADN. En lugar de regenerarse, los corazones tert-/- presentan un incremento en el número de células con daño al ADN y características senescentes, bloqueando el proceso de regeneración. Nuestros resultados demuestran que la telomerasa es esencial para la regeneración del corazón del pez cebra y revelan una nueva función de esta enzima protegiendo a las células cardíacas de los elevados niveles de daño en el ADN tras la lesión.During this period Dorota Bednarek was supported by a PhD Fellowship from the Ministerio de Economía y Competitividad BES-2010-033554/ SAF2009-10480)