06 abril, 2011

Expansión del código genético: cuando dos aminoácidos se vuelven uno

La clásica visión que tenemos del código genético es que con los 64 codones disponibles —combinación de tres nucleótidos o tripletes— se pueden codificar 20 aminoácidos y 3 terminadores o STOP (que no codifican ningún aminoácido y terminan la traducción de la proteína). En 1986 hubo todo una excitación en el mundo de la bioquímica tras el descubrimiento de genes que codifican para las selenoproteínas que, como su nombre lo dice, tienen átomos de selenio en su estructura. Este átomo de selenio es sumamente reactivo y generalmente se presenta en los sitios activos de ciertas enzimas como la glutatión peroxidasa y la formato deshidrogensa.

La presencia del selenio en estas selenoproteínas se debe a un inusual aminoácido llamado selenocisteína. Este aminoácido es codificado por un codón UGA, el cual es un codón de término o STOP. Este fenómeno ha extendido el código genético a 21 aminoácidos. En el 2009, un estudio realizado por Turanov et al. demostró que en un ciliado de la especie Euplotes crassus usaba este mismo codón UGA no sólo para la selenocisteína sino también para la cisteína, gracias a una modificación estructural la región terminal no traducida (UTR) del ARN mensajero, siendo el primer caso de que un mismo codón codifica para dos aminoácidos, deshaciendo la principal característica del código genético.

Por otro lado, en el año 2002, dos reportes presentados en Science uno por Srinivasan et al. y el otro por Hao et al. demostraron que en una arquea de la especie Methanosarcina barkeri usaba el codón de termino UAG para codificar un nuevo aminoácido llamado pirrolisina, extendiendo el código genético a 22 aminoácidos. Sin embargo, la biosíntesis de este aminoácido era desconocido hasta que investigadores de la Universidad Estatal de Ohio liderados por la Dra. Marsha A. Gaston lograron describirla según reportaron la semana pasada en Nature.

La capacidad de las Methanosarcina de usar el codón de término UAG para codificar la pirrolisina se debe gracias a un clúster de genes (operón) llamado pylTSBCD. Gaston et al. aislaron este grupo de genes y lo insertaron en un microorganismo que es más fácil de manejar como lo es nuestro amigo E. coli. Los investigadores también insertaron en E. coli el gen que codifica para la metiltransferasa de otra Methanosarcina ya que esta proteína tiene dentro de su secuencia de aminoácidos a la pirrolisina.

Antes se creía que la formación de la pirrolisina derivaba de la unión de la lisina con otro aminoácido como la D-ornitina, el D-glutamato, la D-isoleucina o la D-prolina. Para ver como se formaba la pirrolisina, Gaston et al. usaron una lisina marcada isotópicamente con un carbono más pesado (13C) y un nitrógeno más pesado (15N) en cada uno de sus átomos (6 de carbono y 2 de nitrógeno). Luego, purificaron la metiltransferasa resultante para analizar la composición isotópica de la pirrolisina.

Al comparar la región de la metiltransferasa que contenía a la pirrolisina de una bacteria que fue sometida a la lisina isotópicamente marcada con la de una bacteria que fue sometida a una lisina normal observaron que la diferencia de masas entre ellas era equivalente a 12 átomos de carbono-13 y 3 de nitrógeno-15, lo que indicaría que la pirrolisina estaba formada por la unión de dos moléculas de lisina con la pérdida de un grupo nitrogenado. Gracias a estos datos, los investigadores pudieron hacer una reconstrucción probable de las reacciones químicas involucradas en la formación de la pirrolisina.

pirrolisina

La biosíntesis de la pirrolisina fue deducida a partir de la similaridad de las secuencias de los genes PylB, PylC y PylD, con secuencias conocidas de enzimas previamente estudiadas y cuya función se conoce. Entonces, lo que faltaría para completar este estudio sería purificar cada una de las proteínas que se creen que participan en la biosíntesis de la pirrolisina (pylBCD), para así demostrar si estas realizan o no las reacciones predichas.


Referencia:

ResearchBlogging.orgGaston, M., Zhang, L., Green-Church, K., & Krzycki, J. (2011). The complete biosynthesis of the genetically encoded amino acid pyrrolysine from lysine Nature, 471 (7340), 647-650 DOI: 10.1038/nature09918

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