15 junio, 2011

Un isómero de la uridina suprime la terminación de la traducción

La secuencia de aminoácidos de cualquier proteína está codificada por una combinación de 64 tripletes de nucleótidos conocidos como codones. De los 64 codones que conforman el código genético, tres de ellos no codifican para ningún aminoácido, siendo los encargados de terminar con el proceso de traducción. Un par de investigadores del Centro Médico de la Universidad de Rochester demostraron que si la uridina —el primer nucleótido de los codones de terminación— era cambiada por su isómero, la pseudouridina (Ψ), la traducción no se detenía según un artículo que publicaron hoy en Nature.

pseudouridine

Todo lo que somos y tenemos empieza en el ADN, una molécula compuesta de cuatro diferentes caracteres, los cuales se combinan de una manera específica para formar los genes. Los genes son a su vez  transcritos a un intermediario llamado ARN mensajero (ARNm) quien es el encargado de llevar la información hacia los ribosomas —la maquinaria encargada de traducirlo y convertirlo en una secuencia de aminoácidos. Finalmente, esta secuencia de aminoácidos se plegará y adquirirá una estructura más compleja (tridimensional) llamada proteína.

Si bien a grandes rasgos el proceso se ve sencillo, esto no es así. En los ribosomas pasa algo muy interesante. Los nucleótidos del ARNm son leídos de tres en tres. A cada uno de estos tripletes se le conoce como codón. La lectura de los codones se hace en una región exclusiva del ribosoma conocido como sitio A. Es aquí a donde llegan los ARN de transferencia (ARNt) los cuales portan en un extremo un determinado aminoácido en base a la secuencia de tres nucleótidos ubicados en el otro extremo y que es conocido como anticodón.

Cada ARNt reconoce su codón complementario en el ARNm, y los aminoácidos que son transportados por los ARNt se van uniendo, a través de enlaces peptídicos, para formar una larga cadena que va saliendo del sitio P del ribosoma. La traducción continúa hasta que se presenta uno de los tres codones de terminación en el ARNm: UAA, UAG o UGA; y como pueden ver, los tres codones de terminación tienen uridina en el primer nucleótido.

No existe un ARN de transferencia con un anticodón complementario a los codones de terminación. Aquí actúan los factores de liberación —RF1 y RF2 en bacterias y eRF1 en eucariotas— quienes son los encargados de reconocer los codones de terminación y finalizar la traducción liberando la cadena de aminoácidos recién formada.

En el año 1959, el bioquímico Waldo E. Cohn identificó la presencia de un nucleósido extraño en unas muestras de ARN. Este nucleósido tenía una composición química similar a la uridina, pero los estudios de resonancia magnética nuclear mostraron que la disposición de sus enlaces eran diferentes (ver figura inicial): la ribosa (R) estaba unido al uracilo a través del nitrógeno carbono y no a través del carbono nitrógeno. A este isómero lo llamaron pseudouridina y lo representaron con la letra griega psi (Ψ).

La formación de la pseudouridina se da gracias a la acción de la enzima Ψ sintasa y la presencia de la caja H/ACA, un pequeño ARN nucleolar. Esta pseudouridina forma parte estructural de muchos tipos de ARN; tales como: los ARNt, los ARN ribosomales, los ARN pequeños nucleares y nucleolares. Por otro lado, las propiedades bioquímicas de esta pseudouridina son diferentes a las de la uridina, es por esta razón que John Karijolich y Yi-Tao Yu de Centro Médico de la Universidad de Rochester se preguntaron su este nucleósido sería capaz de alterar la funcionabilidad del codón de terminación del ARNm.

Para responder a esta interrogante, Karijolich & Yu diseñaron y sintetizaron un ARNm artificial, el cual codificaba en su extremo inicial (N-terminal) una secuencia de seis histidinas (6His) y en el extremo final (C-terminal) una secuencia llamada ‘bandera’. Entre estas dos marcas —6His y bandera— se encontraba ubicado el codón de terminación UAA.

ARNm

A parte se diseñaron otros dos ARNm similares, con la diferencia en que uno tenía el codón de terminación cambiado por un codón codificante (CAA), el cual evitaría que se detenga la traducción; y el otro tenía el isómero pseudouridina (ΨAA) para ver cual es su efecto sobre la terminación de la traducción. Si la traducción se detiene, sólo se expresará el marcador 6His, pero si la traducción no se detiene, se expresará tanto 6His como bandera.

Los resultados mostraron que cuando se cambiaba la uridina del codón de terminación por la pseudouridina, la traducción no se detenía, tal como ocurría cuando se reemplazaba el codón de terminación por un codón codificante. (El triángulo indica la concentración del ARNm sintético, es mayor hacia la izquierda).

pseudouridina

Para corroborar estos resultados in vivo usaron a la levadura Saccharomyces cerevisiae. Karijolich & Yu le insertaron un plásmido portando el gen de resistencia al cobre (Cu2+) llamado Cup1, el cual presentaba una ligera modificación: el gen tenía insertado el codón de terminación UAA dentro de su secuencia. Además, la levadura fue modificada para que tuviera la capacidad de transformar la uridina en pseudouridina, y así observar el efecto sobre la expresión de la CUP1.

Los resultados mostraron que cuando estaba presente el codón de terminación con la uridina, las levaduras no sobrevivían al medio con cobre ya que el gen Cup1 no se traduciría por completo; mientras que cuando la uridina del codón de terminación era cambiada por la pseudouridina, la traducción no se detenía y la proteína CUP1 lograba expresarse, confiriéndoles resistencia al cobre.

Por otro lado, Karijolich & Yu también observaron que el codón de terminación isomerizado no era reconocido por cualquier ARNt al azar, sino que había preferencias por algunos de ellos. Los codones ΨAA y ΨAG tenían preferencia por la serina y la treonina (ambos con un grupo hidroxilo); mientras que el codón ΨGA tenía preferencia por la tirosina y la fenilalanina (ambos con un anillo fenólico). Esto quiere decir que la pseudouridina no sólo promueve la pérdida del reconocimiento de los codones de terminación, sino que también genera un punto de reconocimiento para otros aminoácidos específicos, extendiendo así el código genético.

Lo que no han podido determinar los investigadores es cómo se da este proceso. Una hipótesis que manejan es que la pseudouridina podría afectar el mecanismo de reparación de errores del ribosoma. Por otro lado, este descubrimiento podría ser aprovechado —a través de la terapia génica— para el tratamiento de más de la tercera parte de los desórdenes genéticos y muchos otros tipos de cáncer, los cuales se caracterizan por una terminación prematura de la traducción.


Referencia:

ResearchBlogging.orgKarijolich, J., & Yu, Y. (2011). Converting nonsense codons into sense codons by targeted pseudouridylation Nature, 474 (7351), 395-398 DOI: 10.1038/nature10165

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