La familia de proteínas Argonaute , descubierta por primera vez por su función de células madre evolutivamente conservada, [1] desempeña un papel central en los procesos de silenciamiento del ARN como componentes esenciales del complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). RISC es responsable del fenómeno de silenciamiento de genes conocido como interferencia de ARN (ARNi) . [2] Las proteínas argonauta se unen a diferentes clases de pequeños ARN no codificantes , incluidos microARN (miARN), pequeños ARN de interferencia (siARN) y ARN que interactúan con Piwi (piARN). Los ARN pequeños guían a las proteínas Argonautas hacia sus objetivos específicos a través de la complementariedad de secuencias (emparejamiento de bases), lo que luego conduce a la escisión del ARNm, la inhibición de la traducción y/o el inicio de la descomposición del ARNm. [3]
El nombre de esta familia de proteínas se deriva de un fenotipo mutante resultante de la mutación de AGO1 en Arabidopsis thaliana , que fue comparado por Bohmert et al. a la aparición del pulpo pelágico Argonauta argo . [4]
La interferencia de ARN (ARNi) es un proceso biológico en el que las moléculas de ARN inhiben la expresión genética . El método de inhibición es mediante la destrucción de moléculas de ARNm específicas o simplemente suprimiendo la traducción de proteínas. [5] La interferencia de ARN tiene un papel importante en la defensa de las células contra secuencias de nucleótidos parásitos. En muchos eucariotas, incluidos los animales, se encuentra la vía de interferencia del ARN y es iniciada por la enzima Dicer . Dicer escinde moléculas largas de ARN bicatenario (ARNbc, que a menudo se encuentra en virus y pequeños ARN de interferencia ) en fragmentos cortos de doble cadena de alrededor de 20 nucleótidos de ARNip. Luego, el ARNbc se separa en dos ARN monocatenarios (ARNss): la cadena pasajera y la cadena guía. Posteriormente, la cadena pasajera se degrada, mientras que la cadena guía se incorpora al complejo silenciador inducido por ARN (RISC). El resultado mejor estudiado de la iARN es el silenciamiento génico postranscripcional, que se produce cuando la cadena guía se empareja con una secuencia complementaria en una molécula de ARN mensajero e induce la escisión por parte de Argonaute, que se encuentra en el núcleo del complejo silenciador inducido por ARN.
Las proteínas argonauta son la parte activa del complejo silenciador inducido por ARN, que escinde la cadena de ARNm objetivo complementaria a su ARNip unido. [6] En teoría, el cortador produce fragmentos cortos de doble cadena, por lo que también deberían producirse dos ARNip monocatenarios funcionales. Pero aquí solo se utilizará uno de los dos ARN monocatenarios para emparejar bases con el ARNm objetivo . Se la conoce como hebra guía, se incorpora a la proteína Argonauta y lidera el silenciamiento de genes. La otra cadena pasajera monocatenaria denominada cadena pasajera se degrada durante el proceso del complejo silenciador inducido por ARN. [7]
Una vez que el Argonauta se asocia con el ARN pequeño, la actividad enzimática conferida por el dominio PIWI escinde sólo la cadena pasajera del ARN pequeño interferencial. La separación de las cadenas de ARN y su incorporación a la proteína Argonauta están guiadas por la fuerza de la interacción del enlace de hidrógeno en los extremos 5' del dúplex de ARN, conocida como regla de asimetría. Además, el grado de complementariedad entre las dos hebras del dúplex de ARN intermedio define cómo se clasifican los miARN en diferentes tipos de proteínas Argonautas.
En animales, el argonauta asociado con miARN se une a la región 3' no traducida del ARNm e impide la producción de proteínas de diversas formas. El reclutamiento de proteínas Argonautas hacia el ARNm específico puede inducir la degradación del ARNm. El complejo Argonauta-miARN también puede afectar la formación de ribosomas funcionales en el extremo 5' del ARNm. El complejo aquí compite con los factores de iniciación de la traducción y/o el ensamblaje de ribosomas anulados . Además, el complejo Argonaute-miRNA puede ajustar la producción de proteínas mediante el reclutamiento de factores celulares como péptidos o enzimas modificadoras postraduccionales, que degradan el crecimiento de polipéptidos. [8]
En las plantas, una vez que se generan dúplex de ARN bicatenario (ds) de novo con el ARNm objetivo, una enzima desconocida similar a la ARNasa III produce nuevos ARNip, que luego se cargan en las proteínas Argonaute que contienen dominios PIWI, que carecen del aminoácido catalítico. residuos, que podrían inducir otro nivel de silenciamiento de genes específicos.
La familia de genes Argonaute (AGO) codifica seis dominios característicos: N-terminal (N), Linker-1 (L1), PAZ, Linker-2 (L2), Mid y un dominio PIWI C-terminal. [8]
El nombre del dominio PAZ es un acrónimo formado a partir de los nombres de los genes de Drosophila piwi, Arabidopsis argonaute-1 y Arabidopsis zwille (también conocida como cabeza de alfiler y más tarde rebautizada como argonaute-10), donde se reconoció por primera vez que el dominio estaba conservado. El dominio PAZ es un módulo de unión de ARN que reconoce los extremos 3' monocatenarios de ARNip , miARN y piARN , de forma independiente de la secuencia.
La proteína PIWI de Drosophila dio nombre a este motivo característico. Estructuralmente parecido a la RNasaH, el dominio PIWI es esencial para la escisión objetivo. El sitio activo con la tríada aspartato – aspartato – glutamato alberga un ion metálico divalente, necesario para la catálisis. Los miembros de la familia de AGO que perdieron esta característica conservada durante la evolución carecerán de actividad de escisión. En la AGO humana, el motivo PIWI también media la interacción proteína-proteína en la caja PIWI, donde se une a Dicer en uno de los dominios de la RNasa III. [9]
En la interfaz de los dominios PIWI y Mid se encuentra el fosfato 5' de un ARNip, miARN o piARN, que se considera esencial en la funcionalidad. Dentro de Mid se encuentra un motivo MC, una estructura homóloga propuesta para imitar el motivo de la estructura de unión a la tapa que se encuentra en eIF4E. Más tarde se descubrió que el motivo MC no participa en la unión de la tapa del ARNm [8]
En los seres humanos hay ocho miembros de la familia AGO, algunos de los cuales se investigan intensamente. Sin embargo, aunque AGO1-4 son capaces de cargar miARN, la actividad endonucleasa y, por tanto, el silenciamiento génico dependiente de ARNi pertenece exclusivamente a AGO2. Teniendo en cuenta la conservación de la secuencia de los dominios PAZ y PIWI en toda la familia, se supone que la singularidad de AGO2 surge del extremo N o de la región espaciadora que une los motivos PAZ y PIWI. [9]
Varios miembros de la familia AGO en plantas también atraen el estudio. AGO1 participa en la degradación del ARN relacionada con los miARN y desempeña un papel central en la morfogénesis. En algunos organismos, es estrictamente necesario para el silenciamiento epigenético. Está regulado por el propio miARN. AGO4 no participa en la degradación del ARN dirigida por ARNi, sino en la metilación del ADN y otras regulaciones epigenéticas, a través de la vía del ARN pequeño (ARNm). AGO10 participa en el desarrollo de plantas. AGO7 tiene una función distinta de AGO 1 y 10 y no se encuentra en el silenciamiento de genes inducido por transgenes. Más bien, está relacionado con el momento del desarrollo de las plantas. [10]
Se informó que las proteínas argonauta estaban asociadas con el cáncer. [11] [12] Para las enfermedades que están involucradas con la expresión selectiva o elevada de genes identificados particulares, como el cáncer de páncreas, la alta especificidad de secuencia del ARN de interferencia podría hacerlo adecuado como tratamiento adecuado, particularmente apropiado para combatir los cánceres asociados. con secuencias de genes endógenos mutados. Se ha informado que varios pequeños ARN no codificantes (microARN) están relacionados con cánceres humanos, como miR-15a y miR-16a que con frecuencia se eliminan y/o se regulan negativamente en los pacientes. Aunque las funciones biológicas de los miARN no se comprenden completamente, se han descubierto las funciones de los miARN en la coordinación de la proliferación y muerte celular durante el desarrollo y el metabolismo. Se confía en que los miARN pueden dirigir una regulación negativa o positiva a diferentes niveles, lo que depende de los miARN específicos y la interacción del par de bases objetivo y los cofactores que los reconocen. [13]
Debido a que se sabe ampliamente que muchos virus tienen ARN en lugar de ADN como material genético y pasan por al menos una etapa en su ciclo de vida cuando producen ARN bicatenario, se ha considerado que la interferencia del ARN es un mecanismo potencialmente antiguo evolutivamente para proteger a los organismos de los virus. Los pequeños ARN de interferencia producidos por Dicer provocan un silenciamiento génico postranscripcional específico de secuencia al guiar una endonucleasa, el complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC), hacia el ARNm. Este proceso se ha observado en una amplia gama de organismos, como el hongo Neurospora (en el que se conoce como sofocación), plantas (silenciamiento génico postranscripcional) y células de mamíferos (ARNi). Si existe una complementariedad de secuencia completa o casi completa entre el ARN pequeño y el objetivo, el componente proteico Argonaute de RISC media la escisión del transcrito objetivo, el mecanismo implica predominantemente la represión de la traducción [ cita necesaria ] .
Es importante destacar que los ratones infectados con influenza con deficiencia de Argonaute 4 (AGO4) tienen una carga y títulos virales significativamente mayores in vivo [14] , lo que contrasta con los ratones con deficiencia de AGO1 o AGO3. [15] Por lo tanto, la promoción específica de la función AGO4 en células de mamíferos puede ser una estrategia antiviral eficaz.
En 2016, un grupo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hebei informó sobre la edición del genoma utilizando una proteína procariótica Argonauta de Natronobacterium gregoryi . Sin embargo, se ha cuestionado la evidencia de la aplicación de las proteínas Argonautas como nucleasas guiadas por ADN para la edición del genoma, y la revista líder se retractó de la afirmación. [16] En 2017, un grupo de la Universidad de Illinois informó que utilizaba una proteína Argonauta procariótica extraída de Pyrococcus furiosus (PfAgo) junto con ADN guía para editar ADN in vitro como enzimas de restricción artificiales . [17] También se utilizaron enzimas de restricción artificiales basadas en PfAgo para almacenar datos sobre secuencias de ADN nativas mediante corte enzimático. [18]