El cambio de marco ribosómico , también conocido como cambio de marco de traducción o recodificación de traducción , es un fenómeno biológico que ocurre durante la traducción y que resulta en la producción de proteínas múltiples y únicas a partir de un solo ARNm . [1] El proceso puede programarse mediante la secuencia de nucleótidos del ARNm y, en ocasiones, se ve afectado por la estructura secundaria tridimensional del ARNm . [2] Se ha descrito principalmente en virus (especialmente retrovirus ), retrotransposones y elementos de inserción bacterianos , y también en algunos genes celulares . [3]
También se ha descubierto que pequeñas moléculas, proteínas y ácidos nucleicos estimulan los niveles de cambio de marco. En diciembre de 2023, se informó que los ARNm transcritos in vitro (IVT) en respuesta a la vacuna anti-COVID-19 BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) causaron un cambio de marco ribosómico. [4]
Las proteínas se traducen leyendo trinucleótidos en la cadena del ARNm, también conocidos como codones , de un extremo del ARNm al otro (del extremo 5' al 3' ) comenzando con el aminoácido metionina como inicio (iniciación). codón AUG. Cada codón se traduce en un único aminoácido . El código en sí se considera degenerado , lo que significa que un aminoácido particular puede especificarse mediante más de un codón. Sin embargo, un desplazamiento de cualquier número de nucleótidos que no sea divisible por 3 en el marco de lectura hará que los codones posteriores se lean de manera diferente. [5] Esto cambia efectivamente el marco de lectura ribosomal .
En este ejemplo, la siguiente oración de palabras de tres letras tiene sentido cuando se lee desde el principio:
|Inicio| EL GATO Y EL HOMBRE SON GORDOS...|Inicio|123 123 123 123 123 123 123 ...
Sin embargo, si el marco de lectura se desplaza una letra entre la T y la H de la primera palabra (efectivamente, un desplazamiento de +1 al considerar que la posición 0 es la posición inicial de T ),
T |Inicio|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT...-|Inicio|123 123 123 123 123 123 12...
entonces la oración se lee de manera diferente y no tiene sentido.
En este ejemplo, la siguiente secuencia es una región del genoma mitocondrial humano con los dos genes superpuestos MT-ATP8 y MT-ATP6 . Cuando se leen desde el principio, estos codones tienen sentido para un ribosoma y pueden traducirse en aminoácidos (AA) bajo el código mitocondrial de los vertebrados :
|Inicio| A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...|Inicio|123 123 123 123 123 123 123 ...| AA | NENLFAS ...
Sin embargo, cambiemos el marco de lectura iniciando un nucleótido en sentido descendente (efectivamente, un "desplazamiento de marco +1" cuando se considera que la posición 0 es la posición inicial de A ):
A |Inicio|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA...-|Inicio|123 123 123 123 123 123 12... | AA | TKICS...
Debido a este cambio de marco +1, la secuencia de ADN se lee de manera diferente. Por lo tanto, el diferente marco de lectura de codones produce diferentes aminoácidos.
En el caso de un ribosoma traductor, un cambio de marco puede resultar en una mutación sin sentido , un codón de parada prematuro después del cambio de marco o la creación de una proteína completamente nueva después del cambio de marco. En el caso de que un cambio de marco resulte sin sentido, la vía de desintegración del ARNm (NMD) mediada por sin sentido puede destruir la transcripción del ARNm, por lo que el cambio de marco serviría como método para regular el nivel de expresión del gen asociado. [6]
Si se produce una proteína nueva o no objetivo, puede desencadenar otras consecuencias desconocidas. [4]
En los virus, este fenómeno puede programarse para que ocurra en sitios particulares y permite que el virus codifique múltiples tipos de proteínas a partir del mismo ARNm. Ejemplos notables incluyen VIH-1 (virus de inmunodeficiencia humana), [7] RSV ( virus del sarcoma de Rous ) [8] y el virus de la influenza (gripe), [9] que dependen del cambio de marco para crear una proporción adecuada de marco 0 ( traducción normal) y proteínas "trans-marco" (codificadas por secuencia desplazada del marco). Su uso en virus es principalmente para compactar más información genética en una cantidad más corta de material genético.
En eucariotas parece desempeñar un papel en la regulación de los niveles de expresión génica generando paradas prematuras y produciendo transcripciones no funcionales. [3] [10]
El tipo más común de cambio de marco es el cambio de marco −1 o el cambio de marco −1 ribosómico programado (−1 PRF) . Otros tipos más raros de cambio de fotograma incluyen el cambio de fotograma +1 y −2. [2] Se cree que el cambio de marco −1 y +1 está controlado por diferentes mecanismos, que se analizan a continuación. Ambos mecanismos son impulsados cinéticamente .
En el cambio de marco -1, el ribosoma retrocede un nucleótido y continúa la traducción en el marco -1. Normalmente hay tres elementos que comprenden una señal de desplazamiento del marco de lectura -1: una secuencia resbaladiza , una región espaciadora y una estructura secundaria de ARN. La secuencia resbaladiza se ajusta a un motivo X_XXY_YYH, donde XXX son tres nucleótidos idénticos cualesquiera (aunque se producen algunas excepciones), YYY normalmente representa UUU o AAA, y H es A, C o U. Debido a que la estructura de este motivo contiene 2 3 nucleótidos adyacentes Se repite que se cree que el cambio de marco −1 se describe mediante un modelo de deslizamiento en tándem, en el que el anticodón del ARNt del sitio P ribosómico se repara de XXY a XXX y el anticodón del sitio A se repara de YYH a YYY simultáneamente. Estos nuevos emparejamientos son idénticos a los emparejamientos de 0 fotogramas excepto en sus terceras posiciones. Esta diferencia no perjudica significativamente la unión del anticodón porque el tercer nucleótido de un codón, conocido como posición oscilante , tiene una especificidad de unión al anticodón del ARNt más débil que el primer y segundo nucleótidos. [2] [11] En este modelo, la estructura del motivo se explica por el hecho de que la primera y segunda posición de los anticodones deben poder emparejarse perfectamente en los fotogramas 0 y −1. Por lo tanto, los nucleótidos 2 y 1 deben ser idénticos, y los nucleótidos 3 y 2 también deben ser idénticos, lo que lleva a una secuencia requerida de 3 nucleótidos idénticos para cada ARNt que se desliza. [12]
La secuencia resbaladiza para una señal de cambio de marco +1 no tiene el mismo motivo y, en cambio, parece funcionar pausando el ribosoma en una secuencia que codifica un aminoácido raro. [13] Los ribosomas no traducen proteínas a un ritmo constante, independientemente de la secuencia. Ciertos codones tardan más en traducirse porque no hay cantidades iguales de ARNt de ese codón en particular en el citosol . [14] Debido a este retraso, existen en pequeñas secciones de secuencias de codones que controlan la tasa de cambio de marco ribosomal. Específicamente, el ribosoma debe hacer una pausa para esperar la llegada de un ARNt raro, y esto aumenta la favorabilidad cinética del ribosoma y su ARNt asociado para deslizarse hacia el nuevo marco. [13] [15] En este modelo, el cambio en el marco de lectura es causado por un solo deslizamiento de ARNt en lugar de dos.
El cambio de marco ribosómico puede controlarse mediante mecanismos que se encuentran en la secuencia del ARNm (actuación cis). Esto generalmente se refiere a una secuencia resbaladiza, una estructura secundaria de ARN o ambas. Una señal de desplazamiento del marco de lectura −1 consta de ambos elementos separados por una región espaciadora que generalmente tiene entre 5 y 9 nucleótidos de largo. [2] El cambio de marco también puede ser inducido por otras moléculas que interactúan con el ribosoma o el ARNm (actuación trans).
Las secuencias resbaladizas pueden potencialmente hacer que el ribosoma de lectura se "deslice" y se salte una cantidad de nucleótidos (generalmente solo 1) y luego lea un marco completamente diferente. En el cambio de marco ribosómico −1 programado, la secuencia resbaladiza se ajusta a un motivo X_XXY_YYH, donde XXX son tres nucleótidos idénticos cualesquiera (aunque se producen algunas excepciones), YYY normalmente representa UUU o AAA, y H es A, C o U. En el caso de + 1, la secuencia resbaladiza contiene codones para los cuales el ARNt correspondiente es más raro, y el desplazamiento del marco se ve favorecido porque el codón en el nuevo marco tiene un ARNt asociado más común. [13] Un ejemplo de una secuencia resbaladiza es la poliA en el ARNm, que se sabe que induce el deslizamiento de los ribosomas incluso en ausencia de otros elementos. [dieciséis]
Un cambio de marco ribosomal eficiente generalmente requiere la presencia de una estructura secundaria de ARN para mejorar los efectos de la secuencia resbaladiza. [12] Se cree que la estructura del ARN (que puede ser un tallo-bucle o un pseudonudo ) detiene el ribosoma en el sitio resbaladizo durante la traducción, lo que lo obliga a reubicarse y continuar la replicación desde la posición -1. Se cree que esto ocurre porque la estructura bloquea físicamente el movimiento del ribosoma al quedar atrapada en el túnel del ARNm del ribosoma. [2] Este modelo está respaldado por el hecho de que la fuerza del pseudonudo se ha correlacionado positivamente con el nivel de cambio de marco para el ARNm asociado. [3] [17]
A continuación se muestran ejemplos de estructuras secundarias predichas para elementos de cambio de marco que se ha demostrado que estimulan el cambio de marco en una variedad de organismos. La mayoría de las estructuras que se muestran son asas de tallo, con la excepción de la estructura de pseudonudo ALIL (bucle apical-bucle interno). En estas imágenes, los círculos más grandes e incompletos de ARNm representan regiones lineales. Las estructuras secundarias de "bucle de tallo", donde los "tallos" están formados por una región de emparejamiento de bases de ARNm con otra región en la misma cadena, se muestran sobresaliendo del ADN lineal. La región lineal de la señal de desplazamiento del marco ribosómico del VIH contiene una secuencia resbaladiza UUU UUU A altamente conservada; muchas de las otras estructuras predichas también contienen candidatos a secuencias resbaladizas.
Las secuencias de ARNm de las imágenes se pueden leer según un conjunto de pautas. Si bien A, T, C y G representan un nucleótido particular en una posición, también hay letras que representan ambigüedad que se usan cuando más de un tipo de nucleótido podría ocurrir en esa posición. Las reglas de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada ( IUPAC ) son las siguientes: [18]
Estos símbolos también son válidos para el ARN, excepto que U (uracilo) reemplaza a T (timina). [18]
Se ha descubierto que pequeñas moléculas, proteínas y ácidos nucleicos estimulan los niveles de cambio de marco. Por ejemplo, el mecanismo de un circuito de retroalimentación negativa en la vía de síntesis de poliaminas se basa en que los niveles de poliamina estimulan un aumento en los desplazamientos del marco de lectura +1, lo que resulta en la producción de una enzima inhibidora . También se ha demostrado que ciertas proteínas que son necesarias para el reconocimiento de codones o que se unen directamente a la secuencia de ARNm modulan los niveles de cambio de marco. Las moléculas de microARN (miARN) pueden hibridarse con una estructura secundaria de ARN y afectar su fuerza. [6]