Los mecanismos de vigilancia del ARNm son vías que utilizan los organismos para garantizar la fidelidad y la calidad de las moléculas de ARN mensajero (ARNm). Existen varios mecanismos de vigilancia presentes en las células. Estos mecanismos funcionan en varios pasos de la vía de biogénesis del ARNm para detectar y degradar las transcripciones que no se han procesado correctamente.
La traducción de las transcripciones de ARN mensajero en proteínas es una parte vital del dogma central de la biología molecular . Sin embargo, las moléculas de ARNm son propensas a una serie de errores de fidelidad que pueden causar errores en la traducción del ARNm en proteínas de calidad . [1] Los mecanismos de vigilancia del ARN son métodos que utilizan las células para asegurar la calidad y fidelidad de las moléculas de ARNm. [2] Esto generalmente se logra mediante el marcado de moléculas de ARNm aberrantes para su degradación por varias nucleasas endógenas . [3]
La vigilancia del ARNm se ha documentado en bacterias y levaduras . En eucariotas , se sabe que estos mecanismos funcionan tanto en el núcleo como en el citoplasma . [4] Las comprobaciones de fidelidad de las moléculas de ARNm en el núcleo dan como resultado la degradación de las transcripciones procesadas incorrectamente antes de su exportación al citoplasma. Las transcripciones están sujetas a una vigilancia adicional una vez en el citoplasma. Los mecanismos de vigilancia citoplasmática evalúan las transcripciones de ARNm para detectar la ausencia o presencia de codones de terminación prematuros. [3] [4]
Actualmente se sabe que dentro de las células funcionan tres mecanismos de vigilancia : la vía de desintegración del ARNm mediada por sinsentido (NMD), la vía de desintegración del ARNm mediada sin interrupción (NSD) y la vía de desintegración del ARNm mediada por no pasar (NGD).
La descomposición mediada por sinsentidos está involucrada en la detección y descomposición de las transcripciones de ARNm que contienen codones de terminación prematura (PTC). Los PTC pueden surgir en las células a través de varios mecanismos: mutaciones de la línea germinal en el ADN; mutaciones somáticas en el ADN; errores en la transcripción ; o errores en el procesamiento postranscripcional del ARNm. [5] [6] La falta de reconocimiento y descomposición de estas transcripciones de ARNm puede resultar en la producción de proteínas truncadas que pueden ser dañinas para el organismo. Al causar la descomposición de polipéptidos truncados en el extremo C , el mecanismo NMD puede proteger a las células contra efectos nocivos dominantes negativos y de ganancia de función . [7] Los PTC han sido implicados en aproximadamente el 30% de todas las enfermedades hereditarias ; como tal, la vía NMD juega un papel vital para asegurar la supervivencia general y la aptitud de un organismo. [8] [9]
Se ensambla un complejo de vigilancia que consta de varias proteínas ( eRF1 , eRF3 , Upf1 , Upf2 y Upf3) y escanea el ARNm en busca de codones de terminación prematuros. [5] El ensamblaje de este complejo se desencadena por la terminación prematura de la traducción. Si se detecta un codón de terminación prematuro, se envía una señal al transcrito del ARNm para su degradación: se produce el acoplamiento de la detección con la degradación. [3] [10] [11]
Se han identificado siete genes smg (smg1-7) y tres genes UPF (Upf1-3) en Saccharomyces cerevisiae y Caenorhabditis elegans como factores transactivos esenciales que contribuyen a la actividad de NMD. [12] [13] Todos estos genes se conservan en Drosophila melanogaster y otros mamíferos, donde también desempeñan papeles críticos en NMD. En los eucariotas hay tres componentes que se conservan en el proceso de NMD. [14] Estos son los complejos Upf1/SMG-2, Upf2/SMG-3 y Upf3/SMG-4. Upf1/SMG-2 es una fosfoproteína en organismos multicelulares y se cree que contribuye a NMD a través de su actividad de fosforilación. Sin embargo, las interacciones exactas de las proteínas y sus papeles en NMD son actualmente objeto de controversia. [11] [12] [14] [15] [16]
Un codón de terminación prematuro debe reconocerse como diferente de un codón de terminación normal para que solo el primero desencadene una respuesta NMD. Se ha observado que la capacidad de un codón sin sentido para causar la degradación del ARNm depende de su ubicación relativa al elemento de secuencia corriente abajo y las proteínas asociadas. [1] Los estudios han demostrado que los nucleótidos más de 50-54 nucleótidos corriente arriba de la última unión exón-exón pueden dirigirse al ARNm para la descomposición. [1] [4] [5] [6] [7] [17] Los que están corriente abajo de esta región no pueden hacerlo. Por lo tanto, los codones sin sentido se encuentran más de 50-54 nucleótidos corriente arriba del último límite del exón, mientras que los codones de terminación naturales se encuentran dentro de los exones terminales. [18] Los complejos de unión exón (EJC) marcan los límites exón-exón. Los EJC son complejos multiproteicos que se ensamblan durante el empalme en una posición aproximadamente 20-24 nucleótidos corriente arriba de la unión de empalme. [19] Es este EJC el que proporciona la información de posición necesaria para discriminar los codones de terminación prematuros de los codones de terminación naturales. El reconocimiento de los PTC parece depender de las definiciones de las uniones exón-exón. Esto sugiere la participación del espliceosoma en la NMD de los mamíferos. [17] [20] La investigación ha investigado la posibilidad de la participación del espliceosoma en la NMD de los mamíferos y ha determinado que es una posibilidad probable. [18] Además, se ha observado que los mecanismos de la NMD no son activados por transcripciones sin sentido que se generan a partir de genes que naturalmente no contienen intrones (por ejemplo, histona H4, Hsp70, receptor de melanocortina-4). [7]
Cuando el ribosoma alcanza un PTC, los factores de traducción eRF1 y eRF3 interactúan con los complejos EJC retenidos a través de un puente multiproteico. [21] Las interacciones de UPF1 con el complejo de terminación y con UPF2 /UPF3 de los EJC retenidos son críticas. Son estas interacciones las que dirigen el ARNm para su rápida descomposición por nucleasas endógenas [18] [21]
Estudios que involucran organismos como S. cerevisiae , D. melanogaster y C. elegans han demostrado que el reconocimiento de PTC que involucra organismos invertebrados no involucra límites exón-exón. [20] Estos estudios sugieren que la NMD de invertebrados ocurre independientemente del splicing. Como resultado, los EJC que son responsables de marcar los límites exón-exón no son necesarios en la NMD de invertebrados. [3] Se han propuesto varios modelos para explicar cómo los PTC se distinguen de los codones de terminación normales en invertebrados. Uno de estos sugiere que puede haber un elemento de secuencia corriente abajo que funciona de manera similar a las uniones de exones en mamíferos. [11] Un segundo modelo propone que una característica ampliamente presente en el ARNm, como una cola de poli-A 3', podría proporcionar la información posicional requerida para el reconocimiento. [22] Otro modelo, denominado "modelo 3'UTR falso", sugiere que la terminación prematura de la traducción puede distinguirse de la terminación normal debido a características intrínsecas que pueden permitirle reconocer su presencia en un entorno inadecuado. [3] Sin embargo, estos mecanismos aún deben demostrarse de manera concluyente.
Existen dos mecanismos de reconocimiento de PTC en plantas: según su distancia al EJC (como en vertebrados) o a la cola de poli-A. El mecanismo NMD en plantas induce la desintegración de ARNm que contienen un 3'UTR más largo de 300 nucleótidos, por eso la proporción de ARNm con 3'UTR más largos es mucho menor en plantas que en vertebrados. [23] [24]
En general, se cree que los ARNm con mutaciones sin sentido son el objetivo de la degradación a través de las vías NMD. La presencia de este codón de terminación prematuro a unos 50-54 nucleótidos en el punto 5' de la unión exónica parece ser el desencadenante de la degradación rápida; sin embargo, se ha observado que algunas moléculas de ARNm con un codón de terminación prematuro pueden evitar la detección y la degradación. [17] [25] En general, estas moléculas de ARNm poseen el codón de terminación muy temprano en el marco de lectura (es decir, el PTC está próximo a AUG). Esto parece ser una contradicción con el modelo actual aceptado de NMD, ya que esta posición está significativamente a 5' de la unión exón-exón. [26]
Esto se ha demostrado en la β-globulina. Los ARNm de β-globulina que contienen una mutación sin sentido al principio del primer exón del gen son más estables que las moléculas de ARNm sensibles a la NMD. Actualmente no se conoce el mecanismo exacto de evitación de la detección. Se ha sugerido que la proteína de unión a poli-A (PABP) parece desempeñar un papel en esta estabilidad. [27] Se ha demostrado en otros estudios que la presencia de esta proteína cerca de los PTC proximales a AUG parece promover la estabilidad de estos ARNm que de otro modo serían sensibles a la NMD. Se ha observado que este efecto protector no se limita solo al promotor de β-globulina. [25] Esto sugiere que este mecanismo de evitación de la NMD puede prevalecer en otros tipos de tejidos para una variedad de genes. Es posible que sea necesario revisar el modelo actual de NMD en estudios posteriores.
La descomposición mediada por nonstop (NSD) está involucrada en la detección y descomposición de las transcripciones de ARNm que carecen de un codón de terminación. [29] [30] Estas transcripciones de ARNm pueden surgir de muchos mecanismos diferentes, como la adenilación prematura en 3' o señales de poliadenilación críptica dentro de la región codificante de un gen. [31] Esta falta de un codón de terminación resulta en un problema significativo para las células. Los ribosomas que traducen el ARNm finalmente traducen a la región de cola de poli-A en 3' de las transcripciones y se bloquean. Como resultado, no pueden expulsar el ARNm. [32] Por lo tanto, los ribosomas pueden quedar secuestrados asociados con el ARNm nonstop y no estarían disponibles para traducir otras moléculas de ARNm en proteínas. La descomposición mediada por nonstop resuelve este problema al liberar los ribosomas bloqueados y marcar el ARNm nonstop para su degradación en la célula por nucleasas. La descomposición mediada por nonstop consta de dos vías distintas que probablemente actúan en conjunto para descomponer el ARNm nonstop. [29] [30]
Esta vía está activa cuando la proteína Ski7 está disponible en la célula. Se cree que la proteína Ski7 se une al sitio A vacío del ribosoma. Esta unión permite que el ribosoma expulse la molécula de ARNm nonstop atascada; esto incluso libera el ribosoma y le permite traducir otras transcripciones. La Ski7 ahora está asociada con el ARNm nonstop y es esta asociación la que dirige al ARNm nonstop para que el exosoma citosólico lo reconozca . El complejo Ski7-exosoma desadenila rápidamente la molécula de ARNm, lo que permite que el exosoma degrade la transcripción en un sentido 3' a 5'. [29] [30]
Se ha observado un segundo tipo de NSD en levaduras. En este mecanismo, la ausencia de Ski7 da como resultado la pérdida de las proteínas PABP que se unen a la cola de poli-A por la acción del ribosoma de traducción. La eliminación de estas proteínas PABP da como resultado la pérdida de la tapa protectora 5'm7G . La pérdida de la tapa da como resultado una rápida degradación del transcrito por una exonucleasa 5'-3' endógena como XrnI. [30]
La descomposición No-Go (NGD) es el mecanismo de vigilancia descubierto más recientemente. [33] Como tal, actualmente no se comprende bien. Si bien los objetivos auténticos de la NGD son poco conocidos, parecen consistir principalmente en transcripciones de ARNm en las que los ribosomas se han estancado durante la traducción. Este estancamiento puede ser causado por una variedad de factores, incluidas las estructuras secundarias fuertes , que pueden bloquear físicamente la maquinaria de traducción para que no se desplace por la transcripción. [33] Es probable que Dom34/Hbs1 se una cerca del sitio A de los ribosomas estancados y pueda facilitar el reciclaje de complejos. [34] En algunos casos, la transcripción también se escinde de manera endonucleolítica cerca del sitio de estancamiento; sin embargo, la identidad de la endonucleasa responsable sigue siendo controvertida. Las moléculas de ARNm fragmentadas luego son degradadas por completo por el exosoma en una forma 3' a 5' y por Xrn1 en una forma 5' a 3'. [33] Actualmente no se sabe cómo este proceso libera el ARNm de los ribosomas, sin embargo, la Hbs1 está estrechamente relacionada con la proteína Ski7, que desempeña un papel claro en la liberación de ribosomas en la NSD mediada por Ski7. Se postula que la Hbs1 puede desempeñar un papel similar en la NGD. [5] [35]
Es posible determinar la historia evolutiva de estos mecanismos observando la conservación de las proteínas clave implicadas en cada mecanismo. Por ejemplo: Dom34/Hbs1 se asocian con NGD; [33] Ski7 se asocia con NSD; [29] y las proteínas eRF se asocian con NMD. [6] Con este fin, se han realizado extensas búsquedas BLAST para determinar la prevalencia de las proteínas en varios tipos de organismos. Se ha determinado que NGD Hbs1 y NMD eRF3 se encuentran solo en eucariotas. Sin embargo, el NGD Dom34 es universal en eucariotas y arqueas . Esto sugiere que NGD parece haber sido el primer mecanismo de vigilancia de ARNm evolucionado. La proteína NSD Ski7 parece estar restringida estrictamente a las especies de levadura, lo que sugiere que NSD es el mecanismo de vigilancia evolucionado más recientemente. Esto, por defecto, deja a NMD como el segundo mecanismo de vigilancia evolucionado. [36]
