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Virus del bacilo phi29

Modelo estructural del bacteriófago Φ29 con resolución atómica [1]

El virus Bacillus Φ29 (bacteriófago Φ29) es un bacteriófago de ADN bicatenario (dsDNA)con una cabeza icosaédrica alargada y una cola corta que pertenece al género Salasvirus , orden Caudovirales y familia Salasmaviridae . [2] [3] Están en el mismo orden que los fagos PZA, Φ15, BS32, B103, M2Y (M2), Nf y GA-1. [4] [5] Descubierto por primera vez en 1965, el fago Φ29 es el fago Bacillus más pequeño aislado hasta la fecha y se encuentra entre los fagos dsDNA más pequeños conocidos. [2] [3]

Φ29 tiene una estructura motora de empaquetamiento de ADN única que emplea ARN empaquetador prohead (pRNA) para guiar la translocación del genoma del fago durante la replicación . Este novedoso sistema de estructura ha inspirado la investigación en curso en nanotecnología , administración de fármacos y terapias . [6] [7] [8] [9]

En la naturaleza, el fago Φ29 infecta a Bacillus subtilis , una especie de bacteria grampositiva formadora de endosporas que se encuentra en el suelo , así como en los tractos gastrointestinales de varios organismos marinos y terrestres , incluidos los seres humanos . [10]

Historia

En 1965, el microbiólogo estadounidense Dr. Bernard Reilly descubrió el fago Φ29 en el laboratorio del Dr. John Spizizen en la Universidad de Minnesota . [11] [12] Debido a su pequeño tamaño y morfología compleja, se ha convertido en un modelo ideal para el estudio de muchos procesos en biología molecular , como la morfogénesis , el empaquetamiento del ADN viral , la replicación viral y la transcripción . [12] [13]

Estructura

Dibujo esquemático de un virión del fago Φ29 (sección transversal y vista lateral).

La estructura de Φ29 está compuesta por siete proteínas principales : la proteína terminal (p3), la proteína de la cabeza o cápside (p8), la proteína de la fibra de la cabeza o cápside (p8.5), la proteína del botón distal de la cola (p9), la proteína portal o conectora (p10), las proteínas del tubo de la cola o collar inferior (p11) y las proteínas de las fibras de la cola o apéndices (p12*). [6]

La principal diferencia entre la estructura de Φ29 y la de otros fagos es el uso de pRNA en su motor de empaquetamiento de ADN. [6]

Motor de empaquetado de ADN

El motor de empaquetamiento de ADN Φ29 empaqueta el genoma del fago en la procápside durante la replicación viral. [6] El motor de empaquetamiento Φ29 está compuesto estructuralmente por la procápside y las proteínas conectoras, que interactúan con el pRNA, la enzima de empaquetamiento (gp16) y el sustrato de empaquetamiento (ADN genómico-gp3). [6] Debido a que el proceso de empaquetamiento del genoma requiere mucha energía , debe ser facilitado por un motor alimentado por ATP que convierta la energía química en energía mecánica a través de la hidrólisis de ATP . [6] [14] El motor de empaquetamiento Φ29 puede generar aproximadamente 57 piconewtons (pN) de fuerza , lo que lo convierte en uno de los biomotores más potentes estudiados hasta la fecha. [6]

pARN

El pRNA Φ29 es una molécula muy versátil que puede polimerizarse en dímeros , trímeros , tetrámeros , pentámeros y hexámeros . [15] Estudios tempranos como Anderson (1990) y Trottier (1998) plantearon la hipótesis de que el pRNA formaba hexámeros intermoleculares, pero estos estudios tenían una base exclusivamente genética en lugar de un enfoque basado en la microscopía . [16] [17] [18] En el año 2000, un estudio de Simpson et al. empleó microscopía crioelectrónica para determinar que, in vivo , solo un pentámero o un polímero más pequeño podía caber espacialmente en el virus. [18] Finalmente, se utilizó la cristalografía de reemplazo isomorfo simple con dispersión anómala (SIRAS) para determinar que la estructura in vivo es un anillo de tetrámero. [19] Este descubrimiento se alineó con lo que se sabía sobre la geometría estructural y la flexibilidad necesaria de la unión de tres vías del motor de empaquetamiento. [19] Cuando el pRNA se encuentra en esta forma de anillo de tetrámero, funciona como parte del motor de empaquetamiento del ADN para transportar las moléculas de ADN a su ubicación de destino dentro de la cápsula prohead. [20] Específicamente, los dominios funcionales del pRNA se unen a la enzima de empaquetamiento gp16 y a la molécula conectora estructural para ayudar en la translocación del ADN a través del canal prohead. [6] Una vez que se completa el empaquetamiento del ADN, el pRNA se disocia y se degrada. [21]

Genoma y replicación

El mecanismo de replicación del bacteriófago Φ29

El fago Φ29 tiene un genoma de dsADN lineal que consta de 19.285 bases . [2] Ambos extremos 5' del genoma están cubiertos por una proteína terminal unida covalentemente (p3) que forma complejos con la ADN polimerasa durante la replicación. [2] [22]

Φ29 es uno de los muchos fagos con una ADN polimerasa que tiene una estructura y función diferentes en comparación con las ADN polimerasas estándar en otros organismos. [22] Φ29 forma un complejo de replicación que involucra la proteína p3 terminal, el nucleótido dAMP y su propia ADN polimerasa para sintetizar ADN en una dirección de 5' a 3' . Este proceso de replicación también emplea un mecanismo de deslizamiento hacia atrás hacia el extremo 3' del genoma que utiliza un motivo TTT repetido para mover el complejo de replicación hacia atrás sin alterar la secuencia de plantilla. [22] [23] Esto permite que el inicio de la replicación del ADN sea más preciso al hacer que el complejo de polimerasa verifique una secuencia específica antes de comenzar el proceso de elongación. [23] [24]

Aplicaciones

Focalización de moléculas TNBC por el pRNA del bacteriófago Φ29

Ensamblaje de nanopartículas

La versatilidad en la estructura y función del ARN proporciona la capacidad de ensamblar nanopartículas para terapias nanomedicinales . [7] El pRNA en el bacteriófago Φ29 puede usar su unión de tres vías para autoensamblarse en nanopartículas. [7]

Uno de los principales desafíos del uso de nanopartículas derivadas de pRNA es la producción a gran escala , ya que la mayoría de las industrias actualmente no están equipadas para manejar la síntesis industrial de pRNA. [8] Esto se debe principalmente a que la nanotecnología de ARN sigue siendo un campo emergente que carece de aplicación industrial y optimización de la fabricación de ARN pequeños. [25]

Entrega de medicamentos

El sistema de empaquetamiento de ADN de Φ29, que utiliza pRNA, incorpora un motor para la administración de moléculas terapéuticas como ribozimas y aptámeros . [8] El pequeño tamaño de las nanopartículas derivadas de pRNA también ayuda a administrar medicamentos en espacios reducidos como los vasos sanguíneos . [8]

La principal dificultad en el uso de la administración de fármacos basada en aptámeros es la obtención de aptámeros únicos y otros multímeros para tratamientos específicos de enfermedades que potencialmente degradan los multímeros terapéuticos y las nanopartículas in vivo. [8] Las nanopartículas deben estabilizarse como mecanismos de administración para adaptarse a microambientes que pueden resultar en la pérdida de carga terapéutica. [26]

Tratamiento del cáncer de mama triple negativo

El cáncer de mama triple negativo (TNBC) es una forma agresiva de cáncer de mama que representa entre el diez y el quince por ciento de todos los casos de cáncer de mama. [27] La ​​quimioterapia es el único tratamiento viable actual para el TNBC porque la pérdida de receptores objetivo inherente a la enfermedad hace que las células cancerosas resistan los fármacos terapéuticos . [9]

La unión de tres vías en el motor de empaquetamiento de ADN Φ29 puede ayudar a sensibilizar las células TNBC a la quimioterapia utilizando un mecanismo de administración de fármacos de ARNi para inhibir el crecimiento y el volumen de las TNBC. [9] Este tratamiento también se puede combinar con medicamentos contra el cáncer como la doxorrubicina para mejorar los efectos terapéuticos. [9]

Véase también

Referencias

  1. ^ Padilla-Sanchez, Victor (17 de julio de 2021), Modelo estructural del bacteriófago Φ29 con resolución atómica, doi :10.5281/zenodo.5111609 , consultado el 17 de julio de 2021
  2. ^ abcd Meijer, Wilfried JJ; Horcajadas, José A.; Salas, Margarita (2001). "Familia de fagos φ29". Reseñas de Microbiología y Biología Molecular . 65 (2): 261–287. doi :10.1128/MMBR.65.2.261-287.2001. ISSN  1092-2172. PMC 99027 . PMID  11381102. 
  3. ^ ab Ackermann, Hans-W. (1998). "Bacteriófagos con cola: el orden Caudovirales". Avances en la investigación de virus . 51 : 135–201. doi :10.1016/S0065-3527(08)60785-X. ISBN 978-0-12-039851-5. ISSN  0065-3527. PMC 7173057.  PMID 9891587  .
  4. ^ Bacteriófago: genética y biología molecular. Stephen Mc Grath, Douwe van Sinderen. Norfolk, Reino Unido: Caister Academic Press. 2007. ISBN 978-1-904455-14-1.OCLC 86168751  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: otros ( enlace )
  5. ^ Camacho, Ana; Jiménez, Fernando; Torre, Javier; Carrascosa, José L.; Mellado, Rafael P.; Viñuela, Eladio; Salas, Margarita; Vásquez, César (febrero de 1977). "Ensamblaje de Bacillus subtilis Phage Phi29. 1. Mutantes en los cistrones que codifican las proteínas estructurales". Revista europea de bioquímica . 73 (1): 39–55. doi : 10.1111/j.1432-1033.1977.tb11290.x . ISSN  0014-2956. PMID  402269.
  6. ^ abcdefgh Lee, Tae Jin; Schwartz, Chad; Guo, Peixuan (1 de octubre de 2009). "Construcción del motor de empaquetamiento de ADN del bacteriófago Phi29 y sus aplicaciones en nanotecnología y terapia". Anales de ingeniería biomédica . 37 (10): 2064–2081. doi :10.1007/s10439-009-9723-0. ISSN  1573-9686. PMC 2855900 . PMID  19495981. 
  7. ^ abc Shu, Yi; Wang, Hongzhi; Seremi, Bahar; Guo, Peixuan (2022), "Métodos de fabricación para el ensamblaje de nanopartículas de ARN basados ​​en características estructurales del pRNA del bacteriófago Phi29", RNA Nanotechnology and Therapeutics , págs. 141–157, doi :10.1201/9781003001560-21, ISBN 978-1-003-00156-0, consultado el 1 de noviembre de 2022
  8. ^ abcde Ye, Xin; Hemida, Maged; Zhang, Huifang M.; Hanson, Paul; Ye, Qiu; Yang, Decheng (2012). "Avances actuales en la biología del pRNA Phi29 y su aplicación en la administración de fármacos: avances actuales en la biología del pRNA Phi29 y su aplicación". Wiley Interdisciplinary Reviews: ARN . 3 (4): 469–481. doi : 10.1002/wrna.1111 . PMID  22362726. S2CID  12631001.
  9. ^ abcd Zhang, Long; Mu, Chaofeng; Zhang, Tinghong; Yang, Dejun; Wang, Chenou; Chen, Qiong; Tang, Lin; Fan, Luhui; Liu, Cong; Shen, Jianliang; Li, Huaqiong (7 de enero de 2021). "Desarrollo de terapias dirigidas para sensibilizar la quimiosensibilidad del cáncer de mama triple negativo utilizando ARN de empaquetamiento derivado del bacteriófago phi29". Revista de nanobiotecnología . 19 (1): 13. doi : 10.1186/s12951-020-00758-4 . ISSN  1477-3155. PMC 7792131 . PMID  33413427. 
  10. ^ Errington, Jeffery; van der Aart, Lizah T (11 de mayo de 2020). "Perfil microbiano: Bacillus subtilis: organismo modelo para el desarrollo celular y caballo de batalla industrial". Microbiología . 166 (5): 425–427. doi : 10.1099/mic.0.000922 . ISSN  1350-0872. PMC 7376258 . PMID  32391747. 
  11. ^ Reilly, Bernard E.; Spizizen, John (1965). "Infección de Bacillus subtilis1 competente por desoxirribonucleatos de bacteriófagos". Revista de bacteriología . 89 (3): 782–790. doi :10.1128/jb.89.3.782-790.1965. ISSN  0021-9193. PMC 277537 . PMID  14273661. 
  12. ^ ab Salas, Margarita (2007-10-01). "40 años con el bacteriófago ø29". Revisión anual de microbiología . 61 (1): 1–22. doi : 10.1146/annurev.micro.61.080706.093415 . ISSN  0066-4227. PMID  17441785.
  13. ^ "Acerca de | Virología". Universidad de Minnesota . Archivado desde el original el 2022-11-01 . Consultado el 2022-10-31 .
  14. ^ Rao, Venigalla B.; Feiss, Michael (2008). "El motor de empaquetamiento de ADN del bacteriófago". Revisión anual de genética . 42 : 647–681. doi :10.1146/annurev.genet.42.110807.091545. ISSN  0066-4197. PMID  18687036.
  15. ^ Hoeprich, Stephen; Guo, Peixuan (7 de junio de 2002). "Modelado por computadora de la estructura tridimensional del monómero, dímero y hexámero del ARN empaquetador de ADN (pARN) del motor de empaquetamiento de ADN Phi29*". Revista de química biológica . 277 (23): 20794–20803. doi : 10.1074/jbc.M112061200 . ISSN  0021-9258. PMID  11886855.
  16. ^ Grimes, Shelley; Anderson, Dwight (20 de octubre de 1990). "Dependencia del ARN de la ATPasa de empaquetamiento del ADN del bacteriófago φ29". Journal of Molecular Biology . 215 (4): 559–566. doi :10.1016/S0022-2836(05)80168-8. ISSN  0022-2836. PMID  1700132.
  17. ^ Guo, Peixuan; Zhang, Chunlin; Chen, Chaoping; Garver, Kyle; Trottier, Mark (1998-07-01). "Interacción inter-ARN del pARN del fago φ29 para formar un complejo hexamérico para el transporte de ADN viral". Molecular Cell . 2 (1): 149–155. doi : 10.1016/S1097-2765(00)80124-0 . ISSN  1097-2765. PMID  9702202.
  18. ^ ab Simpson, Alan A.; Tao, Yizhi; Leiman, Petr G.; Badasso, Mohammed O.; He, Yongning; Jardine, Paul J.; Olson, Norman H.; Morais, Marc C.; Grimes, Shelley; Anderson, Dwight L.; Baker, Timothy S.; Rossmann, Michael G. (2000). "Estructura del motor de empaquetamiento de ADN del bacteriófago φ29". Nature . 408 (6813): 745–750. Bibcode :2000Natur.408..745S. doi :10.1038/35047129. ISSN  1476-4687. PMC 4151180 . PMID  11130079. 
  19. ^ ab Ding, Fang; Lu, Changrui; Zhao, Wei; Rajashankar, Kanagalaghatta R.; Anderson, Dwight L.; Jardine, Paul J.; Grimes, Shelley; Ke, Ailong (3 de mayo de 2011). "Estructura y ensamblaje del componente esencial del anillo de ARN de un motor de empaquetamiento de ADN viral". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 108 (18): 7357–7362. Bibcode :2011PNAS..108.7357D. doi : 10.1073/pnas.1016690108 . ISSN  0027-8424. PMC 3088594 . PMID  21471452. 
  20. ^ Guo, Peixuan; Zhang, Chunlin; Chen, Chaoping; Garver, Kyle; Trottier, Mark (1998-07-01). "Interacción inter-ARN del pARN del fago φ29 para formar un complejo hexamérico para el transporte de ADN viral". Molecular Cell . 2 (1): 149–155. doi : 10.1016/S1097-2765(00)80124-0 . ISSN  1097-2765. PMID  9702202.
  21. ^ Rao, Venigalla B.; Feiss, Michael (9 de noviembre de 2015). "Mecanismos de empaquetamiento de ADN por virus de ADN de doble cadena de gran tamaño". Revisión anual de virología . 2 (1): 351–378. doi :10.1146/annurev-virology-100114-055212. ISSN  2327-056X. PMC 4785836 . PMID  26958920. 
  22. ^ abc Morcinek-Orłowska, Joanna; Zdrojewska, Karolina; Węgrzyn, Alicja (2022). "ADN polimerasas codificadas por bacteriófagos: más allá de la visión tradicional de las actividades de la polimerasa". Revista internacional de ciencias moleculares . 23 (2): 635. doi : 10.3390/ijms23020635 . ISSN  1422-0067. PMC 8775771 . PMID  35054821. 
  23. ^ ab De Vega, Miguel; Salas, Margarita (26 de septiembre de 2011). "Capítulo 9: Replicación del ADN del bacteriófago Φ29 impulsada por proteínas". En Kusic-Tisma, Jelena (ed.). Replicación del ADN y procesos celulares relacionados. IntechOpen. pp. 179–206. ISBN 978-953-307-775-8.
  24. ^ Grimes, Shelley; Jardine, Paul J.; Anderson, Dwight (1 de enero de 2002), Empaquetado de ADN del bacteriófago φ29, Advances in Virus Research, vol. 58, Academic Press, págs. 255-294, doi :10.1016/s0065-3527(02)58007-6, ISBN 978-0-12-039858-4, PMID  12205781 , consultado el 24 de octubre de 2022
  25. ^ Jasinski, Daniel; Haque, Farzin; Binzel, Daniel W; Guo, Peixuan (7 de febrero de 2017). "Avance del campo emergente de la nanotecnología del ARN". ACS Nano . 11 (2): 1142–1164. doi :10.1021/acsnano.6b05737. ISSN  1936-0851. PMC 5333189 . PMID  28045501. 
  26. ^ Shu, Yi; Pi, Fengmei; Sharma, Ashwani; Rajabi, Mehdi; Haque, Farzin; Shu, Dan; Leggas, Markos; Evers, B. Mark; Guo, Peixuan (2014). "Nanopartículas de ARN estables como posibles fármacos de nueva generación para la terapia del cáncer". Advanced Drug Delivery Reviews . 66 : 74–89. doi :10.1016/j.addr.2013.11.006. ISSN  0169-409X. PMC 3955949 . PMID  24270010. 
  27. ^ "Cáncer de mama triple negativo | Detalles, diagnóstico y signos". www.cancer.org . Consultado el 1 de noviembre de 2022 .