La biogénesis de ribosomas es el proceso de fabricación de ribosomas . En los procariotas , este proceso tiene lugar en el citoplasma con la transcripción de muchos operones de genes ribosomales . En eucariotas tiene lugar tanto en el citoplasma como en el nucléolo . Implica la función coordinada de más de 200 proteínas en la síntesis y procesamiento de los tres ARNr procarióticos o cuatro eucariotas , así como el ensamblaje de esos ARNr con las proteínas ribosómicas. La mayoría de las proteínas ribosómicas se dividen en varias familias de enzimas consumidoras de energía, incluidas las ARN helicasas dependientes de ATP , las AAA-ATPasas , las GTPasas y las quinasas . [1] Aproximadamente el 60% de la energía de una célula se gasta en la producción y el mantenimiento de ribosomas. [2]
La biogénesis de los ribosomas es un proceso muy estrictamente regulado y está estrechamente relacionado con otras actividades celulares como el crecimiento y la división. [3] [4]
Algunos han especulado que en el origen de la vida, la biogénesis de los ribosomas es anterior a las células y que los genes y las células evolucionaron para mejorar la capacidad reproductiva de los ribosomas. [5]
Los ribosomas son las máquinas macromoleculares responsables de la traducción del ARNm en proteínas. El ribosoma eucariota, también llamado ribosoma 80S, está formado por dos subunidades: la subunidad grande 60S (que contiene el 25S [en plantas] o 28S [en mamíferos], 5.8S y 5S rRNA y 46 proteínas ribosómicas) y un pequeña subunidad 40S (que contiene el ARNr 18S y 33 proteínas ribosómicas). [6] Las proteínas ribosómicas están codificadas por genes ribosómicos.
Hay 52 genes que codifican las proteínas ribosómicas y se pueden encontrar en 20 operones dentro del ADN procariótico. La regulación de la síntesis de ribosomas depende de la regulación del propio ARNr .
En primer lugar, una reducción del aminoacil-ARNt hará que la célula procariótica responda reduciendo la transcripción y la traducción . Esto ocurre a través de una serie de pasos, comenzando con factores estrictos que se unen a los ribosomas y catalizan la reacción:
GTP + ATP --> pppGpp + AMP
Luego se elimina el γ-fosfato y la ppGpp se unirá e inhibirá la ARN polimerasa. Esta unión provoca una reducción en la transcripción del ARNr. Una cantidad reducida de ARNr significa que las proteínas ribosómicas (proteínas r) se traducirán pero no tendrán un ARNr al que unirse. En cambio, se retroalimentarán negativamente y se unirán a su propio ARNm, reprimiendo la síntesis de proteína r. Tenga en cuenta que las proteínas r se unen preferentemente a su ARNr complementario si está presente, en lugar de ARNm.
Los operones de ribosomas también incluyen los genes de la ARN polimerasa y factores de elongación (utilizados en la traducción del ARN). La regulación de todos estos genes a la vez ilustra el acoplamiento entre la transcripción y la traducción en procariotas.
La síntesis de proteínas ribosómicas en eucariotas es una actividad metabólica importante. Ocurre, como la mayoría de la síntesis de proteínas, en el citoplasma, justo fuera del núcleo. Las proteínas ribosómicas individuales se sintetizan y se importan al núcleo a través de los poros nucleares . Consulte Importación nuclear para obtener más información sobre el movimiento de las proteínas ribosómicas hacia el núcleo.
El ADN se transcribe, a gran velocidad, en el nucleolo , que contiene todos los genes del ARNr 45S. La única excepción es el ARNr 5S que se transcribe fuera del nucléolo . Después de la transcripción, los ARNr se asocian con las proteínas ribosómicas, formando dos tipos de subunidades ribosómicas (grandes y pequeñas). Estos luego se ensamblarán en el citosol para formar un ribosoma funcional. Consulte exportación nuclear para obtener más información sobre el movimiento de las subunidades ribosómicas fuera del núcleo. [11]
Las células eucariotas cotranscriben tres de las especies de ARNr maduro mediante una serie de pasos. El proceso de maduración de los ARNr y el proceso de reclutamiento de las proteínas r ocurren en partículas ribosómicas precursoras, a veces llamadas prerribosomas, y tiene lugar en el nucleolo , el nucleoplasma y el citoplasma . La levadura S. cerevisiae es el organismo modelo eucariota para el estudio de la biogénesis de los ribosomas. La biogénesis de los ribosomas comienza en el nucleolo . Allí, el pre-ARN 35S se transcribe a partir de genes ribosómicos como un transcrito policistrónico mediante la ARN polimerasa I y se procesa en las subunidades 18S, 5.8S y 25S del ARNr. [1] [3]
La transcripción de la polimerasa I comienza con un complejo de iniciación Pol I que se une al promotor del ADNr . La formación de este complejo requiere la ayuda de un factor activador aguas arriba o UAF que se asocia con la proteína de unión a la caja TATA y el factor central (CF). Juntos, los dos factores de transcripción permiten que el complejo ARN pol I se una al factor de iniciación de la polimerasa I, Rrn3. A medida que se produce la transcripción de pol I, aproximadamente 75 pequeñas ribonucleopartículas nucleolares (snoRNP) facilitan las modificaciones covalentes cotranscripcionales de> 100 residuos de ARNr. Estos snoRNP controlan la metilación de nucleótidos de 2'-O-ribosa y también ayudan en la creación de pseudouridinas . [1] En el extremo 5' de las transcripciones de ARNr, las proteínas ribosómicas de subunidades pequeñas (Rps) y los factores no ribosómicos se ensamblan con las transcripciones de pre-ARN para crear protuberancias en forma de bola. Estas protuberancias son las primeras partículas prerribosomales en la vía de la subunidad ribosómica pequeña (40S). [1] La transcripción del ARNr se escinde en el sitio A2, y esto separa el pre-ribosoma 40S temprano del pre-ARNr restante que se combinará con las proteínas ribosomales de la subunidad grande (Rpl) y otros factores no ribosómicos para crear el pre-ARN. Partículas ribosómicas 60S. [1]
El ensamblaje transcripcional del precursor de la subunidad 40 S , a veces denominado procesoma de subunidad pequeña (SSU) o partícula 90S, se produce de forma jerárquica: esencialmente una incorporación gradual de los subcomplejos UTP-A, UTP-B y UTP-C. Estos subcomplejos están formados por más de 30 factores proteicos no ribosómicos, la partícula U3 snoRNP, algunas proteínas Rps y el pre-ARNr 35S. Sin embargo, no se ha descubierto su función exacta. [3] La composición de la partícula anterior a 40S cambia drásticamente una vez que se realiza la escisión en los sitios dependientes de snoRNPA U3 (sitios A0, A1 y A2). Este evento de escisión crea el pre-ARNr 20S y hace que los factores ribosómicos se disocian de la partícula pre-40S. U3 es desplazado del naciente 40S por la helicasa Dhr1. [12] En este punto del proceso de biogénesis del ribosoma, el preribosoma 40S ya muestra las estructuras de "cabeza" y "cuerpo" de la subunidad 40S madura. El preribosoma 40S se transporta fuera del nucléolo y hacia el citoplasma. El preribosoma citoplasmático 40S ahora contiene proteínas ribosómicas, el ARNr 20s y algunos factores no ribosómicos. La formación final de la estructura de “pico” de la subunidad 40S ocurre después de un evento de fosforilación y desfosforilación que involucra al complejo Enp1-Ltv1-Rps3 y la quinasa Hrr25. La escisión del pre-ARNr 20S en el sitio D crea el ARNr 18s maduro. Este evento de escisión depende de varios factores no ribosomales como Nob1, Rio1, Rio2, Tsr1 y Fap7. [1]
La maduración de la subunidad anterior a 60S en una subunidad 60S madura requiere muchos factores de biogénesis que se asocian y disocian. Además, algunos factores de ensamblaje se asocian con la subunidad 60S, mientras que otros solo interactúan con ella de manera transitoria. Como tendencia general, la maduración de la subunidad anterior a 60S marca una disminución gradual de su complejidad. La subunidad madura a medida que pasa del nucleolo al citoplasma y gradualmente se reduce el número de factores de acción trans . [3] La maduración de la subunidad 60S requiere la ayuda de unos 80 factores. Ocho de estos factores están directamente involucrados con el procesamiento del pre-ARNr 27S A3, que en realidad completa la formación del extremo 5' maduro del ARNr 5.8S. Los factores A3 se unen a sitios distantes del pre-ARN y entre sí. Posteriormente, acercan áreas de rRNA y promueven el procesamiento de pre-rRNA y el reclutamiento de proteínas ribosómicas. Tres ATPasas de tipo AAA actúan para eliminar los factores del preribosoma 60S en maduración. Una de las ATPasas es una proteína Rea1 similar a la dineína formada por 6 dominios ATPasa diferentes que forman una estructura de anillo. La estructura del anillo está unida a una cola flexible que tiene una punta MIDAS (sitio de adhesión dependiente de iones metálicos). El Rea1 interactúa con el preribosoma 60S a través de su anillo, mientras que dos sustratos , Ytm1 y Rsa1, interactúan con Rea1 a través de su punta MIDAS. El papel de estos sustratos aún no se ha definido. Sin embargo, ambos, junto con sus interacciones, se eliminan en el proceso de maduración del preribosoma 60S. Las otras dos ATPasas, Rix7 y Drg1, también funcionan para eliminar factores de ensamblaje de la subunidad 60S en maduración. Las helicasas y GTPasas también participan en la eliminación de factores de ensamblaje y la reordenación del ARN para formar la subunidad 60S completa. Una vez en el citoplasma (ver exportación nuclear), la subunidad 60S se somete a un procesamiento adicional para ser funcional. El resto de las partículas ribosómicas de la subunidad grande se asocian con la unidad 60S y los factores de ensamblaje no ribosómicos restantes se disocian. La liberación de los factores de biogénesis está mediada principalmente por GTPasas como Lsg1 y ATPasas como Drg1. La secuencia precisa de estos eventos aún no está clara. La vía de maduración citoplasmática 60S sigue incompleta en lo que respecta al conocimiento actual. [3]
Para que las unidades preribosómicas maduren por completo, deben exportarse al citoplasma . Para pasar eficazmente del nucleolo al citoplasma, los prerribosomas interactúan con los receptores de exportación para moverse a través del canal central hidrofóbico del complejo del poro nuclear. [3] La carioferina Crm1 es el receptor de ambas subunidades ribosómicas y media la exportación de forma dependiente de Ran-GTP . Reconoce moléculas que tienen señales de exportación nuclear ricas en leucina . El Crm1 es atraído hacia la subunidad grande 60S con la ayuda de una proteína adaptadora llamada Nmd3. Se desconoce la proteína adaptadora para la unidad 40S. Además de Crm1, otros factores desempeñan un papel en la exportación nuclear de preribosomas. Un receptor general de exportación de ARNm, llamado Mex67, así como una proteína que contiene repetición de HEAT, Rrp12, facilitan la exportación de ambas subunidades. Estos factores son proteínas no esenciales y ayudan a optimizar la exportación de los preribosomas al ser moléculas de gran tamaño. [3]
Debido a que los ribosomas son tan complejos, una cierta cantidad de ribosomas se ensamblan incorrectamente y podrían desperdiciar energía y recursos celulares al sintetizar proteínas no funcionales. Para evitar esto, las células tienen un sistema de vigilancia activo para reconocer los ribosomas dañados o defectuosos y seleccionarlos para su degradación. El mecanismo de vigilancia existe para detectar preribosomas no funcionales, así como ribosomas maduros no funcionales. Además, el sistema de vigilancia cuenta con el equipo de degradación necesario y, de hecho, degrada los ribosomas no funcionales. [1] Los prerribosomas que se acumulan en el núcleo son destruidos por el exosoma , que es un complejo de múltiples subunidades con actividad exonucleasa . Si las subunidades ribosómicas defectuosas logran salir del nucleolo y llegar al citoplasma, existe un segundo sistema de vigilancia para detectar los ribosomas defectuosos en el citoplasma para su degradación. Ciertas mutaciones en residuos de la subunidad grande del ribosoma en realidad darán como resultado la desintegración del ARN y, por tanto, la degradación de la unidad. Debido a que la cantidad de defectos posibles en el ensamblaje de ribosomas es tan extensa, aún se desconoce cómo el sistema de vigilancia detecta todos los defectos, pero se ha postulado que en lugar de apuntar a defectos específicos, el sistema de vigilancia reconoce las consecuencias de esos defectos. – como retrasos en el montaje. Es decir, si hay una interrupción en el ensamblaje o la maduración de un ribosoma maduro, el sistema de vigilancia actuará como si la subunidad estuviera defectuosa. [3]
Las mutaciones en la biogénesis de los ribosomas están relacionadas con varias enfermedades genéticas relacionadas con la ribosomopatía humana , incluidos los síndromes hereditarios de insuficiencia de la médula ósea, que se caracterizan por una predisposición al cáncer y un número reducido de células sanguíneas. La desregulación ribosómica también puede desempeñar un papel en la atrofia muscular . [13]
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