El degradosoma es un complejo multiproteico presente en la mayoría de las bacterias que interviene en el procesamiento del ARN ribosómico y la degradación del ARN mensajero y está regulado por el ARN no codificante . Contiene las proteínas ARN helicasa B , ARNasa E y Polinucleótido fosforilasa . [1]
El almacenamiento de ARN celular en las células fluctúa constantemente. Por ejemplo, en Escherichia coli , la esperanza de vida del ARN mensajero es de entre 2 y 25 minutos, mientras que en otras bacterias puede durar más. Incluso en células en reposo, el ARN se degrada en un estado estable y los productos de nucleótidos de este proceso se reutilizan posteriormente para nuevas rondas de síntesis de ácidos nucleicos . La renovación del ARN es muy importante para la regulación genética y el control de calidad.
Todos los organismos tienen varias herramientas para la degradación del ARN, por ejemplo, ribonucleasas, helicasas, nucleotidiltransferasas del extremo 3' (que añaden colas a las transcripciones), enzimas de tapado y descapsulado del extremo 5' y diversas proteínas de unión al ARN que ayudan a modelar el ARN para su presentación como sustrato o para su reconocimiento. Con frecuencia, estas proteínas se asocian en complejos estables en los que sus actividades son coordinadas o cooperativas. Muchas de estas proteínas del metabolismo del ARN están representadas en los componentes del degradosoma de ARN multienzimático de Escherichia coli , que está constituido por cuatro componentes básicos: la endoribonucleasa hidrolítica RNasa E , la exoribonucleasa fosforólitica PNPasa , la helicasa de ARN dependiente de ATP (RhIB) y una enzima glucolítica enolasa .
El degradosoma de ARN fue descubierto en dos laboratorios diferentes mientras se trabajaba en la purificación y caracterización de E. coli , la ARNasa E y los factores que podrían influir en la actividad de las enzimas degradadoras de ARN, en concreto, la PNPasa. Fue descubierto mientras se estudiaban dos de sus compuestos mayoritarios.
La composición de esta multienzima puede variar según el organismo. El complejo multiproteico ARN degradosoma en E. coli consta de 4 componentes canónicos:
Se han descrito algunas formas alternativas del degradosoma de ARN con diferentes proteínas . Los componentes alternativos suplementarios del degradosoma son PcnB ( poli A polimerasa ) y las helicasas de ARN RhlE y SrmB. Otros componentes alternativos durante el choque frío incluyen la helicasa de ARN CsdA . Otros componentes alternativos del degradosoma durante la fase estacionaria incluyen Rnr ( RNasa R ) y la supuesta helicasa de ARN HrpA. Ppk ( polifosfato quinasa ) es otro componente que se ha descrito como parte del complejo, al igual que la chaperona de ARN Hfq, PAP ( fosfatasa ácida prostática ), otros tipos de chaperonas y proteínas ribosómicas . Estas se han encontrado en preparaciones de degradosomas extraídos de células de E. coli . [4]
La estructura del degradosoma de ARN no es tan rígida como parece en la imagen, ya que ésta es solo un modelo para entender cómo funciona. La estructura del degradosoma de ARN es dinámica y cada componente interactúa con los componentes que están cerca de él. Por lo tanto, la estructura es como un dominio molecular donde el ARN puede interactuar como sustrato con cada uno de los componentes y cuando esto sucede, es realmente difícil que el ARN escape del complejo. [3]
El degradosoma de ARN es una enorme asociación multienzimática que participa en el metabolismo del ARN y el control postranscripcional de la expresión génica en numerosas bacterias, como Escherichia coli y Pseudoalteromonas haloplanktis . El complejo multiproteico también sirve como una máquina para procesar precursores de ARN estructurados en el curso de su maduración. [5] [6]
Se considera que la helicasa de ARN ayuda en el proceso de degradación para desarrollar la estructura de doble hélice en los bucles de tallo de ARN. Ocasionalmente, se aprecia la copurificación de ARNr con degradosoma, lo que sugiere que el complejo puede participar en la degradación de ARNr y ARNm. Hay muy poca información clara sobre el papel del degradosoma. Mirando los pasos de la degradación de un transcrito en E. coli , lo que se sabe es que en primer lugar las endorribonucleasas pueden escindir los sustratos para que luego las exorribonucleasas puedan trabajar en los productos. RhIB tiene muy poca actividad por sí misma pero la interacción con la ARNasa E puede estimularla. [7] El papel de la enolasa en el proceso de degradación del ARN aún no está adecuadamente descrito, aparentemente ayuda al complejo a ser más específico durante el proceso de degradación. [8] [9]
Un aspecto particularmente intrigante del degradosoma de ARN bacteriano es la presencia de enzimas metabólicas en muchos de los complejos estudiados. Además de la enzima enolasa presente en el degradosoma de E. coli , se han identificado las enzimas metabólicas aconitasa y fosfofructoquinasa en los degradosomas de C. crescentus y B. subtilis respectivamente. [10] [11] La razón de la presencia de estas enzimas no está clara en la actualidad.
Este complejo multiproteico es estimulado por un ARN no codificante , llamado miRNA en las células eucariotas y sRNA en las bacterias . Normalmente se utilizan pequeñas secuencias de aminoácidos para dirigir el ARNm hacia su destrucción. A partir de aquí, hay dos formas de hacerlo: dirigirse a la región de iniciación de la traducción (TIR) o a la secuencia de ADN codificante (CDS). En primer lugar, para unir el sRNA al ARNm diana se necesita una Hfq ( proteína chaperona ). Una vez realizada la unión, si el complejo Hfq-sRna termina en TIR, bloquea el sitio de unión al ribosoma (RBS) para que los ribosomas no puedan traducir, y activa nucleasas (RNasa E) para eliminar el ARNm. Otra posibilidad es terminar en otra región, lo que hace que el complejo funcione como punto de finalización de la traducción. De esta forma, los ribosomas pueden hacer su trabajo de decodificación, proceso que se detiene cuando llegan al complejo, donde se pone en marcha todo el proceso de destrucción. [5]
El proceso de destrucción del ARN es muy complicado. Para que sea más fácil de entender, utilizaremos como ejemplo el procedimiento de degradación del ARNm en Escherichia coli por ser el proceso más conocido. Está mediado principalmente por endo- y ribo- nucleasas. Las enzimas RNasa II y PNPasa (polinucleótido fosforilasa) degradan el ARNm en sentido 3'→5'. El degradosoma tiene 4 compartimentos que contienen varias ribonucleasas . Inicialmente, el ARN sintetizado es una estructura de polifosfato. Por eso es necesaria la desfosforilación , para obtener monofosfato por acción de una ARN pirofosfohidrolasa PppH. Los transcritos tienen dos partes: el terminal fosfato (P-terminal) y una estructura de tallo-bucle como extremo. El P-terminal es escindido endorribonucleolíticamente por la RNasa E, mientras que el tallo-bucle es digerido por las ARN helicasas. Si existen estructuras secundarias, se necesita la actuación de la polimerasa PAP para simplificar la reducción por exorribonucleasas como la PNPasa. Finalmente, los restos son procesados por oligorribonucleasas.
El proceso es análogo en otras especies y sólo cambia en la maquinaria enzimática. Por ejemplo, en el Bacillus subtilis en lugar de utilizar la ARNasa E como endoribonucleasa, se utiliza la ARNasa Y o la ARNasa J, o en las arqueas se utiliza un exosoma (vesícula) para esta función. [5]
El degradosoma, que es dinámico en su conformación, variable en su composición y no esencial bajo determinadas condiciones de laboratorio, se ha mantenido sin embargo a lo largo de la evolución de muchas especies bacterianas ( Archaea , Eukaryote , Escherichia coli , Mitochondria , etc.), debido muy probablemente a sus diversas contribuciones en la regulación celular global. Se ha demostrado experimentalmente que la presencia del degradosoma es un beneficio selectivo para E. coli . [5]
Se ha pensado que las estructuras similares a los degradosomas forman parte de muchas γ-proteobactrias y, de hecho, se han encontrado en otros linajes bacterianos remotos. Están formadas por la ARNasa E. Sin embargo, la composición de estos ensamblajes similares a los degradosomas no siempre es la misma; puede ser diferente en algunos componentes proteicos.
Los seres humanos y otros animales tienen a E. coli como comensal en su tracto intestinal. Es uno de los organismos más estudiados en los laboratorios y ha sido un modelo útil para comprender la regulación genética en bacterias y otros dominios de la vida. El degradosoma de ARN de E. coli es una estructura que desempeña diversas funciones en el metabolismo del ARN. Comparte componentes homólogos y analogía funcional con conjuntos similares que se encuentran en todos los dominios de la vida. Uno de sus componentes es un motor dependiente de ATP que se activa a través de interacciones proteína-proteína y coopera con las ribonucleasas en un modo de degradación de ARN dependiente de energía. [5]
La E. coli no tiene una vía de degradación 5'→3'. Su ARNm no tiene extremos 5' tapados y no se conocen exonucleasas 5'→3'. Lo mismo ocurre con otras eubacterias, por lo que la vía de degradación 5'→3' podría ser un rasgo exclusivo de las células eucariotas. [7]