Los genes Piwi (o PIWI ) fueron identificados como proteínas reguladoras responsables de la diferenciación de células madre y células germinales . [4] Piwi es una abreviatura de P -element I nduced WI mpy testis [a] en Drosophila . [6] Las proteínas Piwi son proteínas de unión al ARN altamente conservadas y están presentes tanto en plantas como en animales. [7] Las proteínas Piwi pertenecen a la familia Argonaute/Piwi y han sido clasificadas como proteínas nucleares. Los estudios en Drosophila también han indicado que las proteínas Piwi no tienen actividad de corte conferida por la presencia del dominio Piwi. [8] Además, Piwi se asocia con la proteína heterocromatina 1 , un modificador epigenético, y secuencias complementarias de piRNA. Estos son indicios del papel que juega Piwi en la regulación epigenética. También se cree que las proteínas Piwi controlan la biogénesis de piRNA ya que muchas proteínas similares a Piwi contienen actividad de corte que permitiría a las proteínas Piwi procesar el piRNA precursor en piRNA maduro.
Se ha resuelto la estructura de varias proteínas Piwi y Argonaute (Ago). Las proteínas Piwi son proteínas de unión al ARN con 2 o 3 dominios : el dominio PAZ N-terminal se une al extremo 3' del ARN guía; el dominio MID medio se une al fosfato 5' del ARN; y el dominio PIWI C-terminal actúa como una endonucleasa ARNasa H que puede escindir el ARN. [9] [10] Los pequeños ARN asociados a las proteínas Ago son microARN (miARN). Las proteínas Ago utilizan miARN para silenciar genes postranscripcionalmente o utilizan ARN interferentes pequeños (siARN) tanto en mecanismos de silenciamiento de transcripción como postranscripcional. Las proteínas Piwi interactúan con piARN (28-33 nucleótidos) que son más largos que los miARN y siARN (~20 nucleótidos), lo que sugiere que sus funciones son distintas a las de las proteínas Ago. [9]
Actualmente se conocen cuatro proteínas humanas Piwi: proteína similar a PIWI 1, proteína similar a PIWI 2, proteína similar a PIWI 3 y proteína similar a PIWI 4. Todas las proteínas humanas Piwi contienen dos dominios de unión al ARN, PAZ y Piwi. Las cuatro proteínas similares a PIWI tienen un sitio de unión espacioso dentro del dominio PAZ que les permite unirse al voluminoso 2'-OCH3 en el extremo 3' del ARN que interactúa con piwi . [11]
Uno de los principales homólogos humanos , cuya regulación positiva está implicada en la formación de tumores como los seminomas , se llama hiwi ( por p iwi humano ). [12]
Las proteínas homólogas en ratones se han denominado miwi (por ratón piwi ). [ 13]
Las proteínas PIWI desempeñan un papel crucial en la fertilidad y el desarrollo de la línea germinal en animales y ciliados. Recientemente identificadas como un componente de gránulo polar, las proteínas PIWI parecen controlar la formación de células germinales tanto que en ausencia de proteínas PIWI hay una disminución significativa en la formación de células germinales. Se hicieron observaciones similares con los homólogos de ratón de PIWI, MILI, MIWI y MIWI2. Se sabe que estos homólogos están presentes en la espermatogénesis. Miwi se expresa en varias etapas de formación de espermatocitos y elongación de espermátidas, donde Miwi2 se expresa en células de Sertoli . Los ratones deficientes en Mili o Miwi-2 han experimentado un arresto de células madre espermatogénicas y aquellos que carecen de Miwi-2 experimentaron una degradación de las espermatogonias. [14] Los efectos de las proteínas piwi en las líneas germinales humanas y de ratón parecen provenir de su participación en el control de la traducción, ya que se sabe que Piwi y el ARN pequeño no codificante, el ARN que interactúa con piwi (piRNA), cofraccionan polisomas. La vía piwi-piRNA también induce la formación de heterocromatina en los centrómeros , [15] afectando así la transcripción. La vía piwi-piRNA también parece proteger el genoma. Observadas por primera vez en Drosophila, las vías piwi-piRNA mutantes llevaron a un aumento directo en las roturas de dsADN en las células germinales ováricas. El papel de la vía piwi-piRNA en el silenciamiento de transposones puede ser responsable de la reducción de las roturas de dsADN en las células germinales.
El dominio piwi [16] es un dominio proteico que se encuentra en las proteínas piwi y en una gran cantidad de proteínas relacionadas que se unen a ácidos nucleicos , especialmente las que se unen y escinden el ARN . La función del dominio es la hidrólisis guiada por ARN bicatenario del ARN monocatenario que se ha determinado en la familia argonauta de proteínas relacionadas. [1] Los argonautas, la familia de proteínas de unión a ácidos nucleicos mejor estudiada, son enzimas similares a la ARNasa H que llevan a cabo las funciones catalíticas del complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). En el conocido proceso celular de interferencia de ARN , la proteína argonauta en el complejo RISC puede unirse tanto al ARN interferente pequeño (siRNA) generado a partir de ARN bicatenario exógeno como al microARN (miRNA) generado a partir de ARN no codificante endógeno , ambos producidos por la ribonucleasa Dicer , para formar un complejo ARN-RISC. Este complejo se une y corta el ARN mensajero de pares de bases complementarios , destruyéndolo y evitando su traducción a proteína. Los dominios piwi cristalizados tienen un sitio de unión básico conservado para el extremo 5' del ARN unido; en el caso de las proteínas argonautas que se unen a cadenas de ARNi, la última base de nucleótido no apareada del ARNi también se estabiliza mediante interacciones de apilamiento de bases entre la base y los residuos de tirosina vecinos . [17]
Evidencias recientes sugieren que el papel funcional de las proteínas piwi en la determinación de la línea germinal se debe a su capacidad de interactuar con los microARN. Los componentes de la vía de los microARN parecen estar presentes en el plasma polar y desempeñar un papel clave en el desarrollo temprano y la morfogénesis de los embriones de Drosophila melanogaster , en los que se ha estudiado ampliamente el mantenimiento de la línea germinal. [18]
Se ha definido una nueva clase de miRNA más largos que el promedio conocidos como ARN que interactúan con Piwi (piRNA) en células de mamíferos , de alrededor de 26-31 nucleótidos de longitud en comparación con el miRNA o siRNA más típico de alrededor de 21 nucleótidos. Estos piRNA se expresan principalmente en células espermatogénicas en los testículos de mamíferos. [19] Pero los estudios han informado que la expresión de piRNA se puede encontrar en las células somáticas ováricas y las células neuronales en invertebrados, así como en muchas otras células somáticas de mamíferos. Se han identificado piRNA en los genomas de ratones , ratas y humanos , con una organización genómica "agrupada" inusual [20] que puede originarse a partir de regiones repetitivas del genoma como retrotransposones o regiones normalmente organizadas en heterocromatina , y que normalmente se derivan exclusivamente de la cadena antisentido de ARN bicatenario. [21] Por lo tanto, los piRNA se han clasificado como pequeños ARN interferentes asociados a repeticiones ( rasiRNA ). [22]
Aunque su biogénesis aún no se entiende bien, se cree que los piRNA y las proteínas Piwi forman un sistema endógeno para silenciar la expresión de elementos genéticos egoístas como los retrotransposones y así evitar que los productos genéticos de dichas secuencias interfieran con la formación de células germinales. [21] [23]
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