Las proteínas de unión a ARN (a menudo abreviadas como RBP ) son proteínas que se unen al ARN bicatenario o monocatenario [1] en las células y participan en la formación de complejos de ribonucleoproteínas . Las RBP contienen varios motivos estructurales , como el motivo de reconocimiento de ARN (RRM), el dominio de unión de ARNbc, el dedo de zinc y otros. [2] [3] Son proteínas citoplasmáticas y nucleares . Sin embargo, dado que la mayor parte del ARN maduro se exporta desde el núcleo con relativa rapidez, la mayoría de las RBP en el núcleo existen como complejos de proteínas y pre-ARNm llamados partículas de ribonucleoproteína heterogéneas (hnRNP). Las RBP tienen funciones cruciales en diversos procesos celulares como: función, transporte y localización celular. Especialmente desempeñan un papel importante en el control postranscripcional de los ARN, tales como: empalme , poliadenilación , estabilización de ARNm , localización y traducción de ARNm . "Las células eucariotas expresan diversas RBP con actividad de unión a ARN e interacción proteína-proteína únicas ". Según la base de datos Eukaryotic RBP (EuRBPDB), hay 2961 genes que codifican RBP en humanos . Durante la evolución , la diversidad de RBP aumentó considerablemente con el aumento del número de intrones . La diversidad permitió a las células eucariotas utilizar exones de ARN en diversas disposiciones, dando lugar a una RNP (ribonucleoproteína) única para cada ARN. Aunque las RBP tienen un papel crucial en la regulación postranscripcional de la expresión génica, se han estudiado relativamente pocas RBP de forma sistemática. Ahora ha quedado claro que las interacciones ARN-RBP desempeñan funciones importantes en muchos procesos biológicos entre organismos. [4] [5] [6]
Muchas RBP tienen estructuras modulares y se componen de múltiples repeticiones de unos pocos dominios básicos específicos que a menudo tienen secuencias limitadas. Diferentes RBP contienen estas secuencias dispuestas en diferentes combinaciones. El reconocimiento de un ARN específico por parte de una proteína específica ha evolucionado a través del reordenamiento de estos pocos dominios básicos. Cada dominio básico reconoce el ARN, pero muchas de estas proteínas requieren múltiples copias de uno de los muchos dominios comunes para funcionar. [2]
A medida que el ARN nuclear emerge de la ARN polimerasa , las transcripciones de ARN se cubren inmediatamente con proteínas de unión a ARN que regulan todos los aspectos del metabolismo y la función del ARN, incluida la biogénesis, la maduración, el transporte, la localización celular y la estabilidad del ARN. Todas las RBP se unen al ARN, sin embargo, lo hacen con diferentes especificidades y afinidades de secuencia de ARN, lo que permite que las RBP sean tan diversas como sus objetivos y funciones. [5] Estos objetivos incluyen ARNm , que codifica proteínas, así como una serie de ARN funcionales no codificantes . Los NcRNA casi siempre funcionan como complejos de ribonucleoproteínas y no como ARN desnudos. Estos ARN no codificantes incluyen microARN , pequeños ARN de interferencia (siARN) y pequeños ARN nucleares espliceosómicos (snARN). [7]
El empalme alternativo es un mecanismo mediante el cual se generan diferentes formas de ARNm maduros (ARN mensajeros) a partir de un mismo gen . Es un mecanismo regulador por el cual las variaciones en la incorporación de los exones al ARNm conducen a la producción de más de una proteína relacionada, ampliando así las posibles salidas genómicas. Las RBP funcionan ampliamente en la regulación de este proceso. Algunas proteínas de unión, como las proteínas de unión a ARN específicas neuronales, concretamente NOVA1 , controlan el corte y empalme alternativo de un subconjunto de hnRNA reconociendo y uniéndose a una secuencia específica en el ARN (YCAY donde Y indica pirimidina, U o C). [5] Estas proteínas luego reclutan proteínas esplicosomales en este sitio objetivo. Las proteínas SR también son bien conocidas por su papel en el empalme alternativo mediante el reclutamiento de snRNP que forman el empalme , a saber, U1 snRNP y U2AF snRNP. Sin embargo, las RBP también forman parte del propio empalme. El empalme es un complejo de snRNA y subunidades proteicas y actúa como agente mecánico que elimina los intrones y liga los exones flanqueantes. [7] Además del complejo central de empalme, los RBP también se unen a los sitios de elementos de ARN que actúan en Cis y que influyen en la inclusión o exclusión de exones durante el empalme. Estos sitios se conocen como potenciadores de empalme exónico (ESE), silenciadores de empalme exónico (ESS), potenciadores de empalme intrónico (ISE) y silenciadores de empalme intrónico (ISS) y, según su ubicación de unión, los RBP funcionan como silenciadores o potenciadores de empalme. [8]
La forma de edición de ARN más estudiada implica la proteína ADAR . Esta proteína funciona mediante la modificación postranscripcional de las transcripciones de ARNm cambiando el contenido de nucleótidos del ARN. Esto se hace mediante la conversión de adenosina en inosina en una reacción enzimática catalizada por ADAR. Este proceso cambia efectivamente la secuencia de ARN codificada por el genoma y extiende la diversidad de los productos genéticos. La mayor parte de la edición de ARN se produce en regiones de ARN no codificantes; sin embargo, se ha demostrado que algunas transcripciones de ARN que codifican proteínas están sujetas a edición, lo que da como resultado una diferencia en la secuencia de aminoácidos de su proteína. Un ejemplo de esto es el ARNm del receptor de glutamato, donde la glutamina se convierte en arginina, lo que provoca un cambio en la funcionalidad de la proteína. [5]
La poliadenilación es la adición de una "cola" de residuos de adenilato a un transcrito de ARN aproximadamente 20 bases aguas abajo de la secuencia AAUAAA dentro de las tres regiones principales no traducidas . La poliadenilación del ARNm tiene un fuerte efecto sobre su transporte nuclear , eficiencia de traducción y estabilidad. Todo esto, así como el proceso de poliadenilación, dependen de la unión de RBP específicas. Todos los ARNm eucariotas, con pocas excepciones, se procesan para recibir colas poli (A) 3' de aproximadamente 200 nucleótidos. Uno de los complejos proteicos necesarios en este proceso es el CPSF . CPSF se une a la secuencia de la cola 3' (AAUAAA) y, junto con otra proteína llamada proteína de unión a poli(A) , recluta y estimula la actividad de la poli(A) polimerasa . La poli(A) polimerasa es inactiva por sí sola y requiere la unión de estas otras proteínas para funcionar correctamente. [5]
Una vez finalizado el procesamiento, es necesario transportar el ARNm desde el núcleo celular al citoplasma . Este es un proceso de tres pasos que implica la generación de un complejo portador de carga en el núcleo, seguido de la translocación del complejo a través del complejo de poros nucleares y finalmente la liberación de la carga al citoplasma. A continuación se recicla el soporte. Se cree que el heterodímero TAP/NXF1:p15 es el actor clave en la exportación de ARNm. La sobreexpresión de TAP en ranas Xenopus laevis aumenta la exportación de transcripciones que de otro modo se exportarían de manera ineficiente. Sin embargo, TAP necesita proteínas adaptadoras porque no puede interactuar directamente con el ARNm. La proteína Aly/REF interactúa y se une al ARNm que recluta TAP. [5]
La localización del ARNm es fundamental para la regulación de la expresión genética al permitir la producción de proteínas regulada espacialmente. A través de la localización del ARNm, las proteínas se traducen en el sitio objetivo previsto de la célula. Esto es especialmente importante durante las primeras etapas del desarrollo, cuando las rápidas escisiones celulares dan a diferentes células diversas combinaciones de ARNm que luego pueden conducir a destinos celulares drásticamente diferentes. Las RBP son fundamentales en la localización de este ARNm que garantiza que las proteínas solo se traduzcan en las regiones previstas. Una de estas proteínas es ZBP1 . ZBP1 se une al ARNm de beta-actina en el sitio de transcripción y se mueve con el ARNm hacia el citoplasma. Luego localiza este ARNm en la región laminar de varios tipos de células asimétricas, donde luego puede traducirse. [5] En 2008 se propuso que FMRP participaba en la localización inducida por estímulos de varios ARNm dendríticos en las dendritas neuronales de neuronas cultivadas del hipocampo. [9] Estudios más recientes de ARN unidos a FMRP presentes en dendritas microdiseccionadas de neuronas del hipocampo CA1 no revelaron cambios en la localización en cerebros de ratones de tipo salvaje versus nulos de FMRP. [10]
La regulación traslacional proporciona un mecanismo rápido para controlar la expresión genética. En lugar de controlar la expresión génica a nivel transcripcional, el ARNm ya se transcribe pero se controla el reclutamiento de ribosomas. Esto permite la generación rápida de proteínas cuando una señal activa la traducción. ZBP1, además de su papel en la localización del ARNm de actina B, también participa en la represión traduccional del ARNm de actina beta al bloquear el inicio de la traducción. ZBP1 debe eliminarse del ARNm para permitir que el ribosoma se una correctamente y comience la traducción. [5]
Las proteínas de unión a ARN exhiben un reconocimiento altamente específico de sus objetivos de ARN al reconocer sus secuencias, estructuras, motivos y modificaciones de ARN. [11] La unión específica de las proteínas de unión a ARN les permite distinguir sus objetivos y regular una variedad de funciones celulares mediante el control de la generación, maduración y vida útil de la transcripción de ARN. Esta interacción comienza durante la transcripción, ya que algunas RBP permanecen unidas al ARN hasta su degradación, mientras que otras solo se unen transitoriamente al ARN para regular el empalme , el procesamiento, el transporte y la localización del ARN. [12] Los métodos de inmunoprecipitación entrecruzada (CLIP) se utilizan para identificar rigurosamente los sitios de unión directa al ARN de las proteínas de unión al ARN en una variedad de tejidos y organismos. En esta sección, se discutirán tres clases de los dominios de unión a ARN más estudiados (motivo de reconocimiento de ARN, motivo de unión a ARN bicatenario, motivo de dedos de zinc).
El motivo de reconocimiento de ARN , que es el motivo de unión de ARN más común, es un pequeño dominio proteico de 75 a 85 aminoácidos que forma una lámina β de cuatro cadenas contra las dos hélices α. Este motivo de reconocimiento ejerce su papel en numerosas funciones celulares, especialmente en el procesamiento, empalme, regulación de la traducción, exportación de ARN y estabilidad del ARNm/ARNr. Se han identificado diez estructuras de un RRM mediante espectroscopia de RMN y cristalografía de rayos X. Estas estructuras ilustran la complejidad del reconocimiento de RRM proteína-ARN, ya que implica interacciones ARN-ARN y proteína-proteína además de interacciones proteína-ARN. A pesar de su complejidad, las diez estructuras tienen algunas características comunes. Se descubrió que la hoja β de cuatro cadenas de las superficies proteicas principales de todos los RRM interactúa con el ARN, que generalmente contacta dos o tres nucleótidos de una manera específica. Además, se logra una fuerte afinidad de unión al ARN y especificidad hacia la variación mediante una interacción entre el conector entre dominios y el ARN y entre los propios RRM. Esta plasticidad de la RRM explica por qué la RRM es el dominio más abundante y por qué desempeña un papel importante en diversas funciones biológicas. [12]
El motivo de unión al ARN bicatenario (dsRM, dsRBD), un dominio de 70 a 75 aminoácidos, desempeña un papel fundamental en el procesamiento del ARN , la localización del ARN , la interferencia del ARN , la edición del ARN y la represión traduccional. Las tres estructuras del dominio resuelto en 2005 poseen características unificadoras que explican cómo los dsRM solo se unen al dsRNA en lugar de al dsDNA. Se descubrió que los dsRM interactúan a lo largo del dúplex de ARN a través de hélices α y bucles β1-β2. Además, las tres estructuras dsRBM hacen contacto con la columna vertebral de azúcar-fosfato del surco mayor y de un surco menor, que está mediado por el bucle β1-β2 junto con la región N-terminal de la hélice alfa 2. Esta interacción es una Adaptación única para la forma de una doble hélice de ARN, ya que involucra 2'-hidroxilos y oxígeno fosfato. A pesar de las características estructurales comunes entre los dsRBM, exhiben estructuras químicas distintas, lo que permite especificidad para una variedad de estructuras de ARN, incluidos bucles de tallo, bucles internos, protuberancias o hélices que contienen discrepancias. [12]
"Los dominios con dedos de zinc de tipo CCHH son el dominio de unión al ADN más común dentro del genoma eucariota ". Para lograr un alto reconocimiento de secuencia específica del ADN, se utilizan varios dedos de zinc de forma modular. Los dedos de zinc exhiben un pliegue de proteína ββα en el que una horquilla β y una hélice α se unen a través de un Zn.2+
ion. Además, la interacción entre las cadenas laterales de proteínas de la hélice α con las bases del ADN en el surco principal permite el reconocimiento específico de la secuencia de ADN. A pesar de su amplio reconocimiento del ADN, recientemente se han descubierto que los dedos de zinc también tienen la capacidad de reconocer el ARN. Además de los dedos de zinc CCHH, recientemente se descubrió que los dedos de zinc CCCH emplean el reconocimiento de secuencia específica de ARN monocatenario a través de una interacción entre los enlaces de hidrógeno intermoleculares y los bordes de Watson-Crick de las bases del ARN. Los dedos de zinc tipo CCHH emplean dos métodos de unión al ARN. En primer lugar, los dedos de zinc ejercen una interacción no específica con la columna vertebral de una doble hélice , mientras que el segundo modo permite que los dedos de zinc reconozcan específicamente las bases individuales que sobresalen. A diferencia del tipo CCHH, el dedo de zinc tipo CCCH muestra otro modo de unión al ARN, en el que el ARN monocatenario se identifica de una manera específica de secuencia. En general, los dedos de zinc pueden reconocer directamente el ADN mediante la unión a la secuencia de dsDNA y el ARN mediante la unión a la secuencia de ssRNA. [12]
La regulación transcripcional y postranscripcional del ARN por parte de las proteínas de unión a ARN tiene un papel en la regulación de los patrones de expresión genética durante el desarrollo. [13] Una extensa investigación sobre el nematodo C. elegans ha identificado las proteínas de unión a ARN como factores esenciales durante la línea germinal y el desarrollo embrionario temprano. Su función específica implica el desarrollo de tejidos somáticos ( neuronas , hipodermis , músculos y células excretoras), así como proporcionar señales de sincronización para los eventos del desarrollo. Sin embargo, es excepcionalmente difícil descubrir el mecanismo detrás de la función de las RBP en el desarrollo debido a la dificultad para identificar sus objetivos de ARN. Esto se debe a que la mayoría de las RBP suelen tener múltiples objetivos de ARN. [14] Sin embargo, es indiscutible que las RBP ejercen un control crítico en la regulación de las vías de desarrollo de manera concertada.
En Drosophila melanogaster , Elav, Sxl y tra-2 son genes que codifican proteínas de unión a ARN que son fundamentales en la determinación temprana del sexo y el mantenimiento del estado sexual somático. [15] Estos genes imponen efectos en el nivel postranscripcional al regular el empalme específico del sexo en Drosophila . Sxl ejerce una regulación positiva del gen feminizante tra para producir un ARNm tra funcional en las mujeres. En C. elegans , las proteínas de unión a ARN, incluidas FOG-1, MOG-1/-4/-5 y RNP-4, regulan la determinación del sexo somático y de la línea germinal. Además, varios RBP como GLD-1, GLD-3, DAZ-1, PGL-1 y OMA-1/-2 ejercen sus funciones reguladoras durante la progresión de la profase meiótica , la gametogénesis y la maduración de los ovocitos . [14]
Además de las funciones de las RBP en el desarrollo de la línea germinal, el control postranscripcional también desempeña un papel importante en el desarrollo somático. A diferencia de las RBP que participan en el desarrollo de la línea germinal y del embrión temprano, las RBP que funcionan en el desarrollo somático regulan el empalme alternativo específico de tejido de los objetivos de ARNm. Por ejemplo, MEC-8 y UNC-75 que contienen dominios RRM se localizan en regiones de la hipodermis y el sistema nervioso, respectivamente. [14] Además, se revela que otra RBP que contiene RRM, EXC-7, se localiza en las células del canal excretor embrionario y en todo el sistema nervioso durante el desarrollo somático.
Se demostró que ZBP1 regula la dendritogénesis ( formación de dendritas ) en las neuronas del hipocampo. [16] Otras proteínas de unión a ARN implicadas en la formación de dendritas son Pumilio y Nanos, [17] FMRP , CPEB y Staufen 1 [18]
Los RBP están surgiendo para desempeñar un papel crucial en el desarrollo de tumores. [19] Cientos de RBP están marcadamente desregulados en los cánceres humanos y mostraron una regulación negativa predominante en tumores relacionados con tejidos normales. [19] Muchas RBP se expresan diferencialmente en diferentes tipos de cáncer, por ejemplo KHDRBS1 (Sam68), [20] [21] [22] ELAVL1 (HuR), [23] [24] FXR1 [25] y UHMK1 . [26] Para algunas RBP, el cambio en la expresión está relacionado con las variaciones del número de copias (CNV), por ejemplo, ganancias CNV de BYSL en células de cáncer colorrectal [19] y ESRP1, CELF3 en cáncer de mama, RBM24 en cáncer de hígado, IGF2BP2, IGF2BP3. en cáncer de pulmón o pérdidas CNV de KHDRBS2 en cáncer de pulmón. [27] Algunos cambios de expresión se deben a mutaciones que afectan a las proteínas en estos RBP, por ejemplo NSUN6, ZC3H13, ELAC1, RBMS3 y ZGPAT, SF3B1, SRSF2, RBM10, U2AF1, SF3B1, PPRC1, RBMXL1, HNRNPCL1, etc. [ 19] [ 27] [28] [29] [30] Varios estudios han relacionado este cambio en la expresión de RBP con un empalme alternativo aberrante en el cáncer. [27] [31] [32]
Como las proteínas de unión a ARN ejercen un control significativo sobre numerosas funciones celulares, han sido un área de investigación popular para muchos investigadores. Debido a su importancia en el campo biológico, recientemente se han desvelado numerosos descubrimientos sobre el potencial de las proteínas de unión a ARN. [12] El desarrollo reciente en la identificación experimental de proteínas de unión a ARN ha ampliado significativamente el número de proteínas de unión a ARN [33] [34] [35]
"La proteína de unión a ARN Sam68 controla la compartimentación espacial y temporal del metabolismo del ARN para lograr una función sináptica adecuada en las dendritas ". La pérdida de Sam68 da como resultado una regulación postranscripcional anormal y, en última instancia, conduce a trastornos neurológicos como el síndrome de ataxia/temblor asociado al cromosoma X frágil . Se descubrió que Sam68 interactúa con el ARNm que codifica la β-actina , que regula la formación sináptica de las espinas dendríticas con sus componentes citoesqueléticos . Por lo tanto, Sam68 desempeña un papel fundamental en la regulación del número de sinapsis mediante el control del metabolismo postsináptico del ARNm de β-actina. [36]
La proteína de unión a ARN de la familia CELF específica de neuronas UNC-75 se une específicamente al tramo de ARNm de UUGUUGUGUUGU a través de sus tres motivos de reconocimiento de ARN para la selección del exón 7a en las células neuronales de C. elegans . Como se omite el exón 7a debido a sus débiles sitios de empalme en células no neuronales, se descubrió que UNC-75 activa específicamente el empalme entre el exón 7a y el exón 8 solo en las células neuronales. [37]
La proteína de unión a ARN inducible por frío CIRBP desempeña un papel en el control de la respuesta celular al enfrentar una variedad de tensiones celulares, incluida la luz ultravioleta de longitud de onda corta , la hipoxia y la hipotermia . Esta investigación arrojó implicaciones potenciales para la asociación de estados patológicos con inflamación. [38]
Se descubrió que la familia serina-arginina de la proteína de unión a ARN Slr1 ejerce control sobre el crecimiento polarizado en Candida albicans . Las mutaciones de Slr1 en ratones dan como resultado una disminución de la filamentación y reducen el daño a las células epiteliales y endoteliales , lo que conduce a una mayor tasa de supervivencia en comparación con las cepas de tipo salvaje Slr1. Por lo tanto, esta investigación revela que la proteína Slr1 similar a SR desempeña un papel en el fomento de la formación de hifas y la virulencia en C. albicans . [39]
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