Pseudouridina ( 5-ribosiluracilo , abreviado por la letra griega psi- Ψ ) [1] es un isómero del nucleósido uridina en el que el uracilo se une mediante un enlace glicosídico carbono-carbono en lugar de un enlace glicosídico nitrógeno-carbono .
La pseudouridina es la modificación de ARN más abundante en el ARN celular . [2] Después de la transcripción y después de la síntesis, el ARN se puede modificar con más de 100 modificaciones químicamente distintas. Estos pueden potencialmente regular la expresión del ARN postranscripcionalmente, además de los cuatro nucleótidos estándar, y desempeñan una variedad de funciones en la célula, incluida la traducción, localización y estabilización del ARN. La pseudouridina, uno de ellos, es el isómero glucósido C5 de la uridina que contiene un enlace CC entre el C1 del azúcar ribosa y el C5 del uracilo , en lugar del enlace C1-N1 habitual que se encuentra en la uridina. La uridina se convierte en pseudouridina girando la molécula de uridina 180° a través de su eje N3-C6. [3] El enlace CC le da más libertad de rotación y flexibilidad conformacional. [4] Además, la pseudouridina tiene un donante de enlace de hidrógeno adicional en la posición N1.
La pseudouridina es un constituyente ubicuo del ARN estructural ( de transferencia , ribosomal , nuclear pequeño (snRNA) y nucleolar pequeño ), y está presente en el ARN codificante, en los tres dominios filogenéticos de la vida y fue el primero en descubrirse. Representa el 4% de los nucleótidos del ARNt de levadura [ cita necesaria ] . Esta modificación de bases es capaz de estabilizar el ARN y mejorar el apilamiento de bases formando enlaces de hidrógeno adicionales con el agua a través de su grupo imino adicional. [5] Hay 11 pseudouridinas en el ARNr de Escherichia coli , 30 en el ARNr citoplasmático de levadura y una única modificación en el ARNr 21S mitocondrial y alrededor de 100 pseudouridinas en el ARNr humano, lo que indica que el grado de pseudouridilación aumenta con la complejidad de un organismo. [6] También se detectó pseudouridina en el genoma de Leishmania donovani . Se detectaron 18 sitios de modificación de pseudouridina en el sitio de entrada de la peptidil transferasa y en el túnel de entrada del ARNm en la traducción de proteínas. Estas modificaciones en el parásito conducen a una mayor síntesis de proteínas y una mayor tasa de crecimiento. [7]
Se ha demostrado que la pseudouridina en el ARNr y el ARNt afina y estabiliza la estructura regional y ayuda a mantener sus funciones en la decodificación del ARNm, el ensamblaje, el procesamiento y la traducción de los ribosomas. [4] [8] [9] Se ha demostrado que la pseudouridina en el ARNsn mejora la interacción ARN espliceosómico -pre-ARNm para facilitar la regulación del empalme. [10]
Ψ es omnipresente en esta clase de ARN y facilita motivos estructurales de ARNt comunes . Uno de esos motivos estructurales es el bucle del vástago TΨC que incorpora Ψ55. Ψ se encuentra comúnmente en el tallo D y el tallo anticodón y en el bucle de los ARNt de cada dominio. En cada motivo estructural, las propiedades fisicoquímicas únicas de Ψ estabilizan estructuras que no serían posibles con la U estándar. [4]
Durante la traducción, Ψ modula las interacciones de las moléculas de ARNt con ARNr y ARNm . Ψ y otros nucleótidos modificados afectan la estructura local de los dominios de ARNt en los que se encuentran sin afectar el pliegue general del ARN. En el anticodón tallo-loop (ASL), Ψ parece fundamental para la unión adecuada de los ARNt al ribosoma. Ψ estabiliza la estructura dinámica del ASL y promueve una unión más fuerte al ribosoma 30S. La conformación estabilizada de la ASL ayuda a mantener los emparejamientos anticodón - codón correctos durante la traducción. Esta estabilidad puede aumentar la precisión de la traducción al disminuir la tasa de formación de enlaces peptídicos y permitir más tiempo para rechazar los pares incorrectos de codones y anticodones. A pesar del papel de Ψ en la estabilización de la estructura local, la pseudouridilación del ARNt no es esencial para la viabilidad celular y generalmente no es necesaria para la aminoacilación . [4]
Ψ también se encuentra en los ARNm que son la plantilla para la síntesis de proteínas. Los residuos Ψ en el ARNm pueden afectar la especificidad de codificación de los codones de terminación UAA, UGA y UAG. En estos codones de terminación, tanto una modificación U→Ψ como una mutación U→C promueven una supresión sin sentido. [11] En la vacuna SARS-CoV2 de BioNTech/Pfizer, también conocida como BNT162b2 , tozinameran o Comirnaty, todas las U han sido sustituidas por N1-metilpseudouridina , [12] un nucleósido relacionado con Ψ que contiene un grupo metilo añadido al átomo de N1. .
Ψ se encuentra en las subunidades ribosómicas grandes y pequeñas de todos los dominios de la vida y sus orgánulos . En el ribosoma, los residuos Ψ se agrupan en los dominios II, IV y V y estabilizan las interacciones ARN-ARN y/o ARN-proteína. La estabilidad proporcionada por Ψ puede ayudar al plegamiento del ARNr y al ensamblaje de ribosomas. Ψ también puede influir en la estabilidad de las estructuras locales que afectan la velocidad y precisión de la decodificación y revisión durante la traducción. [4]
Ψ se encuentra en los principales snRNA espliceosómicos de eucariotas. Los residuos Ψ en snRNA a menudo se conservan filogenéticamente, pero tienen algunas variaciones entre taxones y organismos. Los residuos Ψ en los snRNA normalmente se ubican en regiones que participan en interacciones ARN-ARN y/o ARN-proteína involucradas en el ensamblaje y función del espliceosoma. Los residuos Ψ en snRNAS contribuyen al plegamiento y ensamblaje adecuados del espliceosoma, que es esencial para el procesamiento del pre-ARNm. [4]
Las pseudouridinas son modificaciones del ARN que se realizan después de la transcripción , es decir, después de que se forma el ARN [ cita requerida ] . Las proteínas que realizan esta modificación se llaman pseudouridina sintasas (PUS) y se encuentran en todos los reinos de la vida. La mayor parte de las investigaciones se han realizado sobre cómo el PUS modifica el ARNt, por lo que los mecanismos que involucran al ARNsn y al ARNm no están claramente definidos. El PUS puede variar según la especificidad, la estructura y los mecanismos de isomerización del ARN . Las diferentes estructuras del PUS se dividen en cinco familias que comparten la secuencia activa y motivos estructurales importantes. [1]
El dominio TruA modifica una variedad de lugares diferentes en ARNt, ARNsn y ARNm. En esta familia todavía se habla del mecanismo de isomerización de la uridina. [9] [13]
PUS 1 está ubicado en el núcleo y modifica el ARNt en diferentes ubicaciones, U44 del ARNsn U2 y U28 del ARNsn U6. Los estudios encontraron que la expresión de PUS 1 aumentaba durante el estrés ambiental y es importante para regular el empalme del ARN. Además, PUS 1 es necesario para tomar el ARNt producido en el núcleo y enviarlo al citoplasma. [9]
PUS 2 es muy similar a PUS 1, pero está ubicado en las mitocondrias y solo modifica U27 y U28 del mito-tRNA. Esta proteína modifica el ARNt mitocondrial, que tiene una menor cantidad de modificaciones de pseudouridina en comparación con otros ARNt. A diferencia de la mayoría de las proteínas ubicadas en las mitocondrias, no se ha encontrado que PUS 2 tenga una señal de dirección mitocondrial o MTS. [9]
PUS 3 es un homólogo de PUS 1, pero modifica diferentes lugares del ARNt (U38/39) en el citoplasma y mitocondrial. Esta proteína es la más conservada de la familia TruA. Se encontró una disminución en las modificaciones realizadas por PUS 3 cuando la estructura del ARNt se plegaba incorrectamente. Junto con el ARNt, la proteína se dirige al ARNnc y al ARNm, aún se necesita más investigación sobre la importancia de esta modificación. PUS 3 junto con PUS 1 modifican el receptor activador de esteroides en humanos. [9]
La familia TruB solo contiene PUS 4 ubicado en la mitocondria y el núcleo. La modificación PUS 4 está muy conservada y se encuentra en U55 en el codo del ARNt. A la forma humana de PUS 4 en realidad le falta un dominio de unión llamado PUA o pseudouridina sintasa y arqueosina transglicosilasa. PUS 4 tiene una especificidad de secuencia para la parte del bucle T del ARNt. Hay datos preliminares sobre el ARNm modificador de PUS4, pero se necesita más investigación para confirmarlo. También se une a un virus del mosaico del bromo específico, que es un virus de ARN que infecta las plantas. [9] [14]
TruD puede modificar una variedad de ARN y no está claro cómo se reconocen estos diferentes sustratos de ARN. PUS 7 modifica el ARNsn de U2 en la posición 35 y esta modificación aumentará cuando las células estén en choque térmico. Otra modificación es el ARNt citoplasmático en la posición 13 y la posición 35 en el pre-ARNt Tyr . PUS 7 modifica casi la especificidad no depende del tipo de ARN ya que el ARNm se muestra pseudouridilado por PUS 7. Reconozca esta la secuencia del ARN, UGUAR siendo la segunda U el nucleótido que será modificado. La pseudouridilación del ARNm por PUS 7 aumenta durante el choque térmico, porque la proteína pasa del núcleo al citoplasma. Se cree que la modificación aumenta la estabilidad del ARNm durante el choque térmico antes de que el ARN llegue al núcleo o las mitocondrias, pero se necesitan más estudios. [9] [13]
El dominio RluA de estas proteínas puede identificar el sustrato a través de una proteína diferente que se une al sustrato y luego enlaces particulares al dominio RluA. [1] [13]
PUS 5 no es una pseudouridina sintasa bien estudiada y localizada y, al igual que Pus 2, no tiene una secuencia de dirección de señales mitocondriales. La proteína modifica el U2819 del ARNr 21S mitocondrial. También se sospecha que Pus 5 modifica algunas uridinas en el ARNm, pero nuevamente se necesitan más datos para confirmarlo.
PUS 6 tiene uno que solo modifica U31 del ARNt citoplasmático y mitocondrial. También se sabe que Pus 6 modifica el ARNm. [9]
PUS 8, también conocido como Rib2, modifica el ARNt citoplasmático en la posición U32. En el extremo C hay un dominio DRAP-desaminasa relacionado con la biosíntesis de riboflavina. El dominio RluA y DRAP o desaminasa relacionado con la riboflavina sintasa tienen funciones completamente separadas en la proteína y no se sabe si interactúan entre sí. PUS 8 es necesario en la levadura, pero se sospecha que está relacionado con la síntesis de riboflavina y no con la modificación de pseudouridina. [9]
PUS 9 y PUS 8 catalizan la misma posición en el ARNt mitocondrial en lugar de citoplasmático. Es la única proteína PUS que contiene un dominio de señal de dirección mitocondrial en el extremo N. Los estudios sugieren que PUS 9 puede modificar los ARNm, lo que significaría una menor especificidad de sustrato. [9]
La pseudouridina se puede identificar mediante multitud de técnicas diferentes. Una técnica común para identificar modificaciones en el ARN y el ADN es la Cromatografía Líquida con Espectrometría de Masas o LC-MS . La espectrometría de masas separa las moléculas por masa y carga. Si bien la uridina y la pseudouridina tienen la misma masa, tienen cargas diferentes. La cromatografía líquida funciona por tiempo de retención, que tiene que ver con la salida de la columna. [15] Una forma química de identificar pseudouridina utiliza un compuesto llamado CMC o N-ciclohexil-N′-β-(4-metilmorfolinio)etilcarbodiimida para marcar y distinguir específicamente la uridina de la pseudouridina. [16] La CMC se unirá tanto con pseudouridina como con uridina, pero se unirá más a la primera, debido al tercer nitrógeno capaz de formar un enlace de hidrógeno. Luego se pueden obtener imágenes de la CMC unida a pseudouridina marcando una molécula de señalización. Todavía se está trabajando en este método para que tenga un alto rendimiento. [17]
La pseudouridina ejerce una influencia sutil pero significativa en la cadena principal de azúcar-fosfato cercana y también mejora la acumulación de bases. Estos efectos pueden ser la base del papel biológico de la mayoría, pero quizás no de todos, los residuos de pseudouridina en el ARN. Ciertos mutantes genéticos que carecen de residuos de pseudouridina específicos en ARNt o ARNr presentan dificultades en la traducción, muestran tasas de crecimiento lentas y no logran competir eficazmente con cepas de tipo salvaje en cultivos mixtos. Las modificaciones de pseudouridina también están implicadas en enfermedades humanas como la miopatía mitocondrial y la anemia sideroblástica (MLASA) y la disqueratosis congénita. [9] La disqueratosis congénita y el síndrome de Hoyeraal-Hreidarsson son dos síndromes hereditarios poco comunes causados por mutaciones en DKC1 , el gen que codifica la pseudouridina sintasa disquerina. Las pseudouridinas han sido reconocidas como reguladores de los procesos de latencia viral en las infecciones por el virus de la inmunodeficiencia humana ( VIH ). [18] La pseudouridilación también se ha asociado con la patogénesis de la diabetes y la sordera heredadas de la madre (MIDD). En particular, una mutación puntual en un ARNt mitocondrial parece impedir la pseudouridilación de un nucleótido, alterando así la estructura terciaria del ARNt. Esto puede provocar una mayor inestabilidad del ARNt, provocando deficiencias en la traducción y la respiración mitocondrial. [18]
Cuando se usa pseudouridina en lugar de uridina en el ARNm sintético, la molécula de ARNm modificada genera menos respuesta de los receptores tipo Toll , una parte del sistema inmunológico humano que de otro modo identificaría el ARNm como no deseado. Esto hace que la pseudouridina sea útil en las vacunas de ARNm , incluidas las vacunas de ARNm contra la COVID-19 . Esta propiedad de la pseudouridina fue descubierta por Katalin Karikó y Drew Weissman en 2005, por lo que compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2023 . [19] [20]
La N1-metilpseudouridina proporciona una respuesta inmune innata incluso menor que la Ψ, además de mejorar la capacidad de traducción . [21] Por lo tanto, tanto las vacunas de ARNm de Pfizer-BioNTech como las de Moderna utilizan N1-metilpseudouridina en lugar de Ψ. [21]
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