En biología molecular , un riborregulador es un ácido ribonucleico ( ARN ) que responde a una molécula de ácido nucleico señal mediante el apareamiento de bases Watson-Crick . Un riborregulador puede responder a una molécula señal de varias maneras, incluyendo la traducción (o represión de la traducción) del ARN en una proteína , la activación de una ribozima , la liberación de ARN silenciador ( ARNip ), el cambio conformacional y/o la unión a otros ácidos nucleicos. Los riboreguladores contienen dos dominios canónicos, un dominio sensor y un dominio efector. Estos dominios también se encuentran en los riboswitches , pero a diferencia de los riboswitches, el dominio sensor solo se une a cadenas complementarias de ARN o ADN en lugar de moléculas pequeñas . Debido a que la unión se basa en el apareamiento de bases, un riborregulador se puede adaptar para diferenciar y responder a secuencias genéticas individuales y combinaciones de las mismas.
Los riboreguladores traduccionales regulan la capacidad de un complejo ribosomal para escanear, ensamblar y/o traducir una molécula de ARN en una proteína. En los riboreguladores traduccionales, la molécula de ARN se reprime o desreprime dependiendo de la estructura secundaria de la molécula de ARN. Las estructuras sensibles a señales se introducen generalmente en la región no traducida 5' ( 5' UTR ) de las moléculas de ARN utilizando técnicas estándar de biología molecular.
Como descubrió Marilyn Kozak , el complejo ribosomal pequeño ( 40S ) escanea una molécula de ARN desde la región no traducida 5′ hasta el codón de inicio. Cuando el complejo encuentra una estructura secundaria, debe fundir la estructura para alcanzar el codón de inicio o se caerá de la molécula. [3] El complejo se mueve a lo largo de la región no traducida hasta que se detiene justo antes de alcanzar el codón de inicio porque encuentra una secuencia altamente conservada (una secuencia de consenso de Kozak en eucariotas , o una secuencia de Shine-Dalgarno en procariotas ). El complejo estancado luego se combina con el ribosoma grande ( 60S ) para comenzar a traducir el ARN en proteína.
Lechner inventó el primer riborregulador en 1991. [2] Lechner utilizó un tallo-bucle autoemparejante que inhibía la traducción de un ARN procariota , a menos que estuviera presente una secuencia de ARN complementaria (antiinhibidor). En 1997, Black diseñó el primer riborregulador eucariota utilizando moléculas antisentido para prevenir la traducción (ARN Nucline). [1] En el sistema Nucline, las moléculas antisentido bloquean la traducción a menos que se eliminen mediante hibridación competitiva y desplazamiento de cadena por secuencias de ARN señal específicas como el ARN del VIH y el ARN del oncogén. [4] En 2003, Black demostró que el ARN Nucline podía realizar operaciones booleanas y aritméticas ( cálculos If-then-else , AND gate , OR gate y "Concentración molar de x > concentración molar de y") en monocitos infectados por VIH y células de cáncer de mama . [5] [6]
En 2004, Isaacs et al. modificaron el sistema original de Lechner para demostrar la represión tanto trans como cis en células procariotas. [7] Bayer y Smolke desarrollaron aún más un riboregulador traduccional en 2005 que podría responder a pequeñas moléculas creando una molécula híbrida riboswitch /riboregulador, denominada anti-switch. [8] En un anti-switch, la presencia de una pequeña molécula orgánica se une a una secuencia de aptámero en la molécula de ARN que desenmascara una secuencia antisentido que de otro modo estaría secuestrada, que puede unirse y bloquear la traducción del ARN objetivo.
Los riboreguladores de ribozima regulan la capacidad de una molécula de ARN catalítico para escindir una secuencia de ácido nucleico diana. En los riboreguladores de ribozima, una molécula de ARN de ribozima de cabeza de martillo se activa o inactiva dependiendo del cambio de la estructura secundaria inducido por la hibridación de una molécula señal como una secuencia de ADN o ARN cognado. En 2008, Win & Smolke diseñaron un regulador de ribozima que podía funcionar en células de levadura que realizaban operaciones booleanas similares a los riboreguladores traduccionales anteriores, incluidas las puertas AND, NAND , NOR y OR. [9]
Los riboreguladores basados en RNAi son pequeños ARN interferentes que responden a una señal de entrada, como la hibridación complementaria con una molécula de ADN o ARN. La presencia o ausencia de una molécula diana determina si el ARNi regula negativamente la expresión génica. En 2007, Rinaudo et al. demostraron que los riboreguladores basados en RNAi también pueden realizar operaciones booleanas en las células. [10]
Los riboreguladores del pH regulan la expresión génica en respuesta a los cambios de pH . El único riboregulador del pH conocido regula positivamente el gen alx en E. coli cuando se encuentra en condiciones alcalinas , particularmente por encima de pH 8. [11] Mediante experimentación, se descubrió que el riboregulador del pH reside en el UTR 5' del gen alx . [12] Cuando se encuentra en pH 7 o inferior, el elemento riboregulador del pH (PRE) existe en un estado 'N' inactivo; en condiciones alcalinas, la ARN polimerasa controla el plegamiento de este ncRNA a su forma activa 'H'. El sitio de unión del gen alx al ribosoma queda ahora expuesto y se permite que la subunidad 30s se una. [12]
En la actualidad, los riboreguladores han encontrado utilidad en el área de la biología sintética y la medicina personalizada . En biología sintética, los riboreguladores se pueden utilizar para regular las respuestas bacterianas y sondear las redes reguladoras de genes . Los estudiantes de biología de sistemas de pregrado utilizan riboreguladores estandarizados para competir en una competencia anual de bioingeniería (la competencia internacional de máquinas genéticamente diseñadas, iGEM ). [13] Además, debido a que los diversos riboreguladores se pueden adaptar para responder a señales biológicas complejas, los riboreguladores ofrecen la promesa de medicamentos basados en ARN personalizados que responden a genes, moléculas pequeñas y proteínas en células individuales.
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