El riboswitch de cobalamina es un elemento regulador cis que se distribuye ampliamente en las regiones 5' no traducidas de los genes relacionados con la vitamina B 12 (cobalamina) en las bacterias . [1]
Los ribointerruptores de cobalamina (vitamina B 12 , coenzima B 12 ) son elementos de ARN estructurados que regulan genes adyacentes relacionados con el metabolismo de la cobalamina en respuesta a la unión de la cobalamina. Los riboswitches son elementos reguladores genéticos basados en ARN presentes en la región 5' no traducida (5'UTR) del ARN principalmente bacteriano. Estos interruptores se unen a un ligando , que generalmente es un metabolito , con alta afinidad y especificidad. La unión del ligando media el reordenamiento alostérico de la estructura del ARNm, y esto da como resultado la modulación de la expresión génica o la traducción del ARNm para producir una proteína. El riboswitch de cobalamina, junto con la mayoría de los otros riboswitches, son reguladores cis . Esto significa que regulan genes implicados en las mismas vías metabólicas que el metabolito al que se unen, lo que crea una regulación a través de un circuito de retroalimentación negativa . Los riboswitches se agrupan en clases según el ligando al que se unen porque el dominio de unión al ligando o aptámero está altamente conservado en todas las especies. Los riboswitches, incluido el riboswitch de cobalamina, han atraído mucha atención recientemente debido a su potencial terapéutico y sintético, [2] así como a sus interesantes propiedades estructurales. [3] [4] [5] A partir de 2019, se han identificado riboswitches de cobalamina en más de 5000 especies de bacterias. [2]
Los riboswitches de cobalamina se unen a la cobalamina (vitamina B12), que es un cofactor enzimático complejo compuesto por un anillo de corrina coordinado con un ion cobalto (III). En la posición alfa-axial, el cobalto está coordinado con un resto de dimetilbencimidazol unido al anillo de corrina mediante un conector flexible de aminopropanol. [6] [7] La porción activa del cofactor está en la posición beta-axial. La metilcobalamina (MeCbl) y la adenosilcobalamina (AdoCbl) son las formas biológicamente activas de cobalamina, que contienen un grupo metilo y un resto adenosilo en la posición beta-axial, respectivamente. [6] La hidroxocobalamina (HyCbl), con un grupo hidroxilo en la posición beta-axial, se produce como resultado de la fotólisis de la cobalamina y está presente en condiciones biológicas pero no en forma activa. La cianocobalamina (CyCbl) es una forma artificial de cobalamina que se encuentra en los suplementos y que puede convertirse en formas activas de cobalamina. Los riboswitches de cobalamina pueden exhibir selectividad hacia diferentes formas de cobalamina. [6]
Los riboswitches , incluido el riboswitch de cobalamina, generalmente están compuestos por un dominio de unión a ligando o aptámero y una plataforma de expresión. La unión del ligando induce un reordenamiento estructural alostérico en la plataforma de expresión que da como resultado la regulación de la expresión génica mediante mecanismos transcripcionales o traduccionales . [4] [8]
Los riboswitches de cobalamina se clasifican ampliamente según la identidad del aptámero, pero pueden clasificarse además en Clase I (Cbl-I) y Clase II (Cbl-II) según la selectividad del análogo de cobalamina y los elementos estructurales periféricos. [6] Los riboswitches Cbl-I y Cbl-II comparten un dominio receptor conservado compuesto por una unión de cuatro vías y un dominio regulador. Los ribointerruptores Cbl-I son selectivos para AdoCbl , con una estructura de bucle de vástago periférico variable que facilita la especificidad del ligando. [6] [9] Más del 90% de los riboswitches de cobalamina identificados antes de 2003 son riboswitches Cbl-I. [10]
Cbl-II se puede dividir en dos clases (Cbl-IIa y Cbl-IIb). Los ribointerruptores Cbl-IIa son específicos de los análogos de cobalamina con ligandos β-axiales más pequeños, incluidos MeCbl y HyCbl . [6] [9] Esta selectividad está determinada por las variaciones de los elementos periféricos. [6]
Los ribosinterruptores Cbl-IIb también son selectivos para AdoCbl , [6] [9] pero difieren significativamente en estructura de los ribosinterruptores Cbl-I. Aún no se ha determinado la base estructural de la selectividad de AdoCbl. [6] Los ribointerruptores Cbl-IIb también difieren en términos de la naturaleza de los genes que regulan, y los ribointerruptores Cbl-IIb se asocian principalmente con genes implicados en la utilización de etanolamina. [6] La etanolamina es abundante en el tracto intestinal humano ya que es el producto de la descomposición de la fosfatidiletanolamina de las membranas celulares y también está presente en los alimentos procesados. La mayoría de las bacterias que habitan el tracto intestinal pueden utilizar la etanolamina como fuente de carbono y nitrógeno al regular positivamente la expresión de los genes de utilización de etanolamina ; esto puede tener una ventaja de supervivencia. [11] La expresión de los genes de utilización de etanolamina (eutG) está influenciada por dos mecanismos diferentes. El primero es un sistema regulador de dos componentes que detecta la presencia de etanolamina y el segundo mecanismo es un riboswitch AdoCbl que detecta la presencia de AdoCbl, un cofactor necesario para la descomposición de la etanolamina. Un estudio demostró que ambos elementos reguladores deben activarse para que las bacterias crezcan de manera eficiente en un medio que contenga etanolamina. [12] Los estudios bioinformáticos inicialmente no tuvieron éxito en la identificación de riboswitches AdoCbl dentro de los genomas de las bacterias , pero estudios posteriores de las regiones intergénicas del locus eutG utilizando Ribex identificaron un elemento de ARN entre los genes eutT y eutG. [1] [13]
Además, algunos riboswitches de cobalamina exhiben una unión de ligando promiscua, como el riboswitch yvrC de B. subtilis , que puede adoptar diferentes conformaciones estructurales para unirse a análogos de cobalamina con ligandos β-axiales más pequeños como MeCbl y HyCbl , además de AdoCbl , que tiene un resto β-axial mucho más voluminoso. [9] Este riboswitch también es capaz de unirse a CyCbl . [9]
Antes de probar la función del riboswitch, se identificó un motivo de secuencia conservada llamado caja B 12 [14] que corresponde a una parte del riboswitch de cobalamina, [1] y se identificó una estructura conservada más completa. [10] [8] Se han identificado variantes del consenso riboswitch. [15] Antes de que se identificara una gama más amplia de riboswitches de cobalamina, se creía que solo existían riboswitches AdoCbl . [10]
Los mecanismos de los riboswitches individuales de cobalamina pueden variar y muchos aún no se han dilucidado. [16] Los cuatro mecanismos canónicos para los ribointerruptores incluyen la activación o represión transcripcional y la activación o represión traduccional. [17] [16] En la activación transcripcional, un bucle terminador, que bloquea el sitio de unión de la ARN polimerasa, está presente en ausencia de ligando y, tras la unión del ligando, se forma un bucle anti-terminador y se elimina la horquilla del terminador. La terminación transcripcional ocurre cuando se forma el bucle del tallo terminador en presencia de un ligando. La regulación mediante activación traduccional ocurre cuando la secuencia Shine-Dalgarno (SD), necesaria para que el ribosoma se una al ARNm e inicie la traducción, se secuestra dentro de elementos estructurales terciarios cuando el ligando no está unido y se vuelve accesible después de que el riboswitch se somete a una activación del ligando. cambio conformacional inducido. En la represión traduccional, la SD queda secuestrada tras la unión del ligando. [18] [16] Se confirmó que el riboswitch btuB AdoCbl de E. coli regula la expresión génica a través de un mecanismo de represión traslacional, así como el riboswitch env8 HyCbl. [dieciséis]
Se sabe que el riboswitch de cobalamina regula una amplia gama de genes implicados en el metabolismo de la cobalamina, incluidos aquellos genes que codifican proteínas implicadas en la biosíntesis y el transporte de cobalamina. [19] Los ejemplos incluyen la regulación del gen btuB en E. coli que codifica una proteína transportadora de cobalamina, [1] la regulación de CobA, una enzima que convierte el uroporfirinógeno III en precorrina-2 durante la biosíntesis de cobalamina en P. freudenreichiii, [20] y el operón de biosíntesis de cobalamina (cob) en S. typhimurium [21], entre otros.
La amenaza emergente de la resistencia a los antibióticos pone de relieve la necesidad de desarrollar nuevos antibióticos . [17] Los ribointerruptores , incluidos los de cobalamina, se están investigando actualmente como objetivos potenciales para nuevos antibióticos. [2] No solo regulan los procesos metabólicos esenciales, sino que también se encuentran principalmente en procariotas . Hasta la fecha, solo se ha identificado un riboswitch (el riboswitch TPP) en algunas células vegetales, y no se ha identificado ningún riboswitch en células de mamíferos. [2] [3] Al centrarse en los mecanismos reguladores específicos de las bacterias, se minimiza el riesgo de efectos secundarios en el huésped. [4] Además, el mecanismo por el cual un ligando se une a su riboswitch es intrínsecamente diferente de cómo una proteína se une a ese mismo ligando, minimizando así la interferencia entre los dos sistemas. [dieciséis]
Un estudio bioinformático realizado en 2019, que analizó ocho clases diferentes de riboswitch para determinar su idoneidad como objetivos de fármacos antibacterianos , clasificó el riboswitch de cobalamina como parcialmente adecuado para atacar con antibióticos. [2] En 2019, se encontraron riboswitches de cobalamina en 5174 especies bacterianas, el 7% de las cuales son patógenos humanos . [2] El desarrollo de antibióticos dirigidos al riboswitch de cobalamina se ve obstaculizado debido al hecho de que no todas las vías biosintéticas de la cobalamina están reguladas por riboswitches, lo que significa que los antibióticos dirigidos al riboswitch deberían usarse junto con medicamentos adicionales dirigidos a vías sintéticas alternativas para poder ser efectivo. [2] A partir de 2021, no se están desarrollando tratamientos terapéuticos dirigidos al riboswitch de cobalamina. [5]
Los riboswitches son ideales para ser diseñados en biosensores debido a su capacidad de sufrir un cambio conformacional al unirse a ligandos específicos. [4] Estos sensores están construidos con un riboswitch de cobalamina aguas arriba de un gen que codifica una molécula informadora. La naturaleza de la molécula informadora puede variar según el método de detección deseado. Por ejemplo, el gen indicador puede codificar la proteína fluorescente verde ( GFP ) cuando se desean métodos de detección basados en fluorescencia. [22] En presencia de ligando , el riboswitch sufre un cambio conformacional que bloquea el sitio de unión ribosomal, deteniendo la transcripción del gen informador .
En 2010, los investigadores diseñaron el primer sensor AdoCbl basado en riboswitch en E. coli . [4] Este sensor también se utilizó para detectar precursores biosintéticos de la vitamina B 12 , como la cobinamida, y confirmar la participación de genes específicos en el metabolismo de la cobalamina. [4] Más recientemente, este sensor se utilizó para detectar mutantes de Ensifer meliloti por su capacidad para sintetizar grandes cantidades de vitamina B 12 . [22] Los sensores Riboswitch se pueden utilizar fuera de un entorno celular. Por ejemplo, se utilizó un biosensor desarrollado a partir de un riboswitch de cobalamina de Propionibacterium freudenreichii para determinar la concentración de vitamina B 12 en alimentos fermentados con alta sensibilidad. [23]