Los mecanismos de vigilancia del ARNm son vías utilizadas por los organismos para garantizar la fidelidad y la calidad de las moléculas de ARN mensajero (ARNm). Hay una serie de mecanismos de vigilancia presentes dentro de las células. Estos mecanismos funcionan en varios pasos de la vía de biogénesis del ARNm para detectar y degradar transcripciones que no se han procesado adecuadamente.
La traducción de transcripciones de ARN mensajero en proteínas es una parte vital del dogma central de la biología molecular . Sin embargo, las moléculas de ARNm son propensas a una serie de errores de fidelidad que pueden provocar errores en la traducción del ARNm en proteínas de calidad . [1] Los mecanismos de vigilancia del ARN son métodos que utilizan las células para asegurar la calidad y fidelidad de las moléculas de ARNm. [2] Esto generalmente se logra marcando una molécula de ARNm aberrante para su degradación por varias nucleasas endógenas . [3]
La vigilancia del ARNm se ha documentado en bacterias y levaduras . En los eucariotas , se sabe que estos mecanismos funcionan tanto en el núcleo como en el citoplasma . [4] Las comprobaciones de fidelidad de las moléculas de ARNm en el núcleo dan como resultado la degradación de las transcripciones procesadas incorrectamente antes de su exportación al citoplasma. Las transcripciones están sujetas a mayor vigilancia una vez en el citoplasma. Los mecanismos de vigilancia citoplasmática evalúan las transcripciones de ARNm en busca de la ausencia o presencia de codones de parada prematuros. [3] [4]
Actualmente se sabe que funcionan tres mecanismos de vigilancia dentro de las células : la vía de desintegración del ARNm mediada sin sentido (NMD); las vías de desintegración del ARNm mediadas sin parar (NSD); y la vía de desintegración del ARNm mediada por no-go (NGD).
La desintegración mediada por tonterías está implicada en la detección y desintegración de transcripciones de ARNm que contienen codones de terminación prematura (PTC). Las PTC pueden surgir en las células a través de varios mecanismos: mutaciones de la línea germinal en el ADN; mutaciones somáticas en el ADN; errores de transcripción ; o errores en el procesamiento postranscripcional del ARNm. [5] [6] No reconocer y descomponer estas transcripciones de ARNm puede resultar en la producción de proteínas truncadas que pueden ser dañinas para el organismo. Al provocar la descomposición de los polipéptidos truncados en el extremo C , el mecanismo NMD puede proteger a las células contra efectos nocivos dominantes negativos y de ganancia de función . [7] Las PTC han estado implicadas en aproximadamente el 30% de todas las enfermedades hereditarias ; como tal, la vía NMD desempeña un papel vital para garantizar la supervivencia general y la aptitud de un organismo. [8] [9]
Se ensambla un complejo de vigilancia que consta de varias proteínas ( eRF1 , eRF3 , Upf1 , Upf2 y Upf3) y escanea el ARNm en busca de codones de parada prematuros. [5] El montaje de este complejo se desencadena por la terminación prematura de la traducción. Si se detecta un codón de parada prematuro, se indica la degradación al transcrito del ARNm: se produce el acoplamiento de la detección con la degradación. [3] [10] [11]
Se han identificado siete genes smg (smg1-7) y tres genes UPF (Upf1-3) en Saccharomyces cerevisiae y Caenorhabditis elegans como factores de acción trans esenciales que contribuyen a la actividad de NMD. [12] [13] Todos estos genes se conservan en Drosophila melanogaster y otros mamíferos donde también desempeñan funciones críticas en la NMD. En los eucariotas hay tres componentes que se conservan en el proceso de NMD. [14] Estos son los complejos Upf1/SMG-2, Upf2/SMG-3 y Upf3/SMG-4. Upf1/SMG-2 es una fosfoproteína en organismos multicelulares y se cree que contribuye a la NMD a través de su actividad de fosforilación. Sin embargo, actualmente se discuten las interacciones exactas de las proteínas y su papel en la NMD. [11] [12] [14] [15] [16]
Un codón de parada prematuro debe reconocerse como diferente de un codón de parada normal, de modo que sólo el primero desencadene una respuesta NMD. Se ha observado que la capacidad de un codón sin sentido para provocar la degradación del ARNm depende de su ubicación relativa con respecto al elemento de secuencia aguas abajo y las proteínas asociadas. [1] Los estudios han demostrado que los nucleótidos situados a más de 50 a 54 nucleótidos aguas arriba de la última unión exón-exón pueden atacar el ARNm para su descomposición. [1] [4] [5] [6] [7] [17] Aquellos aguas abajo de esta región no pueden hacerlo. Por tanto, los codones sin sentido se encuentran a más de 50-54 nucleótidos aguas arriba del límite del último exón , mientras que los codones de terminación naturales se encuentran dentro de los exones terminales. [18] Los complejos de unión de exones (EJC) marcan los límites exón-exón. Las EJC son complejos multiproteicos que se ensamblan durante el empalme en una posición de aproximadamente 20 a 24 nucleótidos aguas arriba de la unión de empalme. [19] Es este EJC el que proporciona la información de posición necesaria para discriminar los codones de parada prematuros de los codones de parada naturales. El reconocimiento de las PTC parece depender de las definiciones de las uniones exón-exón. Esto sugiere la participación del espliceosoma en la NMD de mamíferos. [17] [20] La investigación ha investigado la posibilidad de participación del espliceosoma en la NMD de mamíferos y ha determinado que esta es una posibilidad probable. [18] Además, se ha observado que los mecanismos NMD no se activan mediante transcripciones sin sentido que se generan a partir de genes que naturalmente no contienen intrones (p. ej., histona H4, Hsp70, receptor de melanocortina-4). [7]
Cuando el ribosoma alcanza un PTC, los factores de traducción eRF1 y eRF3 interactúan con los complejos EJC retenidos a través de un puente multiproteico. [21] Las interacciones de UPF1 con el complejo terminal y con UPF2 /UPF3 de los EJC retenidos son críticas. Son estas interacciones las que apuntan al ARNm para una rápida descomposición por parte de las nucleasas endógenas [18] [21]
Los estudios que involucran organismos como S. cerevisiae , D.melanogaster y C. elegans han demostrado que el reconocimiento de PTC en organismos invertebrados no implica límites exón-exón. [20] Estos estudios sugieren que la NMD de invertebrados se produce independientemente del empalme. Como resultado, los EJC que son responsables de marcar los límites exón-exón no son necesarios en la NMD de invertebrados. [3] Se han propuesto varios modelos para explicar cómo se distinguen los PTC de los codones de terminación normales en los invertebrados. Uno de ellos sugiere que puede haber un elemento de secuencia posterior que funciona de manera similar a las uniones de exones en los mamíferos. [11] Un segundo modelo propone que una característica ampliamente presente en el ARNm, como una cola poli-A 3', podría proporcionar la información posicional necesaria para el reconocimiento. [22] Otro modelo, denominado "modelo 3'UTR falso", sugiere que la terminación prematura de la traducción puede distinguirse de la terminación normal debido a características intrínsecas que pueden permitirle reconocer su presencia en un entorno inadecuado. [3] Estos mecanismos, sin embargo, aún no se han demostrado de manera concluyente.
Existen dos mecanismos de reconocimiento de PTC en las plantas: según su distancia del EJC (como en los vertebrados) o de la cola poli-A. El mecanismo NMD en plantas induce la descomposición de los ARNm que contienen una 3'UTR de más de 300 nucleótidos, es por eso que la proporción de ARNm con 3'UTR más largas es mucho menor en las plantas que en los vertebrados. [23] [24]
Generalmente se cree que los ARNm con mutaciones sin sentido son el objetivo de la descomposición a través de las vías NMD. La presencia de este codón de parada prematuro a unos 50-54 nucleótidos en 5' de la unión del exón parece ser el desencadenante de una rápida descomposición; sin embargo, se ha observado que algunas moléculas de ARNm con un codón de parada prematuro pueden evitar la detección y la descomposición. [17] [25] En general, estas moléculas de ARNm poseen el codón de parada muy temprano en el marco de lectura (es decir, el PTC es AUG-proximal). Esto parece ser una contradicción con el modelo actualmente aceptado de NMD, ya que esta posición es significativamente 5' de la unión exón-exón. [26]
Esto se ha demostrado en la β-globulina. Los ARNm de β-globulina que contienen una mutación sin sentido en las primeras etapas del primer exón del gen son más estables que las moléculas de ARNm sensibles a NMD. Actualmente se desconoce el mecanismo exacto para evitar la detección. Se ha sugerido que la proteína de unión poli-A (PABP) parece desempeñar un papel en esta estabilidad. [27] Se ha demostrado en otros estudios que la presencia de esta proteína cerca de las PTC proximales a AUG parece promover la estabilidad de estos ARNm que de otro modo serían sensibles a NMD. Se ha observado que este efecto protector no se limita únicamente al promotor de la β-globulina. [25] Esto sugiere que este mecanismo de evitación de NMD puede ser prevalente en otros tipos de tejidos para una variedad de genes. Es posible que sea necesario revisar el modelo actual de NMD en el marco de más estudios.
La desintegración mediada sin parar (NSD) participa en la detección y desintegración de transcripciones de ARNm que carecen de un codón de parada. [29] [30] Estas transcripciones de ARNm pueden surgir de muchos mecanismos diferentes, como señales de adenilación 3' prematura o poliadenilación críptica dentro de la región codificante de un gen. [31] Esta falta de un codón de parada resulta en un problema importante para las células. Los ribosomas que traducen el ARNm eventualmente se traducen en la región de la cola 3'poli-A de las transcripciones y las paradas. Como resultado, no puede expulsar el ARNm. [32] Por lo tanto, los ribosomas pueden quedar secuestrados asociados con el ARNm continuo y no estarían disponibles para traducir otras moléculas de ARNm en proteínas. La desintegración mediada sin parar resuelve este problema liberando los ribosomas estancados y marcando el ARNm sin parar para su degradación en la célula por las nucleasas. La desintegración mediada sin parar consta de dos vías distintas que probablemente actúan en conjunto para descomponer el ARNm sin parar. [29] [30]
Esta vía está activa cuando la proteína Ski7 está disponible en la célula. Se cree que la proteína Ski7 se une al sitio A vacío del ribosoma. Esta unión permite que el ribosoma expulse la molécula de ARNm ininterrumpida atascada; esto incluso libera el ribosoma y le permite traducir otras transcripciones. El Ski7 ahora está asociado con el ARNm continuo y es esta asociación la que apunta al ARNm continuo para su reconocimiento por parte del exosoma citosólico . El complejo Ski7-exosoma desactiva rápidamente la molécula de ARNm, lo que permite que el exosoma descomponga la transcripción de 3' a 5'. [29] [30]
Se ha observado un segundo tipo de NSD en la levadura. En este mecanismo, la ausencia de Ski7 da como resultado la pérdida de proteínas PABP de unión a la cola poli-A por la acción del ribosoma de traducción. La eliminación de estas proteínas PABP da como resultado la pérdida de la capa protectora 5'm7G . La pérdida de la tapa da como resultado una rápida degradación del transcrito por una exonucleasa endógena 5'-3' como XrnI. [30]
La decadencia No-Go (NGD) es el mecanismo de vigilancia descubierto más recientemente. [33] Como tal, actualmente no se comprende bien. Si bien los objetivos auténticos de NGD no se conocen bien, parecen consistir en gran medida en transcripciones de ARNm en las que los ribosomas se han detenido durante la traducción. Esta parada puede ser causada por una variedad de factores que incluyen estructuras secundarias fuertes , que pueden bloquear físicamente el movimiento de la maquinaria de traducción por la transcripción. [33] Dom34/Hbs1 probablemente se une cerca del sitio A de los ribosomas estancados y puede facilitar el reciclaje de complejos. [34] En algunos casos, la transcripción también se escinde de forma endonucleolítica cerca del sitio de pérdida; sin embargo, la identidad de la endonucleasa responsable sigue siendo controvertida. Luego, las moléculas de ARNm fragmentadas son completamente degradadas por el exosoma de 3' a 5' y por Xrn1 de 5' a 3'. [33] Actualmente no se sabe cómo este proceso libera el ARNm de los ribosomas; sin embargo, Hbs1 está estrechamente relacionada con la proteína Ski7, que desempeña un papel claro en la liberación de ribosomas en la NSD mediada por Ski7. Se postula que la Hbs1 puede desempeñar un papel similar en la NGD. [5] [35]
Es posible determinar la historia evolutiva de estos mecanismos observando la conservación de proteínas clave implicadas en cada mecanismo. Por ejemplo: Dom34/Hbs1 están asociados con NGD; [33] Ski7 está asociado con NSD; [29] y las proteínas eRF están asociadas con NMD. [6] Con este fin, se han realizado extensas búsquedas BLAST para determinar la prevalencia de las proteínas en varios tipos de organismos. Se ha determinado que NGD Hbs1 y NMD eRF3 se encuentran únicamente en eucariotas. Sin embargo, el NGD Dom34 es universal en eucariotas y arqueas . Esto sugiere que NGD parece haber sido el primer mecanismo de vigilancia de ARNm evolucionado. La proteína NSD Ski7 parece estar restringida estrictamente a especies de levaduras, lo que sugiere que NSD es el mecanismo de vigilancia evolucionado más recientemente. Esto deja por defecto al NMD como el segundo mecanismo de vigilancia evolucionado. [36]
