EE.UU.- Descubren el funciomamiento de una ‘máquina’ molecular clave en las células

EUROPA PRESS

Científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Carolina del Norte, la Universidad de Columbia y la Universidad Rockefeller han revelado por primera vez el funcionamiento interno de una de las máquinas moleculares más fundamentales e importantes en las células.

Los investigadores, según publican en la revista ‘Science’, utilizaron experimentos bioquímicos y microscopía crioelectrónica (cryo-EM) para determinar la estructura atómica de un complejo conjunto de moléculas conocidas como máquina de procesamiento final del ARNm de histonas 3′.

Esta ‘máquina’ desempeña un papel fundamental en la actividad adecuada y la duplicación del genoma celular y, cuando es defectuoso, puede provocar enfermedades humanas, incluidos cánceres.

Las proteínas histonas se encuentran en todas las plantas y animales, y forman una disposición de cuentas en un collar donde el ADN en los cromosomas se envuelve alrededor de las cuentas de las histonas. Las histonas aseguran el empaquetamiento eficiente del ADN y ayudan a regular qué genes se “encienden” y cuáles se mantienen “apagados”, procesos necesarios para que todas las células funcionen correctamente.

La máquina de procesamiento final de histona mRNA 3′ es responsable de cortar, precisamente en el lugar correcto, la transcripción de ARNm que se copia de un gen de histona y codifica la proteína de histona correspondiente. La máquina desempeña un papel esencial en la producción de proteínas de histonas por parte de las células, lo que ocurre a niveles altos cuando una célula se divide y debe replicar su ADN. La estructura muestra cómo se activa la máquina solo después de que se une al ARNm de la histona, evitando la escisión de otros ARN.

“Esta estructura proporciona las primeras ideas atómicas sobre un proceso crítico en las células, y explica muy bien la gran cantidad de conocimientos actuales sobre esta maquinaria”, señala el autor principal Liang Tong, profesor del Departamento de Ciencias Biológicas. en la universidad de Columbia.

“La estructura ha sido esperada por los científicos en el campo, y la elegante forma de ánfora de la maquinaria es una ventaja inesperada
–añade–. La estructura también proporciona información valiosa sobre otras maquinarias de procesamiento de extremo 3′ del ARN, porque comparten componentes clave con la histona maquinaria.”

Los estudios recientes de Tong mostraron la maquinaria canónica en forma inactiva. Entonces, ahora, los científicos tienen una idea de cómo se activa la maquinaria. “Esta estructura es otra ilustración del notable poder de la nueva técnica cryo-EM”, agrega.

La solución de la estructura de este complejo, un logro histórico de la biología molecular, es la culminación de casi 40 años de investigación por parte de varios laboratorios y biólogos moleculares.

“Comencé con el problema del ARNm de histonas y cómo está regulado cuando comencé mi laboratorio como profesor asistente en el Estado de Florida en 1974 –explica el coautor del estudio William Marzluff, profesor de Bioquímica y Biofísica en la Escuela de Medicina de la UNC y el Programa Integrativo en Ciencias Biológicas y del Genoma en UNC-Chapel Hill–. Y esta es ciertamente la contribución más importante que hemos hecho en este campo de investigación hasta ahora”.

“Durante mucho tiempo hemos estado estudiando diferentes piezas de esta máquina molecular, pero ahora por primera vez sabemos cómo todas las piezas encajan y funcionan juntas –añade Zbigniew Dominski, profesor del Departamento de Bioquímica y Biofísica de La Facultad de Medicina de la UNC, que dirigió el descubrimiento de muchos de los componentes de la máquina–. Es como si alguien abriera el capó de un coche viejo para que finalmente pudieras ver cómo se ve y funciona todo el motor, de repente aprendiendo detalles mecánicos y funcionales inesperados”.

Cada proteína se produce en un proceso que comienza con un gen. Las enzimas especiales copian o transcriben la información en el gen en forma de ácido ribonucleico (ARN), un primo molecular cercano del ADN en el núcleo celular.

La máquina de procesamiento de extremo 3′ debe cortar esa cadena de ARN en el lugar correcto para procesarla en una molécula llamada ARN mensajero (ARNm), que migra a la parte principal de la célula y se traduce allí en La proteína final.

Los ARNm para prácticamente todas las proteínas son procesados por un tipo de máquina de procesamiento final de 3′, que los corta en el lugar correcto y les agrega una cola especial. Las transcripciones de histonas en células animales que codifican proteínas de histonas necesarias para la división celular son procesadas por una máquina diferente, que las corta pero no agrega cola.

Y esta es la máquina con la que ahora estamos muy familiarizados debido a este innovador estudio estructural. “Nadie sabe realmente por qué los ARNm de histonas son diferentes de otros ARNm; es lo que llamamos una pregunta teológica”, bromea Marzluff.

Las máquinas de procesamiento final de ARN canónico y de histona 3′ están compuestas por más de una docena de proteínas individuales y moléculas de ARN. Algunos de estos elementos se encuentran en ambas máquinas, lo que sugiere un origen evolutivo común.

Dado que la máquina de procesamiento de histona 3′ contiene las mismas tres proteínas centrales que la máquina canónica, incluida la proteína que realmente escinde el ARN, el proceso de activación de las dos máquinas es probablemente similar, aunque la forma en que las dos máquinas reconocen sus objetivos de ARN es distinto.

Tong, Dominski, Marzluff y sus colegas lograron armar una versión funcional de la máquina de procesamiento final de histona ARN 3′ a partir de sus 13 proteínas y 2 componentes de ARN, esencialmente en un tubo de ensayo.

Luego, se tomó una imagen de la máquina usando microscopios crioelectrónicos en el Centro de Biología Estructural de Nueva York (NYSBC), y el procesamiento posterior de datos finalmente condujo a una estructura con una resolución casi atómica. El equipo también pudo mutar componentes clave para verificar sus funciones individuales.

La estructura de la máquina se parecía a un ánfora con un mango largo. El análisis cryo-EM también reveló cómo la máquina reconoce el ARN de histona y lo corta exactamente en el lugar correcto.

“Detecta dos elementos de la cadena de ARN y solo cuando están presentes el dispositivo de corte en esta máquina expone sus cuchillas, por así decirlo –señala Dominski–. No hay aleatoriedad, ni accidente; corta solo lo que se supone que escinde, y el estudio lo revela maravillosamente”.

Dominski ha estado investigando esta maquinaria de procesamiento de ARN de histonas desde mediados de la década de 1990 y con Marzluff, Tong y otros ha sido responsable de los descubrimientos clave sobre componentes individuales. “Este es más o menos el final del camino, en lo que respecta a entender cómo funciona esta máquina –destaca–. Hemos resuelto eso con bastante claridad con este estudio, y es una buena sensación”.