Leadzyme

Leadzyme es una pequeña ribozima (ARN catalítico) que cataliza la escisión de un enlace fosfodiéster específico . Fue descubierta mediante un estudio de evolución in vitro en el que los investigadores seleccionaron ARN que se escindían específicamente en presencia de plomo . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Sin embargo, desde entonces, se ha descubierto en varios sistemas naturales. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Se encontró que Leadzyme es eficiente y dinámica ^{[ 5 ]} en presencia de concentraciones micromolares de iones de plomo . ^{[ 6 ]} A diferencia de otras pequeñas ribozimas autoescindibles , otros iones metálicos divalentes no pueden reemplazar al Pb ²⁺ en Leadzyme. ^{[ 7 ]} Debido al requisito obligatorio de plomo, la ribozima se denomina metalorribozima.

Leadzyme ha sido sometido a una extensa caracterización bioquímica y estructural. ^{[ 8 ]} La estructura secundaria mínima de leadzyme es sorprendentemente muy simple. Comprende un bucle interno asimétrico compuesto por seis nucleótidos y una región helicoidal a cada lado del bucle interno. El sitio de escisión de leadzyme se encuentra dentro de un bucle interno asimétrico de cuatro nucleótidos de longitud que también consta de hélices de ARN a ambos lados. Esto se muestra en la figura superior de la derecha, que es la estructura secundaria de leadzyme generada usando mfold. Las estructuras de leadzyme también se han resuelto usando cristalografía de rayos X y RMN. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Las estructuras cristalinas de las dos conformaciones de leadzyme se muestran en la figura inferior de la derecha.

Se cree que Leadzyme realiza la catálisis mediante un mecanismo de dos pasos. ^{[ 11 ]} En el primer paso de la reacción, el enlace fosfodiéster se escinde en dos productos: el producto 5' que termina en 2',3'-fosfato cíclico y el producto 3' en 5'-hidroxilo. Este paso es similar al de otras ribozimas pequeñas autoescindibles, como la ribozima Hammerhead y la ribozima HDV . ^{[ 12 ]} Ambas ribozimas generan un producto que contiene un 2',3'-fosfato cíclico. Sin embargo, en Leadzyme este producto es solo un intermediario. En el segundo paso de esta vía de reacción, el 2',3'-fosfato cíclico sufre hidrólisis para formar 3'-monofosfato. Este modo de catálisis es más similar al funcionamiento de las ribonucleasas (proteínas) que al de cualquier ribozima pequeña autoescindible conocida.

Se cree que la leadzima tiene una estructura altamente dinámica. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Muchos estudios, incluyendo RMN , cristalografía de rayos X y modelado molecular , han revelado estructuras ligeramente diferentes. Recientemente, utilizando espectroscopia resuelta en el tiempo , se demostró que el sitio activo de la leadzima es muy dinámico. ^{[ 15 ]} Muestra muchas conformaciones diferentes en solución y que el delta G de la interconversión entre diferentes conformaciones es muy bajo. En consonancia con estos estudios, una estructura cristalina de alta resolución también reveló dos conformaciones distintas de la leadzima con diferentes sitios de unión para Mg ²⁺ y Sr ²⁺ (sustitutos de Pb ²⁺ ) en las dos conformaciones. ^{[ 16 ]} En el estado fundamental , la leadzima se une a un solo ion Sr ²⁺ en los nucleótidos G43, G45 y A45. Este sitio de unión se encuentra alejado del enlace escindible (sitio de escisión) y, por lo tanto, no explica la participación del Pb²⁺ ^en la catálisis. Sin embargo, en la segunda conformación, denominada estado "precatalítico", la ribozima presenta dos sitios de unión para Sr²⁺ ^. G43 y G42 interactúan con un Sr²⁺ ^, mientras que el segundo Sr²⁺ ^interactúa con A45, C23 y G24. Este segundo sitio de unión para Sr²⁺ ^también podría interactuar con el 2'-OH del C23 a través de una molécula de agua. Este segundo sitio de unión explica cómo el Pb²⁺ ^podría facilitar la catálisis al abstraer el protón del 2-OH y prepararlo para un ataque nucleofílico en línea sobre el fosfato escindible. Esto también se ve respaldado por el hecho de que la reacción de la leadzima depende del pH. Por lo tanto, el Pb²⁺ ^podría estar actuando como un ácido de Lewis y activando el 2-OH del C23. La estructura cristalina es consistente con un mecanismo de dos iones metálicos que se ha propuesto para la catálisis de la leadzima. ^{[ 17 ]}

Los metales tóxicos como el plomo son riesgos ambientales y para la salud, y pueden ingresar a los sistemas biológicos tras la exposición. El plomo es un metal persistente y puede acumularse en el cuerpo humano con el tiempo debido a su uso frecuente en la industria y su presencia en nuestro entorno. La inhalación de plomo puede tener efectos que van desde síntomas sutiles hasta enfermedades graves. Es posible que la presencia de plomo en nuestros sistemas biológicos pueda inducir catálisis por iones de plomo. ^{[ 18 ]} Dado que la leadzima es un motivo relativamente simple , es decir, tiene un plegamiento simple, parece que hay muchas secuencias en los genomas de muchos sistemas naturales que potencialmente pueden plegarse en una estructura de leadzima. Una búsqueda simple de este motivo de ARN en los genomas de humanos, Drosophila melanogaster , Caenorhabditis elegans y Arabidopsis thaliana reveló que, en promedio, este motivo está presente con una frecuencia de 2 a 9 motivos por 1 Mbp de secuencia de ADN. ^{[ 19 ]} También mostraron que el motivo leadzima es muy común en las secuencias de ARNm de estos organismos. Por lo tanto, estas secuencias podrían autocortarse en presencia de iones de plomo. La acción del plomo sobre estos motivos de ARN en los ARNm y otros ARN podría explicar la toxicidad mediada por plomo que provoca la muerte celular . ^{[ 20 ]}

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