Termómetro de ARN

Un termómetro de ARN (o termosensor de ARN ) es una molécula de ARN no codificante sensible a la temperatura que regula la expresión génica . ^{[ 1 ]} Su característica única es que no necesita proteínas ni metabolitos para funcionar, sino que solo reacciona a los cambios de temperatura. ^{[ 2 ]} Los termómetros de ARN suelen regular genes necesarios durante una respuesta a un choque térmico o a un choque térmico por frío , pero también se han relacionado con otras funciones reguladoras, como la patogenicidad y la inanición . ^{[ 1 ]}

En general, los termómetros de ARN funcionan cambiando su estructura secundaria y terciaria ^{[ 3 ]} en respuesta a las fluctuaciones de temperatura. Esta transición estructural puede exponer u ocultar regiones importantes del ARN, como un sitio de unión al ribosoma , lo que afecta la tasa de traducción de un gen codificante de proteínas cercano .

Los termómetros de ARN, junto con los ribointerruptores , se utilizan como ejemplos para respaldar la hipótesis del mundo de ARN . Esta teoría propone que el ARN fue en algún momento el único ácido nucleico presente en las células, y que fue reemplazado por el sistema actual ADN → ARN → proteína . ^{[ 4 ]}

Ejemplos de termómetros de ARN incluyen FourU , ^{[ 5 ]} el elemento cis -regulador Hsp90 , ^{[ 6 ]} el elemento ROSE , ^{[ 7 ]} el termómetro de ARN Lig , ^{[ 8 ]} y el termómetro Hsp17 . ^{[ 9 ]}

El primer elemento de ARN sensible a la temperatura se informó en 1989. ^{[ 10 ]} Antes de esta investigación, se descubrió que las mutaciones río arriba del sitio de inicio de la transcripción en un ARNm cIII del fago lambda (λ) afectaban el nivel de traducción de la proteína cIII. ^{[ 11 ]} Esta proteína está involucrada en la selección de un ciclo de vida lítico o lisogénico en el fago λ, y las altas concentraciones de cIII promueven la lisogenia. ^{[ 11 ]} Un estudio posterior de esta región de ARN río arriba identificó dos estructuras secundarias alternativas ; un estudio experimental encontró que las estructuras eran intercambiables y dependían tanto de la concentración de iones de magnesio como de la temperatura. ^{[ 10 ] [ 12 ]} Ahora se cree que este termómetro de ARN fomenta la entrada a un ciclo lítico bajo estrés térmico para que el bacteriófago se replique rápidamente y escape de la célula huésped. ^{[ 1 ]}

El término "termómetro de ARN" no se acuñó hasta 1999, ^{[ 13 ]} cuando se aplicó al elemento de ARN rpoH identificado en Escherichia coli . ^{[ 14 ]} Más recientemente, se han empleado búsquedas bioinformáticas para descubrir varios nuevos candidatos a termómetros de ARN. ^{[ 15 ]} Sin embargo, las búsquedas tradicionales basadas en secuencias son ineficientes, ya que la estructura secundaria del elemento está mucho más conservada que la secuencia de ácido nucleico . ^{[ 15 ]}

Las reacciones biológicas y los organismos son sensibles a la temperatura para la función celular. Los termómetros de ARN son una forma eficiente de responder a la temperatura porque permiten a las células monitorear y detectar cambios para mantener la célula viva y estable. Los mecanismos inducidos por ADN, ARN o proteínas evitan pequeños cambios porque al detectar cualquier cambio externo ^{[ 16 ]}

Las bacterias utilizan termómetros de ARN para entrar y sobrevivir en sus huéspedes, adhiriéndose a ellos y provocando fluctuaciones en su temperatura. Pueden responder rápidamente a los choques térmicos y de frío, ya que los termómetros de ARN controlan la expresión génica a nivel traduccional. ^{[ 16 ]}

El primer termómetro de ARN descubierto en el cloroplasto de Chlamydomonas reinhardtii se encuentra en la región 5'-UTR del ARNm psaA. Su función es diferente, especialmente porque se consideraba ausente; posee una estructura secundaria en horquilla que protege la secuencia Shine-Dalgarno cuando la temperatura es baja, pero una vez que ocurre un cambio de temperatura, se desnaturaliza y activa la producción de proteínas. ^{[ 2 ]} La investigación del termómetro de ARN de C. reinhardtii es la puerta de entrada para observar el cloroplasto de los organismos fotosintéticos en relación con la regulación genética y cómo podría utilizarse en la agricultura en algún momento futuro, ya que ayuda a las plantas a adaptarse a la temperatura externa. ^{[ 2 ]}

La mayoría de los termómetros de ARN conocidos se encuentran en la región 5′ no traducida (UTR) del ARN mensajero que codifica las proteínas de choque térmico ; sin embargo, se ha sugerido que este hecho puede deberse, en parte, a un sesgo de muestreo y a las dificultades inherentes para detectar secuencias de ARN cortas y no conservadas en los datos genómicos . ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Aunque se encuentra predominantemente en procariotas , se ha descubierto un posible termómetro de ARN en mamíferos , incluidos los humanos . ^{[ 19 ]} El candidato a termosensor, el ARN de choque térmico-1 (HSR1), activa el factor de transcripción de choque térmico 1 (HSF1) e induce proteínas protectoras cuando la temperatura celular supera los 37  °C ( temperatura corporal ), evitando así que las células se sobrecalienten. ^{[ 19 ]}

El primer termómetro de ARN descubierto en el cloroplasto de Chlamydomonas reinhardtii se encuentra en la región 5'-UTR del ARNm psaA. Su función es diferente, especialmente porque se consideraba ausente; posee una estructura secundaria en horquilla que protege la secuencia Shine-Dalgarno cuando la temperatura es baja, pero ante un cambio de temperatura, se desnaturaliza y activa la producción de proteínas. ^{[ 2 ]} La investigación del termómetro de ARN de C. reinhardtii abre la puerta a la observación del cloroplasto de organismos fotosintéticos para la regulación genética y su posible uso en la agricultura en el futuro, ya que ayuda a las plantas a adaptarse a la temperatura externa. ^{[ 2 ]}

Los elementos ROSE son una clase de termómetros de ARN bacterianos que regulan la activación de genes que contienen pequeñas proteínas de choque térmico. Se desnaturalizan a un nivel moderado en paralelo al aumento de la temperatura de su entorno. Una vez que se desnaturalizan completamente a una temperatura elevada de aproximadamente 42  °C, proceden a liberar el complejo Shine-Dalgarno y el codón de inicio AUG. Los termómetros de ARN también se pueden encontrar en algunos simbiontes o patógenos de plantas; estos simbiontes y patógenos utilizan los termómetros de ARN para regular la expresión génica de la planta. ^{[ 3 ]} Una bacteria simbiótica bien estudiada es la familia Rhizobiaceae. En la mayoría de las especies de rizobios, se observaron elementos ROSE (de acción cis) que controlan genes de choque térmico. ^{[ 3 ]}

Los termómetros de ARN son estructuralmente simples y pueden construirse a partir de secuencias cortas de ARN; la más pequeña tiene solo 44 nucleótidos y se encuentra en el ARNm de una proteína de choque térmico, hsp17, en la especie Synechocystis PCC 6803. [ ^{9 ] Generalmente} , estos elementos de ARN varían en longitud de 60 a 110 nucleótidos ^{[ 21 ]} y suelen contener una horquilla con un pequeño número de pares de bases mal emparejadas que reducen la estabilidad de la estructura, permitiendo así un despliegue más fácil en respuesta a un aumento de temperatura. ^{[ 17 ]}

El análisis estructural detallado del termómetro de ARN ROSE reveló que las bases no coincidentes participan en un apareamiento de bases no estándar que preserva la estructura helicoidal del ARN (véase la figura). Los pares de bases inusuales consisten en pares GG, UU y UC-U. Dado que estos pares de bases no canónicos son relativamente inestables, el aumento de la temperatura provoca la fusión local de la estructura del ARN en esta región, exponiendo la secuencia de Shine-Dalgarno. ^{[ 20 ]}

Algunos termómetros de ARN son significativamente más complejos que una sola horquilla, como en el caso de una región encontrada en el ARNm de CspA que se cree que contiene un pseudonudo , así como múltiples horquillas. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Se han diseñado termómetros de ARN sintéticos con una estructura simple de horquilla única. ^{[ 24 ]} Sin embargo, la estructura secundaria de estos termómetros de ARN cortos puede ser sensible a mutaciones, ya que un solo cambio de base puede inactivar la horquilla in vivo . ^{[ 25 ]}

Los termómetros de ARN se encuentran en la región 5′ UTR del ARN mensajero, aguas arriba de un gen codificante de proteínas. ^{[ 1 ]} Allí pueden ocluir el sitio de unión del ribosoma (RBS) e impedir la traducción del ARNm a proteína. ^{[ 17 ]} A medida que aumenta la temperatura, la estructura en horquilla puede "desintegrarse" y exponer el RBS o la secuencia Shine-Dalgarno para permitir la unión de la subunidad ribosómica pequeña ( 30S ), que luego ensambla otra maquinaria de traducción. ^{[ 1 ]} El codón de inicio , que normalmente se encuentra 8 nucleótidos aguas abajo de la secuencia Shine-Dalgarno, ^{[ 17 ]} señala el comienzo de un gen codificante de proteínas que luego es traducido a un producto peptídico por el ribosoma . Además de este mecanismo de acción cis , se ha encontrado un único ejemplo de un termómetro de ARN de acción trans en el ARNm de RpoS, donde se cree que está involucrado en la respuesta a la inanición. ^{[ 1 ]}

Un ejemplo específico de un motivo de termómetro de ARN es el termómetro FourU que se encuentra en Salmonella enterica . ^{[ 5 ]} Cuando se expone a temperaturas superiores a 45  °C, el bucle-tallo que se aparea con la secuencia Shine-Dalgarno se despareja y permite que el ARNm entre en el ribosoma para que se produzca la traducción. ^{[ 25 ]} También se ha demostrado que la concentración de iones Mg ²⁺ afecta la estabilidad de FourU. ^{[ 26 ]} El termómetro de ARN mejor estudiado se encuentra en el gen rpoH de Escherichia coli . ^{[ 27 ]} Este termosensor regula positivamente las proteínas de choque térmico a altas temperaturas a través de σ ^{32 , un} factor sigma de choque térmico especializado . ^{[ 13 ]}

Aunque generalmente se asocian con la expresión de proteínas inducida por el calor, los termómetros de ARN también pueden regular las proteínas de choque térmico. ^{[ 22 ]} Por ejemplo, la expresión de dos proteínas de 7 kDa está regulada por un termómetro de ARN en la bacteria termófila Thermus thermophilus ^{[ 28 ]} y se ha identificado un mecanismo similar en Enterobacteriales . ^{[ 23 ]}

Los termómetros de ARN sensibles a temperaturas de 37  °C pueden ser utilizados por patógenos para activar genes específicos de la infección. ^{[ 17 ]} Por ejemplo, la regulación positiva de prfA , que codifica un regulador transcripcional clave de los genes de virulencia en Listeria monocytogenes , se demostró fusionando el ADN 5′ de prfA con el gen de la proteína verde fluorescente ; la fusión génica se transcribió a partir del promotor T7 en E. coli , y se observó fluorescencia a 37  °C pero no a 30  °C. ^{[ 29 ]}

La hipótesis del mundo de ARN postula que el ARN fue en el pasado portador de información hereditaria y enzimáticamente activo , con diferentes secuencias que actuaban como biocatalizadores, reguladores y sensores. ^{[ 30 ]} La hipótesis propone entonces que la vida moderna basada en ADN, ARN y proteínas evolucionó y la selección natural reemplazó la mayoría de las funciones del ARN con otras biomoléculas . ^{[ 4 ]}

Se cree que los termómetros de ARN y los ribointerruptores son evolutivamente antiguos debido a su amplia distribución en organismos distantemente relacionados. ^{[ 31 ]} Se ha propuesto que, en el mundo del ARN, los termosensores de ARN habrían sido responsables de la regulación dependiente de la temperatura de otras moléculas de ARN. ^{[ 4 ] [ 32 ]} Los termómetros de ARN en organismos modernos pueden ser fósiles moleculares que podrían indicar una importancia previamente más generalizada en un mundo de ARN. ^{[ 4 ]}

• El factor de transcripción PIF7 en Arabidopsis thaliana contiene un termointerruptor de ARN en su región 5' UTR que mejora la síntesis de proteínas a temperaturas más altas, lo que ayuda a la planta a adaptarse rápidamente a los cambios de temperatura. ^{[ 33 ]}
• El elemento cis-regulador de Hsp90 regula hsp90 en Drosophila , aumentando la tasa de traducción de la proteína de choque térmico a altas temperaturas. ^{[ 6 ]}
• Se predice que el operón ibpAB de E. coli contiene dos termómetros de ARN cooperativos: un elemento ROSE y el termómetro IbpB . ^{[ 34 ]}
• ROSE ₁ y ROSE _AT2 se encuentran en los hifomicrobianos Bradyrhizobium japonicum y Agrobacterium tumefaciens , respectivamente. Se localizan en la región 5′ UTR del ARNm de HspA y reprimen la traducción de la proteína de choque térmico a temperaturas fisiológicas. ^{[ 7 ] [ 35 ]}
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