Riboswitch

En biología molecular , un riboswitch es un segmento regulador de una molécula de ARN mensajero que se une a una molécula pequeña , lo que resulta en un cambio en la producción de las proteínas codificadas por el ARNm. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Por lo tanto, un ARNm que contiene un riboswitch está directamente involucrado en la regulación de su propia actividad, en respuesta a las concentraciones de su molécula efectora . El descubrimiento de que los organismos modernos usan ARN para unirse a moléculas pequeñas y discriminar contra análogos estrechamente relacionados, amplió las capacidades naturales conocidas del ARN más allá de su capacidad para codificar proteínas , catalizar reacciones o unirse a otras macromoléculas de ARN o proteínas .

La definición original del término "riboswitch" especificaba que detectan directamente las concentraciones de metabolitos de moléculas pequeñas . ^{[ 5 ]} Si bien esta definición sigue siendo de uso común, algunos biólogos han utilizado una definición más amplia que incluye otros ARN cis-reguladores . Sin embargo, este artículo se centrará únicamente en los riboswitches que se unen a metabolitos.

La mayoría de los ribointerruptores conocidos se encuentran en bacterias , pero se han descubierto ribointerruptores funcionales de un tipo (el ribointerruptor TPP ) en arqueas, plantas y ciertos hongos . También se ha predicho la presencia de ribointerruptores TPP en arqueas , ^{[ 6 ]} pero no se han probado experimentalmente.

Antes del descubrimiento de los ribointerruptores, el mecanismo por el cual se regulaban algunos genes involucrados en múltiples vías metabólicas seguía siendo un misterio. La evidencia acumulada sugería cada vez más la idea, entonces sin precedentes, de que los ARNm involucrados podrían unirse directamente a metabolitos para afectar su propia regulación. Estos datos incluían estructuras secundarias de ARN conservadas que se encuentran a menudo en las regiones no traducidas ( UTR ) de los genes relevantes y el éxito de los procedimientos para crear ARN artificiales de unión a moléculas pequeñas llamados aptámeros . ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} En 2002, se publicaron las primeras pruebas exhaustivas de múltiples clases de ribointerruptores, incluidos ensayos de unión sin proteínas, y los ribointerruptores de unión a metabolitos se establecieron como un nuevo mecanismo de regulación génica. ^{[ 5 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Muchos de los primeros ribointerruptores descubiertos correspondían a "motivos" (patrones) de secuencia conservados en las UTR 5' que parecían corresponder a un ARN estructurado. Por ejemplo, el análisis comparativo de las regiones corriente arriba de varios genes que se esperaba que estuvieran corregulados condujo a la descripción de la caja S ^{[ 15 ]} (ahora el ribointerruptor SAM-I), la caja THI ^{[ 9 ]} (una región dentro del ribointerruptor TPP), el elemento RFN ^{[ 8 ]} (ahora el ribointerruptor FMN) y la caja B ₁₂ ^{[ 16 ]} (una parte del ribointerruptor de cobalamina), y en algunos casos demostraciones experimentales de que estaban involucrados en la regulación génica a través de un mecanismo desconocido. La bioinformática ha jugado un papel en descubrimientos más recientes, con una creciente automatización de la estrategia genómica comparativa básica. Barrick et al. (2004) ^{[ 17 ]} utilizaron BLAST para encontrar UTR homólogas a todas las UTR en Bacillus subtilis . Algunos de estos conjuntos homólogos se inspeccionaron para detectar estructuras conservadas, lo que dio como resultado 10 motivos similares a ARN. Tres de ellos fueron confirmados experimentalmente más tarde como los ribointerruptores glmS, glicina y PreQ1-I (véase más adelante). Los esfuerzos posteriores de genómica comparativa utilizando taxones adicionales de bacterias y algoritmos informáticos mejorados han identificado más ribointerruptores que se han confirmado experimentalmente, así como estructuras de ARN conservadas que se hipotetiza que funcionan como ribointerruptores. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Los ribointerruptores suelen dividirse conceptualmente en dos partes: un aptámero y una plataforma de expresión. El aptámero se une directamente a la molécula pequeña, y la plataforma de expresión experimenta cambios estructurales en respuesta a las modificaciones del aptámero. La plataforma de expresión es la que regula la expresión génica.

Las plataformas de expresión suelen desactivar la expresión génica en respuesta a la molécula pequeña, pero algunas la activan. Los siguientes mecanismos de ribointerruptor se han demostrado experimentalmente.

• La formación de horquillas de terminación de la transcripción independientes de rho, controlada por riboswitches, conduce a la terminación prematura de la transcripción.
• El plegamiento mediado por riboswitches secuestra el sitio de unión del ribosoma , inhibiendo así la traducción .
• El riboswitch es una ribozima que se autoescinde en presencia de concentraciones suficientes de su metabolito.
• Las estructuras alternativas de los riboswitches afectan al empalme del pre-ARNm.
  • Un riboswitch TPP en Neurospora crassa (un hongo) controla el empalme alternativo para producir condicionalmente un marco de lectura abierto corriente arriba (uORF), afectando así la expresión de genes corriente abajo ^{[ 22 ].}
  • Un riboswitch TPP en plantas modifica el empalme y el procesamiento alternativo del extremo 3' ^{[ 23 ] [ 24 ]}
• Un riboswitch en Clostridium acetobutylicum regula un gen adyacente que no forma parte del mismo transcrito de ARNm. En esta regulación, el riboswitch interfiere con la transcripción del gen. El mecanismo es incierto, pero podría deberse a colisiones entre dos unidades de ARN polimerasa mientras transcriben simultáneamente el mismo ADN. ^{[ 25 ]}
• Un riboswitch en Listeria monocytogenes regula la expresión de su gen diana. Sin embargo, los transcritos del riboswitch modulan posteriormente la expresión de un gen ubicado en otra parte del genoma. ^{[ 26 ]} Esta transregulación se produce mediante el apareamiento de bases con el ARNm del gen distal. A medida que aumenta la temperatura de la bacteria, el riboswitch se desnaturaliza, permitiendo la transcripción. Una investigación de pregrado no publicada creó un riboswitch similar o "termosensor" mediante mutagénesis aleatoria de la secuencia de Listeria monocytogenes. ^{[ 27 ]}

A continuación se presenta una lista de ribointerruptores validados experimentalmente, organizados por ligando.

• El riboswitch de cobalamina (también conocido _como elemento B12 ) se une a la adenosilcobalamina (la forma coenzimática de la vitamina B12 ₎ o a la acuocobalamina para regular la biosíntesis de cobalamina y el transporte de cobalamina y metabolitos similares, así como otros genes.
• Los ribointerruptores de AMP-GMP cíclico se unen a la molécula de señalización AMP-GMP cíclico . Estos ribointerruptores están estructuralmente relacionados con los ribointerruptores de di-GMP-I cíclico (véase también "di-GMP cíclico" más adelante).
• Los ribointerruptores de di-AMP cíclico (también llamados ydaO/yuaA ) se unen a la molécula de señalización di-AMP cíclico .
• Los ribointerruptores de di-GMP cíclico se unen a la molécula señalizadora di-GMP cíclico para regular diversos genes controlados por este segundo mensajero. Se conocen dos clases de ribointerruptores de di-GMP cíclico: los ribointerruptores de di-GMP cíclico I y los ribointerruptores de di-GMP cíclico II . Estas clases no parecen estar relacionadas estructuralmente.
• Los ribointerruptores de fluoruro detectan los iones de fluoruro y funcionan para sobrevivir a altos niveles de fluoruro .
• El riboswitch FMN (también conocido como elemento RFN ) se une al flavín mononucleótido (FMN) para regular la biosíntesis y el transporte de riboflavina .
• El riboswitch glmS es una ribozima que se autoescinde cuando hay una concentración suficiente de glucosamina-6-fosfato .
• Los ribointerruptores de glutamina se unen a la glutamina para regular genes implicados en el metabolismo de la glutamina y el nitrógeno , así como péptidos cortos de función desconocida. Se conocen dos clases de ribointerruptores de glutamina: el motivo de ARN glnA y el motivo de péptido corriente abajo . Se cree que estas clases están relacionadas estructuralmente (véanse las discusiones en esos artículos).
• El riboswitch de glicina se une a la glicina para regular los genes del metabolismo de la glicina, incluido su uso como fuente de energía. Antes de 2012, se creía que este riboswitch era el único que presentaba unión cooperativa , ya que contiene aptámeros duales contiguos. Aunque ya no se ha demostrado que sea cooperativo, la causa de la presencia de aptámeros duales sigue siendo ambigua. ^{[ 28 ]}
• El riboswitch de lisina (también conocido como caja L ) se une a la lisina para regular su biosíntesis, catabolismo y transporte.
• Los ribointerruptores de manganeso se unen a los iones de manganeso .
• Los ribointerruptores de NiCo unen los iones metálicos níquel y cobalto .
• Los ribointerruptores PreQ1 se unen a la pre-queuosina ₁ para regular los genes implicados en la síntesis o el transporte de este precursor de la queuosina . Se conocen tres clases completamente distintas de ribointerruptores PreQ1: ribointerruptores PreQ1-I , ribointerruptores PreQ1-II y ribointerruptores PreQ1-III . El dominio de unión de los ribointerruptores PreQ1-I es inusualmente pequeño entre los ribointerruptores que se encuentran en la naturaleza. Los ribointerruptores PreQ1-II, que solo se encuentran en ciertas especies de los géneros Streptococcus y Lactococcus , tienen una estructura completamente diferente y son más grandes, al igual que los ribointerruptores PreQ1-III.
• Los ribointerruptores de purina se unen a las purinas para regular su metabolismo y transporte. Diferentes formas del ribointerruptor de purina se unen a la guanina (una forma originalmente conocida como caja G ) o a la adenina . La especificidad para la guanina o la adenina depende completamente de las interacciones de Watson-Crick con una pirimidina en la posición Y74 del ribointerruptor. En el ribointerruptor de guanina, este residuo siempre es una citosina (es decir, C74), mientras que en el de adenina siempre es un uracilo (es decir, U74). Los tipos homólogos de ribointerruptores de purina se unen a la desoxiguanosina , pero presentan diferencias más significativas que una simple mutación de nucleótido.
• Los ribointerruptores SAH se unen a la S-adenosilhomocisteína para regular los genes implicados en el reciclaje de este metabolito, que se produce cuandose utiliza S-adenosilmetionina en reacciones de metilación.
• Los ribointerruptores SAM se unen a la S-adenosilmetionina (SAM) para regular la biosíntesis y el transporte de metionina y SAM. Se conocen tres ribointerruptores SAM distintos: SAM-I (originalmente llamado caja S ), SAM-II y el ribointerruptor de caja S _MK . SAM-I está ampliamente distribuido en bacterias, pero SAM-II se encuentra solo en alfaproteobacterias , betaproteobacterias y algunas gammaproteobacterias . El ribointerruptor de caja S _MK se encuentra solo en el orden Lactobacillales . Estas tres variedades de ribointerruptores no tienen similitudes obvias en términos de secuencia o estructura. Una cuarta variedad, los ribointerruptores SAM-IV , parece tener un núcleo de unión al ligando similar al de los ribointerruptores SAM-I, pero en el contexto de un andamiaje distinto.
• Los ribointerruptores SAM-SAH se unen tanto a SAM como a SAH con afinidades similares. Dado que siempre se encuentran en una posición que regula los genes que codifican la metionina adenosiltransferasa , se propuso que solo su unión a SAM es fisiológicamente relevante.
• Los ribointerruptores de tetrahidrofolato se unen al tetrahidrofolato para regular los genes de síntesis y transporte.
• Los ribointerruptores TPP (también conocidos como caja THI) se unen al pirofosfato de tiamina (TPP) para regular la biosíntesis y el transporte de tiamina , así como el transporte de metabolitos similares. Es el único ribointerruptor encontrado hasta ahora en eucariotas. ^{[ 29 ]}
• Los ribointerruptores ZMP/ZTP detectan el ZMP y el ZTP , que son subproductos del metabolismo de novo de las purinas cuando los niveles de 10-formiltetrahidrofolato son bajos.

Riboswitches supuestos:

• Se presume que el motivo de ARN Moco se une al cofactor de molibdeno para regular los genes implicados en la biosíntesis y el transporte de esta coenzima, así como las enzimas que la utilizan a ella o a sus derivados como cofactor.

Se han identificado ribointerruptores candidatos a unirse a metabolitos mediante bioinformática, los cuales presentan estructuras secundarias moderadamente complejas y varias posiciones de nucleótidos altamente conservadas , características típicas de los ribointerruptores que deben unirse específicamente a una molécula pequeña. Los candidatos a ribointerruptores también se ubican consistentemente en las regiones 5' UTR de genes codificadores de proteínas, genes que sugieren la unión a metabolitos, ya que estas características también se encuentran en la mayoría de los ribointerruptores conocidos. Los candidatos a ribointerruptores hipotéticos que cumplen con los criterios anteriores son los siguientes: motivo de ARN crcB , motivo de ARN manA , motivo de ARN pfl , líder ydaO/yuaA , motivo de ARN yjdF , líder ykkC-yxkD (y ​​el motivo de ARN relacionado ykkC-III) y el líder yybP-ykoY . Las funciones de estos ribointerruptores hipotéticos aún se desconocen.

También se han investigado los ribointerruptores utilizando enfoques in silico. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} En particular, las soluciones para la predicción de ribointerruptores se pueden dividir en dos grandes categorías:

• Los buscadores de genes de ribointerruptores , es decir, los sistemas destinados a descubrir ribointerruptores mediante inspecciones genómicas, se basan principalmente en mecanismos de búsqueda de motivos. Este grupo incluye Infernal, el componente fundador de la base de datos Rfam , ^{[ 33 ]} y herramientas más específicas como RibEx ^{[ 34 ]} o RiboSW. ^{[ 35 ]}
• Predictores de cambio conformacional , es decir, métodos basados ​​en una clasificación estructural de estructuras alternativas, como paRNAss, ^{[ 36 ]} RNAshapes ^{[ 37 ]} y RNAbor. ^{[ 38 ]} Además, también se han propuesto enfoques específicos de familia para la predicción de la estructura ON/OFF. ^{[ 39 ]}

La herramienta SwiSpot ^{[ 40 ]} cubre de alguna manera a ambos grupos, ya que utiliza predicciones conformacionales para evaluar la presencia de ribointerruptores.

Otras investigaciones computacionales analizan las propiedades de los sitios de unión de los ribointerruptores como dianas farmacológicas , evaluando su potencia como posibles nuevas dianas farmacológicas. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} Además, se han aplicado modelos generativos como las máquinas de Boltzmann restringidas para aprender las dependencias de secuencia y diseñar ribointerruptores de ARN funcionales de novo ^{[ 44 ]} .

Los ribointerruptores demuestran que el ARN natural puede unirse específicamente a moléculas pequeñas, una capacidad que muchos creían anteriormente exclusiva de las proteínas o de los ARN artificiales llamados aptámeros . La existencia de ribointerruptores en todos los dominios de la vida, por lo tanto, respalda la hipótesis del mundo de ARN , que sostiene que la vida originalmente existía solo con ARN, y que las proteínas surgieron posteriormente; esta hipótesis requiere que todas las funciones críticas realizadas por las proteínas (incluida la unión a moléculas pequeñas) pudieran ser realizadas por el ARN. Se ha sugerido que algunos ribointerruptores podrían representar sistemas reguladores ancestrales, o incluso restos de ribozimas del mundo de ARN cuyos dominios de unión se conservan. ^{[ 13 ] [ 18 ] [ 45 ]}

El ARN ya es un objetivo farmacológico emergente . ^{[ 46 ]} Múltiples factores contribuyen a que los ribointerruptores sean objetivos para nuevos antibióticos : ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 41 ]}

• Su capacidad para unirse a moléculas pequeñas con alta afinidad las hace idóneas para la administración dirigida de fármacos.
• Algunos ribointerruptores contienen sitios de unión que muestran características prometedoras en cuanto a su capacidad de ser dianas farmacológicas . ^{[ 49 ]}
• La ausencia de ribointerruptores en las células eucariotas permite que estas sean dianas altamente específicas para nuevos antibióticos.
• Se ha demostrado que la inhibición de algunos ribointerruptores es eficaz para provocar la muerte de las células bacterianas.

De hecho, se ha demostrado que algunos antibióticos cuyo mecanismo de acción se desconocía durante décadas actúan sobre ribointerruptores. ^{[ 50 ]} Por ejemplo, cuando el antibiótico piritiamina entra en la célula, se metaboliza en pirofosfato de piritiamina. Se ha demostrado que el pirofosfato de piritiamina se une al ribointerruptor TPP y lo activa, lo que provoca que la célula detenga la síntesis e importación de TPP. Dado que el pirofosfato de piritiamina no sustituye al TPP como coenzima, la célula muere.

Dado que los ribointerruptores son un método eficaz para controlar la expresión génica en organismos naturales, ha habido interés en diseñar ribointerruptores artificiales ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]} para aplicaciones industriales y médicas como la terapia génica . ^{[ 55 ] [ 56 ]}

• Termómetro de ARN : otra clase de segmentos reguladores del ARNm que cambian de conformación en respuesta a las fluctuaciones de temperatura, exponiendo u ocultando así el sitio de unión del ribosoma.

• Ferré-D'Amaré, Adrian R.; Winkler, Wade C. (2011). «Capítulo 5. El papel de los iones metálicos en la regulación por ribointerruptores». En Astrid Sigel, Helmut Sigel y Roland KO Sigel (eds.). Funciones estructurales y catalíticas de los iones metálicos en el ARN . Iones metálicos en las ciencias de la vida. Vol.  9. Cambridge, Reino Unido: RSC Publishing. pp. 141–173 . doi : 10.1039/9781849732512-00141 . ISBN  978-1-84973-094-5. PMC 3454353 . PMID 22010271 .