espliceosoma

Un espliceosoma es un gran complejo de ribonucleoproteínas (RNP) que se encuentra principalmente dentro del núcleo de las células eucariotas . El espliceosoma se ensambla a partir de ARN nucleares pequeños ( ARNsn ) y numerosas proteínas. Las moléculas de ARN nucleares pequeños (ARNsn) se unen a proteínas específicas para formar un complejo de ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNP, pronunciado "snurps"), que a su vez se combina con otros snRNP para formar un gran complejo de ribonucleoproteínas llamado espliceosoma. El espliceosoma elimina los intrones de un pre-ARNm transcrito , un tipo de transcrito primario . Este proceso se conoce generalmente como empalme . ^{[ 1 ]} Una analogía es la de un editor de cine, que recorta selectivamente el material irrelevante o incorrecto (equivalente a los intrones) de la película inicial y envía la versión limpia al director para el montaje final.

Sin embargo, en ocasiones el ARN dentro del intrón actúa como una ribozima , empalmándose a sí mismo sin la necesidad de un espliceosoma ni de ninguna enzima.

En 1977, el trabajo de los laboratorios de Sharp y Roberts reveló que los genes de los organismos superiores están "divididos" o presentes en varios segmentos distintos a lo largo de la molécula de ADN. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las regiones codificantes del gen están separadas por ADN no codificante que no participa en la expresión de proteínas. La estructura del gen dividido se descubrió cuando los ARNm adenovirales se hibridaron con fragmentos de ADN viral monocatenario obtenidos mediante escisión con endonucleasa. ^{[ 2 ]} Se observó que los ARNm de los híbridos ARNm-ADN contenían colas 5' y 3' de regiones sin enlaces de hidrógeno. Cuando se utilizaron fragmentos más grandes de ADN viral, se observaron estructuras bifurcadas de ADN en bucle al hibridarse con los ARNm virales. Se comprendió que las regiones en bucle, los intrones , se escinden de los ARNm precursores en un proceso que Sharp denominó "empalme". Posteriormente, se descubrió que la estructura del gen dividido es común a la mayoría de los genes eucariotas . Phillip Sharp y Richard J. Roberts fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina en 1993 por el descubrimiento de los intrones y el proceso de empalme.

Cada espliceosoma está compuesto por cinco ARN nucleares pequeños (ARNsn) y una variedad de factores proteicos asociados. Cuando estos ARNs pequeños se combinan con los factores proteicos, forman complejos de ARN-proteína llamados snRNP ( proteínas de ribonucleoproteínas nucleares pequeñas , pronunciado " snurps "). Los ARNsn que componen el espliceosoma principal se denominan U1 , U2 , U4 , U5 y U6 , llamados así porque son ricos en uridina y participan en varias interacciones ARN-ARN y ARN-proteína. ^{[ 1 ]}

El ensamblaje del espliceosoma ocurre en cada pre-ARNm (también conocido como ARN nuclear heterogéneo, hn-ARN) en cada unión exón-intrón. Los intrones del pre-ARNm contienen elementos de secuencia específicos que se reconocen y utilizan durante el ensamblaje del espliceosoma. Estos incluyen el sitio de empalme del extremo 5', la secuencia del punto de ramificación , el tracto de polipirimidinas y el sitio de empalme del extremo 3'. El espliceosoma cataliza la eliminación de los intrones y la ligación de los exones flanqueantes.

Los intrones suelen tener una secuencia de nucleótidos GU en el sitio de empalme del extremo 5' y una secuencia AG en el sitio de empalme del extremo 3'. El sitio de empalme 3' se define además por una longitud variable de polipirimidinas, denominada tracto de polipirimidinas (PPT), que cumple la doble función de reclutar factores al sitio de empalme 3' y, posiblemente, a la secuencia del punto de ramificación (BPS). La BPS contiene la adenosina conservada necesaria para el primer paso del empalme.

Muchas proteínas presentan un motivo de unión al zinc, lo que subraya la importancia del zinc en el mecanismo de empalme. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} La primera reconstrucción a resolución molecular del complejo de ribonucleoproteína nuclear pequeña triple U4/U6.U5 (tri-snRNP) se informó en 2016. ^{[ 7 ]}

La microscopía electrónica criogénica (Cryo-EM) ha sido aplicada extensamente por Shi et al. para dilucidar la estructura casi atómica del espliceosoma tanto en levaduras ^{[ 9 ]} como en humanos. ^{[ 10 ]} El marco molecular del espliceosoma a resolución casi atómica demuestra que el componente Spp42 de la snRNP U5 forma un andamio central y ancla el centro catalítico en levaduras. La estructura atómica del espliceosoma humano ilustra que el componente Slu7 del paso II adopta una estructura extendida, preparada para la selección del sitio de empalme 3'. Los cinco metales (asignados como Mg2+) en el complejo de levadura se conservan en el complejo humano.

El empalme alternativo (la recombinación de diferentes exones ) es una fuente importante de diversidad genética en eucariotas. Las variantes de empalme se han utilizado para explicar el número relativamente pequeño de genes codificadores de proteínas en el genoma humano , actualmente estimado en alrededor de 20 000. Se ha especulado que un gen particular de Drosophila , Dscam , se empalma alternativamente en 38 000 ARNm diferentes , suponiendo que todos sus exones pueden empalmarse independientemente entre sí. ^{[ 11 ]}

Los factores de empalme del pre-ARNm se encontraron originalmente concentrados en cuerpos nucleares conocidos como manchas nucleares. ^{[ 12 ]} Inicialmente se postuló que las manchas nucleares eran sitios de empalme de ARNm o sitios de almacenamiento de factores de empalme de ARNm. Ahora se entiende que las manchas nucleares ayudan a concentrar los factores de empalme cerca de los genes que se encuentran físicamente próximos a ellas. Los genes ubicados más lejos de las manchas también pueden transcribirse y empalmarse, pero su empalme es menos eficiente en comparación con los que están más cerca de las manchas. ^{[ 13 ]} El empalme de ARN es una reacción bioquímica y, como todas las reacciones bioquímicas, su velocidad depende de la concentración de enzimas y sustratos. En este caso, las enzimas son los espliceosomas y los sustratos son los pre-ARNm. Al variar la concentración de espliceosomas y pre-ARNm en función de su proximidad a las manchas nucleares, las células podrían potencialmente regular la eficiencia del empalme. ^{[ 13 ]}

El modelo para la formación del sitio activo del espliceosoma implica un ensamblaje ordenado y gradual de partículas discretas de snRNP en el sustrato de pre-ARNm. El primer reconocimiento de los pre-ARNm implica la unión de la snRNP U1 al sitio de empalme del extremo 5' del pre-ARNm y otros factores no asociados a snRNP para formar el complejo de compromiso, o complejo temprano (E) en mamíferos. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El complejo de compromiso es un complejo independiente de ATP que compromete al pre-ARNm a la vía de empalme. ^{[ 16 ]} La snRNP U2 es reclutada a la región de ramificación a través de interacciones con el componente del complejo E U2AF (factor auxiliar de la snRNP U2) y posiblemente la snRNP U1. En una reacción dependiente de ATP, la U2 snRNP se asocia estrechamente con la secuencia del punto de ramificación (BPS) para formar el complejo A. Un dúplex formado entre la U2 snRNP y la región de ramificación del pre-ARNm hace que la adenosina de la ramificación sobresalga, especificándola como nucleófilo para la primera transesterificación. ^{[ 17 ]}

La presencia de un residuo de pseudouridina en el ARNsn U2, casi opuesto al sitio de ramificación, resulta en una conformación alterada del dúplex ARN-ARN tras la unión del ARNsn U2. Específicamente, la estructura alterada del dúplex inducida por la pseudouridina coloca el 2' OH de la adenosina abultada en una posición favorable para el primer paso del empalme. ^{[ 18 ]} El tri-ARNsn U4/U5/U6 (véase la Figura 1) se recluta al espliceosoma en ensamblaje para formar el complejo B, y tras varios reordenamientos, el complejo C se activa para la catálisis. ^{[ 19 ] [ 20 ]} No está claro cómo se recluta el tri-ARNsn al complejo A, pero este proceso puede estar mediado por interacciones proteína-proteína y/o interacciones de apareamiento de bases entre el ARNsn U2 y el ARNsn U6.

El U5 snRNP interactúa con secuencias en los sitios de empalme 5' y 3' a través del bucle invariante del U5 snRNA ^{[ 21 ]} y los componentes de la proteína U5 interactúan con la región del sitio de empalme 3'. ^{[ 22 ]}

Tras el reclutamiento del tri-snRNP, varios reordenamientos de ARN-ARN preceden al primer paso catalítico y se producen reordenamientos adicionales en el espliceosoma catalíticamente activo. Varias de las interacciones ARN-ARN son mutuamente excluyentes; sin embargo, se desconoce qué desencadena estas interacciones, así como el orden de estos reordenamientos. El primer reordenamiento es probablemente el desplazamiento del U1 snRNP del sitio de empalme 5' y la formación de una interacción con el U6 snRNA. Se sabe que el U1 snRNP se asocia débilmente con los espliceosomas completamente formados, ^{[ 23 ]} y que el U1 snRNP inhibe la formación de una interacción con el sitio de empalme 5' del U6 en un modelo de oligonucleótido sustrato que contiene un exón 5' corto y un sitio de empalme 5'. ^{[ 24 ]} La unión del U2 snRNP a la secuencia del punto de ramificación (BPS) es un ejemplo de una interacción ARN-ARN que desplaza una interacción proteína-ARN. Tras el reclutamiento del U2 snRNP, la proteína de unión a la ramificación SF1 en el complejo de compromiso se desplaza, ya que el sitio de unión del U2 snRNA y SF1 son eventos mutuamente excluyentes.

Dentro del ARNsn U2, existen otros reordenamientos mutuamente excluyentes que ocurren entre conformaciones competitivas. Por ejemplo, en la forma activa, se favorece el bucle de tallo IIa; en la forma inactiva predomina una interacción mutuamente excluyente entre el bucle y una secuencia corriente abajo. ^{[ 20 ]} No está claro cómo se desplaza U4 del ARNsn U6, aunque el ARN ha sido implicado en el ensamblaje del espliceosoma y puede funcionar para desenrollar U4/U6 y promover la formación de una interacción ARNsn U2/U6. Las interacciones de los bucles de tallo I y II de U4/U6 se disocian y la región del bucle de tallo II liberado de U6 se pliega sobre sí misma para formar un bucle de tallo intramolecular y U4 ya no es necesario para el ensamblaje posterior del espliceosoma. La región de bucle de tallo I liberada del ARNsn U6 se aparea con el ARNsn U2 formando la hélice I U2/U6. Sin embargo, la estructura de la hélice I es mutuamente excluyente con la mitad 3' de una región interna de bucle de tallo 5' del ARNsn U2.

Algunos eucariotas poseen un segundo espliceosoma, denominado espliceosoma menor . ^{[ 25 ]} Un grupo de snRNA menos abundantes, U11 , U12 , U4atac y U6atac , junto con U5, son subunidades del espliceosoma menor que empalma una clase poco común de intrones de pre-ARNm, denominados de tipo U12. El espliceosoma menor se localiza en el núcleo, al igual que su homólogo mayor, ^{[ 26 ]} aunque existen excepciones en algunas células especializadas, como las plaquetas anucleadas ^{[ 27 ]} y el dendroplasma ( citoplasma dendrítico ) de las células neuronales. ^{[ 28 ]}

• Estructuras macromoleculares 3D de espliceosomas del Banco de Datos de Microscopía Electrónica (EMDB)
• Espliceosomas en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.