¿Los libros de texto de biología no son adecuados para usted? Una nueva investigación revela el secreto de un proceso celular clave

Por primera vez, los investigadores describen cómo la proteína Rho realmente detiene la expresión génica.

Una nueva investigación ha identificado y descrito un proceso celular que, a pesar de lo que dicen los libros de texto, ha sido esquivo para los científicos hasta ahora, precisamente cómo la copia de material genético que, cuando se inicia, se desactiva adecuadamente.

El descubrimiento se refiere a un proceso clave esencial para la vida: la fase de transcripción de la expresión genética, que permite a las células vivir y hacer su trabajo.

Durante la transcripción, una enzima llamada ARN la polimerasa envuelve la doble hélice de ADN, utilizando una hebra para hacer coincidir los nucleótidos para hacer una copia de material genético, lo que da como resultado una hebra de ARN recién sintetizada que se rompe cuando se completa la transcripción. Este ARN permite la producción de proteínas, que son esenciales para toda la vida y realizan la mayor parte del trabajo dentro de las células.

Al igual que con cualquier mensaje coherente, el ARN debe comenzar y detenerse en el lugar correcto para que tenga sentido. Una proteína bacteriana llamada Rho se descubrió hace más de 50 años debido a su capacidad para detener o terminar la transcripción. En cada libro de texto, Rho se usa como un modelo de terminador que, usando su fuerza impulsora muy fuerte, se une al ARN y lo elimina de la ARN polimerasa. Pero un examen más detenido de estos científicos mostró que Rho no podría encontrar los ARN que necesita para liberar utilizando el mecanismo manual.

“Comenzamos a estudiar Rho y nos dimos cuenta de que no podía funcionar de la forma en que la gente nos dice que funciona”, dijo Irina Artsimovitch, coautora principal del estudio y profesora de microbiología de Ohio. Universidad Estatal.

La investigación, publicada en línea por la revista Ciencias hoy, 26 de noviembre de 2020, determinó que en lugar de adherirse a una pieza específica de ARN cerca del final de la transcripción y ayudarla a relajarse del ADN, Rho está «haciendo autostop Sobre la ARN polimerasa durante la transcripción. Rho coopera con otras proteínas para finalmente llevar la enzima a través de una serie de cambios estructurales que terminan en un estado inactivo que permite la liberación de ARN.

El equipo utilizó microscopios sofisticados para revelar cómo Rho actúa en un complejo de transcripción completo compuesto por ARN polimerasa y dos proteínas accesorias que viajan con él a lo largo de la transcripción.

“Esta es la primera estructura de un complejo de terminación en cualquier sistema, y ​​se suponía que no se podía obtener porque colapsa demasiado rápido”, dijo Artsimovich.

“Esto responde a una pregunta fundamental: la transcripción es fundamental en la vida, pero si no se controla, nada funcionaría. La propia ARN polimerasa debe ser completamente neutra. Debe poder producir cualquier ARN, incluidos los que estén dañados o que puedan dañar la célula. Al viajar con la ARN polimerasa, Rho puede saber si vale la pena fabricar el ARN sintetizado, y si no, Rho lo libera. «

Artsimovitch hizo muchos descubrimientos importantes sobre cómo la ARN polimerasa se transcribe tan bien. No se propuso contrarrestar los años de comprensión del papel de Rho en el despido hasta que un estudiante universitario en su laboratorio identificó mutaciones sorprendentes en Rho mientras trabajaba en un proyecto de genética.

Se sabe que Rho silencia la expresión de genes de virulencia en bacterias, esencialmente manteniéndolas inactivas hasta que sean necesarias para causar una infección. Pero estos genes no tienen una secuencia de ARN a la que se sepa que Rho se una preferentemente. Por esta razón, dijo Artsimovitch, nunca tuvo sentido que Rho solo buscara secuencias de ARN específicas, sin siquiera saber si todavía están unidas a la ARN polimerasa.

De hecho, la comprensión científica del mecanismo Rho se estableció con la ayuda de experimentos bioquímicos simplificados que a menudo omitían la ARN polimerasa, en esencia, definiendo cómo termina un proceso sin tener en cuenta el proceso en sí.

En este trabajo, los investigadores utilizaron microscopía crioelectrónica para capturar imágenes de la ARN polimerasa que opera en una plantilla de ADN de Escherichia coli, su sistema modelo. Esta visualización de alta resolución, combinada con computación de alta gama, hizo posible modelar con precisión la terminación de la transcripción.

“La ARN polimerasa se mueve, lo que corresponde a cientos de miles de nucleótidos en bacterias. El complejo es extremadamente estable porque tiene que serlo: si se libera el ARN, se pierde ”, dijo Artsimovitch. “Aún así, Rho es capaz de derribar el complejo en minutos, si no segundos. Puede verlo, pero no puede analizar un complejo estable. «

El uso de un método inteligente para atrapar los complejos justo antes de que colapsaran permitió a los científicos visualizar siete complejos que representan pasos secuenciales en la vía de terminación, comenzando con el compromiso de Rho con l ‘ARN polimerasa y termina con una ARN polimerasa completamente inactiva. El equipo creó modelos basados ​​en lo que vieron y luego se aseguró de que esos modelos fueran correctos utilizando métodos genéticos y bioquímicos.

Aunque el estudio se realizó en bacterias, Artsimovitch dijo que es probable que este proceso de terminación ocurra en otras formas de vida.

«Parece ser común», dice ella. “En general, las células utilizan mecanismos de trabajo similares a los de un ancestro común. Todos aprendieron los mismos trucos siempre que esos consejos fueran útiles.

Referencia: 26 de noviembre de 2020, Ciencias.

Artsimovitch, en colaboración con un equipo de investigación internacional de colaboradores, codirigió el estudio con Markus Wahl, un ex estudiante graduado de Ohio State ahora en Freie Universität Berlin.

Este trabajo fue apoyado por becas de la Fundación de Investigación Alemana; el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania; el Consejo Indio de Investigaciones Médicas; el Departamento de Biotecnología del Gobierno de la India; Institutos Nacionales de Salud; y la Fundación Sigrid Jusélius.