UBE3A-ATS

UBE3A-ATS/Ube3a-ATS (humano/ratón), también conocido como ubiquitina ligasa E3A-ATS , es el nombre de la cadena de ADN antisentido que se transcribe como parte de un transcrito más grande llamado LNCAT (transcrito antisentido no codificante grande) en el locus Ube3a . El locus Ube3a está improntado y en el sistema nervioso central se expresa solo a partir del alelo materno. Se cree que el silenciamiento de Ube3a en el alelo paterno ocurre a través de la parte Ube3a-ATS de LNCAT , ^{[ 2 ]} ya que los transcritos antisentido no codificantes se encuentran frecuentemente en loci improntados. ^{[ 3 ]} La deleción y/o mutación de Ube3a en el cromosoma materno causa el síndrome de Angelman (SA) y Ube3a-ATS podría ser un aspecto importante para encontrar una terapia para esta enfermedad. En pacientes con síndrome de Angelman (SA), elalelo materno Ube3a está inactivo, mientras que el alelo paterno permanece intacto pero silenciado epigenéticamente. Si no se silencia, el alelo paterno podría ser una fuente de proteína Ube3a activa en pacientes con SA. Por lo tanto, comprender los mecanismos mediante los cuales Ube3a-ATS podría estar involucrado en el silenciamiento del Ube3a paternopodría conducir a nuevas terapias para el SA. Esta posibilidad se ha demostrado en un estudio reciente donde el fármaco topotecán , administrado a ratones con SA, activó la expresión del gen Ube3a paterno al disminuir la transcripción de Ube3a-ATS . ^{[ 4 ]}

El UBE3A-ATS humano se expresa como parte del LNCAT principalmente a partir del alelo paterno en el sistema nervioso central (SNC). ^{[ 2 ] [ 7 ]} El transcrito tiene aproximadamente 450 kb de longitud, comienza en los exones U y se extiende hasta UBE3A en la hebra opuesta, posiblemente más allá. El promotor para Snurf / Snrpn y el centro de impronta se encuentran en la región de los exones U. La región promotora es fundamental, ya que la deleción de esta área anula la transcripción de Ube3a-ATS . Cerca del promotor se encuentra el PWS-IC y aproximadamente 35 kb corriente arriba del PWS-IC se encuentra el AS-IC . Se cree que estas dos regiones controlan la expresión de toda la hebra de LNCAT . A partir del promotor, se puede transcribir todo el transcrito y, después de la transcripción, se procesa y empalma. Revisado en Trends in Neurosci . ^{[ 6 ]}

Ubicado junto a la región promotora del exón U se encuentra Snrpn/Snurf que puede ser empalmado alternativamente en Snrpn o Snurf en humanos (en ratones esto permanece como un transcrito bicistrónico ). ^{[ 8 ]} Snrpn codifica para una proteína de función desconocida que se localiza en el núcleo celular . Snurf codifica para una pequeña ribonucleoproteína nuclear . Si bien la mayoría de estas proteínas están involucradas en el empalme , el papel de esta proteína en particular aún no se conoce. ^{[ 8 ]} Aguas abajo de Snrpn/Snurf y dentro de sus intrones hay secuencias para varios snoRNAs de caja C/D. La mayoría de los snoRNAs de caja C/D funcionan en la metilación no del ARNm . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Sin embargo, recientemente, se ha descubierto que un snoRNA en Ube3a-ATS , SNORD 115, cambia el empalme alternativo del pre-ARNm del receptor de serotonina 2C. Además, este snoRNA tiene la capacidad de cambiar el empalme de cinco ARNm diferentes. ^{[ 10 ]} Entre las secuencias de los snoRNA se encuentra el IPW anidado (Prader-Willi improntado), una región no codificante cuya deleción se cree que causa el síndrome de Prader-Willi . ^{[ 11 ]}

El Ube3a-ATS/Ube3a del ratón y del humano son ortólogos y la organización general de las regiones es similar. Por ejemplo, el locus del ratón también contiene Snurf/Snrpn , snoRNAs e IPW. Las principales diferencias radican en la ubicación y la longitud de los transcritos de Ube3a-ATS . El Ube3a/Ube3a-ATS humano se encuentra en el cromosoma 15 , mientras que el Ube3a del ratón se encuentra en el cromosoma 7. El LNCAT del ratón , que incluye el Ube3a-ATS , tiene una longitud aproximada de 1000 kb, mucho mayor que los 450 kb del LNCAT humano . ^{[ 2 ] [ 6 ] [ 7 ]} Debido a la organización similar de los LNCAT/Ube3a-ATS del ratón y del ser humano , y al hecho de que el locus Ube3a del ratón también está improntado , el ratón es un excelente sistema modelo para estudiar la impronta y las interacciones entre Ube3a/Ube3a-AT . Además, las neuronas del ratón continúan conservando su patrón de impronta en cultivo. ^{[ 12 ]}

Aunque se transcribe la totalidad del transcrito LNCAT , incluido el transcrito Ube3a-ATS , este suele empalmarse para incluir y excluir diversos exones. Se expresan diferentes variantes de empalme en distintos tipos de tejido y situaciones. En general, se cree que al menos algún tipo de Ube3a-ATS se expresa en células del SNC con impronta genómica, como las células de Purkinje y las neuronas del hipocampo . Sin embargo, existe una regulación espaciotemporal tanto de la parte descendente como de la ascendente de este transcrito. ^{[ 13 ]} y Journal of Neuroscience . ^{[ 14 ]}

En embriones de ratón, los exones Snurf/Snrpn se detectaron en blastocistos aproximadamente 7 días después de la cópula y continuaron expresándose durante todo el desarrollo. Los exones Snurf/Snrpn se restringen al tejido del SNC durante el desarrollo, y solo más tarde durante la edad adulta se expresan en otros tejidos. Los exones Ube3a-ATS no se detectaron hasta los 10 días después de la cópula y su expresión también se limitó al SNC durante el desarrollo. En general, Ube3a-ATS se detecta durante las etapas iniciales de la neurogénesis, mientras que Snurf/Snrpn se expresa en células precursoras indiferenciadas y durante todo el curso de la diferenciación. ^{[ 13 ]} Hay al menos 10 isoformas de empalme diferentes según el navegador del genoma UCSC.

Según un estudio, la variante de empalme que se superpone directamente a Ube3a se encuentra en el citoplasma. ^{[ 15 ]}

Se creía que un grupo específico de centros de impronta controlaba la expresión diferencial de Ube3a-ATS en los alelos materno y paterno . Existen dos regiones en los centros de impronta (CI) asociadas con el síndrome de Angelman (SA) y el síndrome de Prader-Willi (SPW): el CI-SA y el CI-SPW. Estos centros de impronta son regiones de control que determinan si los genes y regiones circundantes pueden expresarse y se encuentran en ambos alelos, materno y paterno. Si bien los patrones de metilación diferencial en los genes maternos y paternos suelen estar asociados con la impronta, el CI-SA permanece sin metilar en ambos alelos. Sin embargo, el CI-SPW vecino está metilado en el alelo materno, pero permanece sin metilar en el alelo paterno. ^{[ 16 ]}

Se sospecha que el PWS-IC controla la expresión de LNCAT y Ube3a-ATS . En ratones donde se ha eliminado el PWS-IC, la expresión de Ube3a-ATS disminuye. ^{[ 5 ]} En el sistema nervioso central, Ube3a-ATS se expresa preferentemente a partir del alelo paterno donde el PWS-IC no está metilado. ^{[ 13 ]} Por otro lado, en el alelo materno, donde el PWS-IC está metilado, Ube3a-ATS no se expresa, lo que sugiere que la metilación del PWS-IC previene de alguna manera la expresión de Ube3a-ATS . Esto está respaldado por varios estudios donde la prevención de la metilación del PWS-IC mediante la eliminación de metiltransferasas en células madre embrionarias resulta en la expresión bialélica de Ube3a-ATS y el silenciamiento de Ube3a en el alelo materno. ^{[ 10 ]}

Sin embargo, la metilación no es el único proceso involucrado en la prevención de la expresión del Ube3a-ATS materno . Se espera que los dominios de impronta interactúen con otras proteínas, que contribuyen al silenciamiento de LNCAT y Ube3a-ATS en el alelo materno. Por ejemplo, cuando se elimina MECP2 , como en pacientes con síndrome de Rett , Ube3a-ATS se expresa bialélicamente, disminuyendo la expresión de Ube3a del alelo materno. ^{[ 10 ]}

Solo una ARN polimerasa (ARNp) puede transcribir a lo largo de una parte de la plantilla a la vez. Cuando dos ARNp transcriben en direcciones opuestas, puede producirse una colisión. Esto puede provocar que ambas ARNp se detengan, que una de ellas retroceda o que se salga de la plantilla. En este caso, la ARNp que transcribe el gen paterno UBE3A-ATS compite con la ARNp que transcribe UBE3A y la desplaza de la plantilla, impidiendo la transcripción de UBE3A y permitiendo la transcripción de UBE3A-ATS. Las flechas indican la dirección de la transcripción. Revisado en Trends in Neurosci . ^{[ 6 ]}

Actualmente existen tres modelos que explican cómo el Ube3a-ATS de LNCAT silencia el Ube3a paterno : el modelo de colisión, el modelo de interacción ARN-ADN y el modelo de interferencia de ARN de doble cadena . ^{[ 6 ] [ 15 ]} Si bien estos modelos no se han demostrado directamente para Ube3a/Ube3a-ATS , se consideran plausibles basándose en la evidencia del silenciamiento de otros transcritos antisentido naturales mediante estos métodos. Sin embargo, el modelo de colisión, debido a los estudios de apoyo más recientes, parece ser el más probable. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

El modelo de colisión puede imaginarse como una carretera lo suficientemente ancha para un solo coche. Un coche inteligente viaja en una dirección y un arado en la dirección opuesta, colisionando finalmente. Tras la colisión, el arado empuja al coche inteligente hacia atrás, mientras este continúa avanzando. En el modelo de colisión para Ube3a/Ube3a-ATS , las ARN polimerasas (ARNp) se desplazan una hacia la otra a lo largo de las plantillas de sentido y antisentido durante la transcripción. Las plantillas de sentido y antisentido se superponen para Ube3a y Ube3a-ATS . Las dos burbujas de transcripción colisionarán de frente, y la ARNp que transcribe Ube3a-ATS , que actúa como arado, empujará a la ARNp que transcribe Ube3a (el coche inteligente) hacia atrás, sacándola finalmente de la plantilla. Esto impide la transcripción completa de Ube3a. ^{[ 6 ]}

El respaldo a este modelo proviene de dos estudios recientes. El primer estudio analizó la transcripción de genes en hebras con sentido que se superponían con genes que se expresaban en la hebra antisentido . Cuanto mayor era la región de superposición, menos eficiente era la transcripción de la hebra con sentido, lo que indica que la transcripción en una hebra interfiere con la transcripción en la otra. ^{[ 19 ]} Otro estudio monitoreó directamente las colisiones entre ARN polimerasas que transcribían una plantilla mediante microscopía de fuerza atómica. Las ARN polimerasas se detuvieron en fragmentos de ADN y colisionaron con otras ARN polimerasas en elongación . Las imágenes mostraron la detención de las dos ARN polimerasas inmediatamente después de la colisión, además del retroceso de una de ellas. ^{[ 17 ]}

Si bien estos estudios no se han realizado para Ube3a/Ube3a-ATS , el uso de microscopía de fuerza atómica para monitorear la transcripción en este locus podría brindar información sobre cómo se silencia Ube3a a través de Ube3a-ATS . Aún se necesitan más estudios para confirmar estos modelos para Ube3a .

Si bien varios estudios respaldan la idea de que Ube3a-ATS podría estar involucrado en el silenciamiento paterno de Ube3a , otros estudios lo contradicen. Un estudio en particular argumenta en contra del silenciamiento en cis de Ube3a por Ube3a-ATS . En este estudio, cuando se eliminó el alelo materno de Ube3a , se observó un aumento en la expresión paterna de Ube3a-ATS . Esto sugiere que, en lugar de que el Ube3a-ATS paterno controle el Ube3a paterno , el Ube3a materno suprime de alguna manera la expresión de los Ube3a-AT paternos , posiblemente en trans en lugar de en cis . De hecho, se observó una interacción entre las regiones homólogas maternas y paternas de estos genes en células humanas y de ratón durante la interfase. ^{[ 15 ]}

Un mecanismo para explicar el silenciamiento en trans incluye una interacción entre el ARN Ube3a-ATS paterno y el ARNm Ube3a materno . Es posible que el ARNm Ube3a materno interactúe con el ARN Ube3a-ATS paterno y disminuya la estabilidad de ambos transcritos. Cuando solo se produce Ube3a-ATS sin Ube3a , el Ube3a-ATS se vuelve más estable. ^{[ 15 ]}

Otro estudio ha sugerido que la expresión de Ube3a-ATS no ocurre en regiones improntadas. Las hibridaciones in situ no revelaron Ube3a-ATS en células de Purkinje ni en neuronas del hipocampo. Sin embargo, se expresaron otros exones río arriba que corresponden a Snurf / Snrpn , ^{[ 13 ]} lo que indica que el modelo de colisión aún podría estar ocurriendo. Por lo tanto, se requiere más investigación.

Varios estudios han intentado utilizar la posibilidad de controlar la expresión de Ube3a a través de Ube3a-ATS . En el síndrome de Angelman (SA), el complejo PWS-IC paterno no está metilado, lo que supuestamente permite la expresión de Ube3a-ATS . Por lo tanto, si la metilación del PWS-IC fuera posible, se podría inhibir la transcripción de Ube3a-ATS , permitiendo que la expresión de Ube3a del alelo paterno compensara la falta de expresión del alelo materno. Se realizó un estudio de un año con varios pacientes con SA. Estos pacientes siguieron dietas que promovían la metilación, las cuales consistían en suplementos de betaína , metafolina , creatina y vitamina B12 . Sin embargo, después de un año, los patrones de metilación en estos pacientes no cambiaron. ^{[ 20 ]}

Otro estudio analizó una amplia gama de fármacos e identificó varios inhibidores de la topoisomerasa I y II que aumentaron la expresión de Ube3a paterna en neuronas y ratones. Los inhibidores de la topoisomerasa se utilizan ampliamente como quimioterápicos y provocan la apoptosis de las células en replicación al inducir roturas de doble cadena que detienen la horquilla de replicación . Sin embargo, su mecanismo de acción en la activación de Ube3a paterna aún se desconoce, pero podría implicar una interferencia transcripcional con Ube3a-ATS , ya que los transcritos de Ube3a-ATS disminuyeron tras el tratamiento farmacológico. El grupo optó específicamente por estudiar el topotecán , que fue el más eficaz en un rango nanomolar bajo y ya está aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) para el tratamiento de varios tipos de cáncer. ^{[ 4 ]}