Articulo de referencia

ARN no codificante

Funciones de los ARN no codificantes: Las ribonucleoproteínas se muestran en rojo y los ARN no codificantes en azul. Un ARN no codificante ( ARNnc ) es una molécula de ARN funci...

Funciones de los ARN no codificantes: Las ribonucleoproteínas se muestran en rojo y los ARN no codificantes en azul.

Un ARN no codificante ( ARNnc ) es una molécula de ARN funcional que no se traduce en una proteína . La secuencia de ADN a partir de la cual se transcribe un ARN no codificante funcional se denomina a menudo gen no codificante o gen de ARN. Entre los tipos abundantes y funcionalmente importantes de ARN no codificantes se incluyen los ARN de transferencia (ARNt) y los ARN ribosómicos (ARNr), así como los ARN pequeños como los microARN , los siARN , los piARN , los snoARN , los snARN , los exARN , los scaARN y los ARNnc largos como Xist , HOTAIR y MALAT1 . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Se desconoce el número de ARN no codificantes en el genoma humano; sin embargo, estudios transcriptómicos y bioinformáticos recientes sugieren que existen miles de transcripciones no codificantes. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Muchos de los ARN no codificantes recientemente identificados tienen funciones desconocidas, si es que tienen alguna. [ 14 ] No existe consenso sobre qué proporción de la transcripción no codificante es funcional: algunos creen que la mayoría de los ARN no codificantes son "ARN basura" no funcional, transcripciones espurias, [ 15 ] [ 16 ] mientras que otros esperan que muchas transcripciones no codificantes tengan funciones por descubrir. [ 17 ] [ 18 ]

Historia y descubrimiento

Los ácidos nucleicos fueron descubiertos por primera vez en 1868 por Friedrich Miescher , [ 19 ] y para 1939, el ARN ya estaba implicado en la síntesis de proteínas . [ 20 ] Dos décadas más tarde, Francis Crick predijo un componente funcional del ARN que mediaba la traducción ; razonó que el ARN es más adecuado para formar pares de bases con un transcrito de ARNm que un polipéptido puro . [ 21 ]

La estructura en forma de trébol del ARNt Phe de levadura ( recuadro ) y la estructura 3D determinada mediante análisis de rayos X.

El primer ARN no codificante que se caracterizó fue un ARNt de alanina encontrado en la levadura de panadería , cuya estructura se publicó en 1965. [ 22 ] Para producir una muestra purificada de ARNt de alanina, Robert W. Holley et al. utilizaron 140 kg de levadura de panadería comercial para obtener solo 1 g de ARNt Ala purificado para el análisis. [ 23 ] El ARNt de 80 nucleótidos se secuenció digiriéndolo primero con ribonucleasa pancreática (produciendo fragmentos que terminan en citosina o uridina ) y luego con ribonucleasa takadiastasa Tl (produciendo fragmentos que terminan en guanosina ). La cromatografía y la identificación de los extremos 5' y 3' ayudaron a organizar los fragmentos para establecer la secuencia de ARN. [ 23 ] De las tres estructuras propuestas originalmente para este ARNt, [ 22 ] la estructura de "hoja de trébol" se propuso independientemente en varias publicaciones posteriores. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] La estructura secundaria en forma de trébol se finalizó tras un análisis de cristalografía de rayos X realizado por dos grupos de investigación independientes en 1974. [ 28 ] [ 29 ]

El ARN ribosómico fue el siguiente en descubrirse, seguido por el URNA a principios de la década de 1980. Desde entonces, el descubrimiento de nuevos ARN no codificantes ha continuado con los snoRNA , Xist , CRISPR y muchos más. [ 30 ] Entre las adiciones recientes más destacadas se incluyen los ribointerruptores y el miRNA ; el descubrimiento del mecanismo de ARN de interferencia asociado a este último le valió a Craig C. Mello y Andrew Fire el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2006. [ 31 ]

Los descubrimientos recientes de ARN no codificantes se han logrado mediante métodos tanto experimentales como bioinformáticos .

Funciones biológicas

Los ARN no codificantes pertenecen a varios grupos y participan en numerosos procesos celulares. [ 32 ] Estos abarcan desde ARN no codificantes de importancia central, conservados en la mayoría de las formas de vida celular, hasta ARN no codificantes más transitorios, específicos de una o pocas especies estrechamente relacionadas. Se cree que los ARN no codificantes más conservados son fósiles moleculares o reliquias del último ancestro común universal y del mundo del ARN , y sus funciones actuales se centran principalmente en la regulación del flujo de información del ADN a las proteínas. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Estructura atómica de la subunidad 50S de Haloarcula marismortui . Las proteínas se muestran en azul y las dos hebras de ARN en naranja y amarillo. [ 36 ] La pequeña mancha verde en el centro de la subunidad es el sitio activo.

En traducción

Muchos de los ncRNA conservados, esenciales y abundantes están involucrados en la traducción . Las partículas de ribonucleoproteína (RNP) llamadas ribosomas son las "fábricas" donde tiene lugar la traducción en la célula. El ribosoma consta de más del 60% de ARN ribosómico ; estos están formados por 3 ncRNA en procariotas y 4 ncRNA en eucariotas . Los ARN ribosómicos catalizan la traducción de secuencias de nucleótidos a proteínas. Otro conjunto de ncRNA, los ARN de transferencia , forman una "molécula adaptadora" entre el ARNm y la proteína. Los snoRNA de caja H/ACA y caja C/D son ncRNA que se encuentran en arqueas y eucariotas. La RNasa MRP está restringida a eucariotas. Ambos grupos de ncRNA están involucrados en la maduración del ARNr. Los snoRNA guían las modificaciones covalentes del ARNr, el ARNt y los snRNA ; La RNasa MRP escinde el espaciador transcrito interno 1 entre los ARNr 18S y 5.8S. El ARNnc ubicuo, RNasa P , es un pariente evolutivo de la RNasa MRP. [ 37 ] La RNasa P madura las secuencias de ARNt generando extremos 5' maduros de los ARNt mediante la escisión de los elementos líderes 5' de los ARNt precursores. Otra RNP ubicua llamada SRP reconoce y transporta proteínas nacientes específicas al retículo endoplasmático en eucariotas y a la membrana plasmática en procariotas . En bacterias, el ARN mensajero de transferencia (tmRNA) es una RNP involucrada en el rescate de ribosomas detenidos, el etiquetado de polipéptidos incompletos y la promoción de la degradación del ARNm aberrante.

En el empalme de ARN

Imágenes de microscopía electrónica del espliceosoma de levadura. Nótese que la mayor parte del complejo está compuesta por ARN no codificante (ARNnc).

En los eucariotas, el espliceosoma realiza las reacciones de empalme esenciales para eliminar las secuencias de intrones ; este proceso es necesario para la formación del ARNm maduro . El espliceosoma es otra RNP, a menudo conocida como snRNP o tri-snRNP. Existen dos formas diferentes del espliceosoma: la forma mayor y la forma menor. Los componentes de ARNnc del espliceosoma mayor son U1 , U2 , U4 , U5 y U6 . Los componentes de ARNnc del espliceosoma menor son U11 , U12 , U5 , U4atac y U6atac .

Otro grupo de intrones puede catalizar su propia eliminación de los transcritos del huésped; estos se denominan ARN de autoescisión. Existen dos grupos principales de ARN de autoescisión: el intrón catalítico del grupo I y el intrón catalítico del grupo II . Estos ARN no codificantes catalizan su propia escisión de los precursores de ARNm, ARNt y ARNr en una amplia gama de organismos.

En mamíferos se ha descubierto que los snoRNA también pueden regular el empalme alternativo del ARNm, por ejemplo, el snoRNA HBII-52 regula el empalme del receptor de serotonina 2C . [ 38 ]

En los nematodos, el ARNnc SmY parece estar involucrado en el trans-splicing del ARNm . [ 39 ]

En la replicación del ADN

La proteína autoantígena Ro (blanca) se une al extremo de un ARN Y de doble cadena (rojo) y a un ARN de cadena simple (azul). (PDB: 1YVP)). [ 40 ]

Los ARN Y son bucles de tallo, necesarios para la replicación del ADN a través de interacciones con la cromatina y las proteínas de iniciación (incluido el complejo de reconocimiento del origen ). [ 41 ] [ 42 ] También son componentes de la partícula de ribonucleoproteína Ro60 [ 43 ] que es un objetivo de los autoanticuerpos en pacientes con lupus eritematoso sistémico . [ 44 ]

En la regulación genética

La expresión de miles de genes está regulada por ARN no codificantes (ARNnc). Esta regulación puede ocurrir en trans o en cis . Cada vez hay más evidencia de que un tipo especial de ARNnc, llamado ARN potenciador , que se transcribe a partir de la región potenciadora de un gen, promueve la expresión génica.

Transactiva

En eucariotas superiores, los microARN regulan la expresión génica. Un solo microARN puede reducir los niveles de expresión de cientos de genes. El mecanismo por el cual actúan las moléculas de microARN maduras es mediante la complementariedad parcial con una o más moléculas de ARN mensajero (ARNm), generalmente en las regiones 3' UTR . La función principal de los microARN es la regulación negativa de la expresión génica.

También se ha demostrado que la ARNasa P, un ARN no codificante, influye en la expresión génica. En el núcleo humano, la ARNasa P es necesaria para la transcripción normal y eficiente de varios ARN no codificantes transcritos por la ARN polimerasa III . Estos incluyen los genes de ARNt, ARNr 5S , ARN SRP y ARNsn U6 . La ARNasa P ejerce su función en la transcripción mediante su asociación con la Pol III y la cromatina de los genes activos de ARNt y ARNr 5S. [ 45 ]

Se ha demostrado que el ARN 7SK , un ARN no codificante de metazoos , actúa como un regulador negativo del factor de elongación de la ARN polimerasa II P-TEFb , y que esta actividad está influenciada por las vías de respuesta al estrés.

El ARN no codificante bacteriano, ARN 6S , se asocia específicamente con la holoenzima de la ARN polimerasa que contiene el factor de especificidad sigma70 . Esta interacción reprime la expresión de un promotor dependiente de sigma70 durante la fase estacionaria .

Otro ARN no codificante bacteriano, el ARN OxyS , reprime la traducción al unirse a las secuencias de Shine-Dalgarno, impidiendo así la unión del ribosoma. El ARN OxyS se induce en respuesta al estrés oxidativo en Escherichia coli.

El ARN B2 es un pequeño transcrito de ARN polimerasa III no codificante que reprime la transcripción del ARNm en respuesta al choque térmico en células de ratón. El ARN B2 inhibe la transcripción al unirse a la Pol II central. Mediante esta interacción, el ARN B2 se ensambla en complejos de preiniciación en el promotor y bloquea la síntesis de ARN. [ 46 ]

Un estudio reciente ha demostrado que el mero acto de transcripción de la secuencia de ARN no codificante puede influir en la expresión génica. La transcripción de ARN no codificantes por la ARN polimerasa II es necesaria para la remodelación de la cromatina en Schizosaccharomyces pombe . La cromatina se convierte progresivamente a una configuración abierta a medida que se transcriben varias especies de ARN no codificantes. [ 47 ]

cis-activo

Numerosos ARN no codificantes (ARNnc) se encuentran integrados en las regiones 5' no traducidas ( UTR ) de los genes que codifican proteínas e influyen en su expresión de diversas maneras. Por ejemplo, un riboswitch puede unirse directamente a una pequeña molécula diana ; la unión de esta molécula afecta la actividad del gen.

Las secuencias líderes de ARN se encuentran río arriba del primer gen de los operones biosintéticos de aminoácidos. Estos elementos de ARN forman una de dos estructuras posibles en regiones que codifican secuencias peptídicas muy cortas ricas en el aminoácido producto final del operón. Se forma una estructura terminadora cuando hay un exceso del aminoácido regulador y el movimiento del ribosoma sobre el transcrito líder no se ve impedido. Cuando hay una deficiencia del ARNt cargado del aminoácido regulador, el ribosoma que traduce el péptido líder se detiene y se forma la estructura antiterminadora. Esto permite que la ARN polimerasa transcriba el operón. Las secuencias líderes de ARN conocidas son la secuencia líder del operón de histidina , la secuencia líder del operón de leucina , la secuencia líder del operón de treonina y la secuencia líder del operón de triptófano .

Los elementos de respuesta al hierro (IRE) se unen a las proteínas de respuesta al hierro (IRP). El IRE se encuentra en las regiones UTR de diversos ARNm cuyos productos participan en el metabolismo del hierro . Cuando la concentración de hierro es baja, las IRP se unen al IRE del ARNm de la ferritina, lo que provoca la represión de la traducción.

Los sitios de entrada ribosómica interna (IRES, por sus siglas en inglés) son estructuras de ARN que permiten el inicio de la traducción en medio de una secuencia de ARNm como parte del proceso de síntesis de proteínas .

En defensa del genoma

Los ARN que interactúan con Piwi (piRNA) expresados ​​en los testículos y las células somáticas de los mamíferos forman complejos de ARN-proteína con las proteínas Piwi . Estos complejos de piRNA (piRC) se han relacionado con el silenciamiento génico transcripcional de retrotransposones y otros elementos genéticos en las células germinales , particularmente en las de la espermatogénesis .

Las repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y espaciadas regularmente (CRISPR) son secuencias repetitivas presentes en el ADN de muchas bacterias y arqueas . Estas repeticiones están separadas por espaciadores de longitud similar. Se ha demostrado que estos espaciadores pueden derivar de fagos y, por consiguiente, ayudar a proteger a la célula de la infección.

Estructura cromosómica

La telomerasa es una enzima RNP que añade repeticiones de secuencias de ADN específicas ("TTAGGG" en vertebrados) a las regiones teloméricas , que se encuentran en los extremos de los cromosomas eucariotas . Los telómeros contienen material de ADN condensado, lo que confiere estabilidad a los cromosomas. La enzima es una transcriptasa inversa que transporta el ARN de la telomerasa , el cual se utiliza como molde para alargar los telómeros, que se acortan después de cada ciclo de replicación .

Xist (transcrito específico inactivo del cromosoma X) es un gen de ARN no codificante largo en el cromosoma X de los mamíferos placentarios que actúa como efector principal del proceso de inactivación del cromosoma X formando los cuerpos de Barr . Un ARN antisentido , Tsix , es un regulador negativo de Xist. Los cromosomas X que carecen de expresión de Tsix (y por lo tanto tienen altos niveles de transcripción de Xist) se inactivan con más frecuencia que los cromosomas normales. En los drosófilos , que también utilizan un sistema de determinación del sexo XY , los ARN roX (ARN en el X) están involucrados en la compensación de dosis. [ 48 ] Tanto Xist como roX operan por regulación epigenética de la transcripción a través del reclutamiento de enzimas modificadoras de histonas .

ARN bifuncional

Los ARN bifuncionales , o ARN de doble función , son ARN que tienen dos funciones distintas. [ 49 ] [ 50 ] La mayoría de los ARN bifuncionales conocidos son ARNm que codifican tanto una proteína como ARNnc. Sin embargo, un número creciente de ARNnc se clasifica en dos categorías diferentes; por ejemplo, el snoRNA de caja H/ACA y el miRNA . [ 51 ] [ 52 ]

Dos ejemplos bien conocidos de ARN bifuncionales son el ARN SgrS y el ARNIII . Sin embargo, se sabe que existen otros pocos ARN bifuncionales (por ejemplo, el activador del receptor de esteroides/SRA, [ 53 ] el ARN VegT, [ 54 ] [ 55 ] el ARN Oskar, [ 56 ] ENOD40 , [ 57 ] el ARN p53 [ 58 ] el ARN SR1 , [ 59 ] y el ARN Spot 42. [ 60 ] ) Los ARN bifuncionales fueron el tema de un número especial de Biochimie en 2011. [ 61 ]

Como hormona

Existe una importante relación entre ciertos ARN no codificantes y el control de las vías reguladas por hormonas. En Drosophila , hormonas como la ecdisona y la hormona juvenil pueden promover la expresión de ciertos microARN. Además, esta regulación ocurre en distintos momentos del desarrollo de Caenorhabditis elegans . [ 62 ] En mamíferos, miR-206 es un regulador crucial del receptor alfa de estrógeno . [ 63 ]

Los ARN no codificantes son cruciales en el desarrollo de varios órganos endocrinos, así como en enfermedades endocrinas como la diabetes mellitus . [ 64 ] Específicamente en la línea celular MCF-7, la adición de 17β- estradiol aumentó la transcripción global de los ARN no codificantes llamados ARN largos no codificantes (lncRNA) cerca de los genes codificantes activados por estrógenos. [ 65 ]

En la evitación de patógenos

Se demostró que C. elegans aprende y hereda la evitación de patógenos después de la exposición a un único ARN no codificante de un patógeno bacteriano . [ 66 ] [ 67 ]

Funciones en la enfermedad

Al igual que ocurre con las proteínas , las mutaciones o los desequilibrios en el repertorio de ARN no codificante dentro del organismo pueden causar diversas enfermedades.

Cáncer

Muchos ncRNA muestran patrones de expresión anormales en tejidos cancerosos . [ 12 ] Estos incluyen miRNA , ncRNA largos similares a ARNm , [ 68 ] [ 69 ] GAS5 , [ 70 ] SNORD50 , [ 71 ] ARN de telomerasa y ARN Y. [ 72 ] Los miRNA están involucrados en la regulación a gran escala de muchos genes codificadores de proteínas, [ 73 ] [ 74 ] los ARN Y son importantes para el inicio de la replicación del ADN, [ 41 ] el ARN de telomerasa que sirve como un cebador para la telomerasa, una RNP que extiende las regiones teloméricas en los extremos de los cromosomas (ver telómeros y enfermedad para más información). La función directa de los ncRNA largos similares a ARNm es menos clara.

Se ha demostrado que las mutaciones de la línea germinal en los precursores primarios de miR-16-1 y miR-15 son mucho más frecuentes en pacientes con leucemia linfocítica crónica en comparación con poblaciones de control. [ 75 ] [ 76 ]

Se ha sugerido que un SNP raro ( rs11614913 ) que se superpone con hsa-mir-196a-2 se ha encontrado asociado con el carcinoma de pulmón de células no pequeñas . [ 77 ] Asimismo, un cribado de 17 miRNAs que se ha predicho que regulan una serie de genes asociados al cáncer de mama encontró variaciones en los microRNAs miR-17 y miR-30c-1 de pacientes; estos pacientes no eran portadores de mutaciones BRCA1 o BRCA2 , lo que da la posibilidad de que el cáncer de mama familiar pueda ser causado por variación en estos miRNAs. [ 78 ] El supresor tumoral p53 es posiblemente el agente más importante en la prevención de la formación y progresión tumoral. La proteína p53 funciona como un factor de transcripción con un papel crucial en la orquestación de la respuesta al estrés celular. Además de su papel crucial en el cáncer, p53 se ha implicado en otras enfermedades, incluyendo diabetes, muerte celular después de isquemia y varias enfermedades neurodegenerativas como Huntington, Parkinson y Alzheimer. Los estudios han sugerido que la expresión de p53 está sujeta a regulación por ARN no codificante. [ 11 ]

Otro ejemplo de ARN no codificante desregulado en células cancerosas es el ARN largo no codificante Linc00707. Linc00707 se sobreexpresa y secuestra miRNAs en células madre mesenquimales derivadas de médula ósea humana, [ 79 ] cáncer gástrico [ 80 ] o cáncer de mama, [ 81 ] [ 82 ] y, por lo tanto, promueve la osteogénesis, contribuye a la progresión del carcinoma hepatocelular, promueve la proliferación y la metástasis, o regula indirectamente la expresión de proteínas involucradas en la agresividad del cáncer, respectivamente.

síndrome de Prader-Willi

Se ha demostrado que la eliminación de las 48 copias del snoRNA de caja C/D SNORD116 es la causa principal del síndrome de Prader-Willi . [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] El síndrome de Prader-Willi es un trastorno del desarrollo asociado con la sobrealimentación y dificultades de aprendizaje. SNORD116 tiene posibles sitios diana dentro de varios genes codificadores de proteínas y podría tener un papel en la regulación del empalme alternativo. [ 87 ]

Autismo

El locus cromosómico que contiene el grupo de genes del ARN nucleolar pequeño SNORD115 se ha duplicado en aproximadamente el 5% de los individuos con rasgos autistas . [ 88 ] [ 89 ] Un modelo de ratón modificado genéticamente para tener una duplicación del grupo SNORD115 muestra un comportamiento similar al autismo. [ 90 ] Un estudio reciente de pequeño tamaño de tejido cerebral post mortem demostró una expresión alterada de ARN largos no codificantes en la corteza prefrontal y el cerebelo de cerebros autistas en comparación con los controles. [ 91 ]

hipoplasia cartílago-cabello

Se ha demostrado que las mutaciones dentro de la RNasa MRP causan hipoplasia cartílago-cabello , una enfermedad asociada con una variedad de síntomas como baja estatura, cabello escaso, anomalías esqueléticas y un sistema inmunitario suprimido que es frecuente entre los amish y los finlandeses . [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ] La variante mejor caracterizada es una transición de A a G en el nucleótido 70 que está en una región de bucle dos bases 5' de un pseudonudo conservado . Sin embargo, muchas otras mutaciones dentro de la RNasa MRP también causan CHH.

enfermedad de Alzheimer

El ARN antisentido BACE1-AS se transcribe desde la cadena opuesta a BACE1 y se encuentra sobreexpresado en pacientes con enfermedad de Alzheimer . [ 95 ] BACE1-AS regula la expresión de BACE1 al aumentar la estabilidad del ARNm de BACE1 y generar BACE1 adicional mediante un mecanismo de retroalimentación positiva postranscripcional. Mediante este mismo mecanismo, también eleva las concentraciones de beta-amiloide , el principal componente de las placas seniles. Las concentraciones de BACE1-AS están elevadas en sujetos con enfermedad de Alzheimer y en ratones transgénicos con proteína precursora de amiloide.

miR-96 y pérdida auditiva

La variación dentro de la región semilla del miR-96 maduro se ha asociado con la pérdida auditiva progresiva autosómica dominante en humanos y ratones. Los ratones mutantes homocigotos presentaban sordera profunda y no mostraban respuestas cocleares . Los ratones y humanos heterocigotos pierden progresivamente la capacidad de oír. [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]

ARN de transferencia mitocondrial

Varias mutaciones en los ARNt mitocondriales se han relacionado con enfermedades como el síndrome MELAS , el síndrome MERRF y la oftalmoplejía externa progresiva crónica . [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]

Distinción entre ARN funcional (ARNf) y ARN no codificante (ARNnc).

Los científicos han comenzado a distinguir el ARN funcional ( ARNf ) del ARNnc, para describir regiones funcionales a nivel de ARN que pueden o no ser transcripciones de ARN independientes. [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] Esto implica que el ARNf (como los ribointerruptores, los elementos SECIS y otras regiones cis-reguladoras) no es ARNnc. Sin embargo, el ARNf también podría incluir el ARNm , ya que este es ARN que codifica proteínas y, por lo tanto, es funcional. Además, los ARN evolucionados artificialmente también se incluyen bajo el término general ARNf. Algunas publicaciones [ 30 ] afirman que ARNnc y ARNf son casi sinónimos, sin embargo, otras han señalado que una gran proporción de los ARNnc anotados probablemente no tienen función. [ 15 ] [ 16 ] También se ha sugerido simplemente usar el término ARN , ya que la distinción de un ARN que codifica proteínas ( ARN mensajero ) ya viene dada por el calificador ARNm . [ 106 ] Esto elimina la ambigüedad al abordar un gen que "codifica un ARN no codificante". Además, puede haber varios ARN no codificantes que estén mal anotados en la literatura y los conjuntos de datos publicados. [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]

Véase también

Referencias

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