La familia de proteínas Argonaute juega un papel central en los procesos de silenciamiento de ARN, como componentes esenciales del complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). RISC es responsable del fenómeno de silenciamiento de genes conocido como interferencia de ARN (ARNi) . Las proteínas argonauta se unen a diferentes clases de ARN pequeños no codificantes , incluidos los microARN (miARN), los ARN de interferencia pequeños (ARNip) y los ARN que interactúan con Piwi (piARN). Los ARN pequeños guían a las proteínas Argonaute hacia sus objetivos específicos a través de la complementariedad de secuencias (emparejamiento de bases), que luego conduce a la escisión del ARNm o la inhibición de la traducción .
El nombre de esta familia de proteínas se deriva de un fenotipo mutante resultante de la mutación de AGO1 en Arabidopsis thaliana , que fue comparada por Bohmert et al. a la aparición del pulpo pelágico Argonauta argo . [1]
Dominio Argonaute Piwi | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | Piwi | |||||||
Pfam | PF02171 | |||||||
InterPro | IPR003165 | |||||||
PROSITE | PS50822 | |||||||
CDD | cd02826 | |||||||
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Dominio Argonaute Paz | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | Paz | |||||||
Pfam | PF12212 | |||||||
InterPro | IPR021103 | |||||||
SCOP2 | b.34.14.1 / SCOPe / SUPFAM | |||||||
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Interferencia de ARN
La interferencia de ARN (ARNi) es un proceso biológico en el que las moléculas de ARN inhiben la expresión génica . El método de inhibición es mediante la destrucción de moléculas de ARNm específicas o simplemente suprimiendo la traducción de la proteína. [2] La interferencia del ARN tiene un papel importante en la defensa de las células contra las secuencias de nucleótidos parásitos. En muchos eucariotas, incluidos los animales, se encuentra la vía de interferencia del ARN y es iniciada por la enzima Dicer . Dicer escinde moléculas largas de ARN bicatenario (ARNdc, que a menudo se encuentra en virus y ARN interferente pequeño ) en fragmentos bicatenarios cortos de alrededor de 20 ARNip nucleotídicos. Luego, el dsRNA se separa en dos RNA monocatenarios (ssRNA): la hebra pasajera y la hebra guía. Posteriormente, la hebra pasajera se degrada, mientras que la hebra guía se incorpora al complejo silenciador inducido por ARN (RISC). El resultado mejor estudiado del ARNi es el silenciamiento génico postranscripcional, que ocurre cuando la hebra guía se empareja con una secuencia complementaria en una molécula de ARN mensajero e induce la escisión por Argonaute, que se encuentra en el núcleo del complejo de silenciamiento inducido por ARN.
Las proteínas argonauta son la parte activa del complejo de silenciamiento inducido por ARN, que escinde la hebra de ARNm diana complementaria a su ARNip unido. [3] Teóricamente, el dicer produce fragmentos cortos de doble cadena, por lo que también deberían producirse dos ARNip monocatenarios funcionales. Pero solo uno de los dos ARN monocatenarios aquí se utilizará para emparejar las bases con el ARNm diana . Se la conoce como hebra guía, incorporada a la proteína Argonaute y conduce al silenciamiento génico. La otra hebra pasajera nombrada monocatenaria se degrada durante el proceso del complejo de silenciamiento inducido por ARN. [4]
Una vez que el argonauta se asocia con el ARN pequeño, la actividad enzimática conferida por el dominio PIWI escinde solo la hebra pasajera del ARN interferente pequeño. La separación e incorporación de la cadena de ARN en la proteína Argonaute están guiadas por la fuerza de la interacción del enlace de hidrógeno en los extremos 5 'del dúplex de ARN, conocida como la regla de asimetría. Además, el grado de complementariedad entre las dos cadenas del dúplex de ARN intermedio define cómo se clasifican los miARN en diferentes tipos de proteínas Argonaute.
En los animales, Argonaute asociado con miRNA se une a la región 3 'sin traducir del mRNA y previene la producción de proteínas de varias formas. El reclutamiento de proteínas Argonaute para el ARNm dirigido puede inducir la degradación del ARNm. El complejo Argonaute-miRNA también puede afectar la formación de ribosomas funcionales en el extremo 5 'del mRNA. El complejo aquí compite con los factores de iniciación de la traducción y / o anula el ensamblaje del ribosoma . Además, el complejo Argonaute-miARN puede ajustar la producción de proteínas mediante el reclutamiento de factores celulares como péptidos o enzimas modificadoras postraduccionales, que degradan el crecimiento de polipéptidos. [5]
En las plantas, una vez que se generan los dúplex de ARN bicatenario (ds) de novo con el ARNm diana, una enzima desconocida similar a la ARNasa III produce nuevos ARNip, que luego se cargan en las proteínas Argonaute que contienen dominios PIWI, que carecen del aminoácido catalítico. residuos, que podrían inducir otro nivel de silenciamiento génico específico.
Dominios y mecanismos funcionales
La familia de genes Argonaute (AGO) codifica seis dominios característicos: N-terminal (N), Linker-1 (L1), PAZ, Linker-2 (L2), Mid y un dominio PIWI C-terminal . [5]
El nombre del dominio PAZ es un acrónimo elaborado a partir de los nombres de los genes de Drosophila piwi, Arabidopsis argonaute-1 y Arabidopsis zwille (también conocido como poinhead, y más tarde rebautizado como argonaute-10), donde se reconoció por primera vez que el dominio estaba conservado. El dominio PAZ es un módulo de unión de ARN que reconoce los extremos 3 'monocatenarios de ARNip , miARN y ARNpi , de manera independiente de la secuencia.
La proteína PIWI de Drosophila dio su nombre a este motivo característico. Estructuralmente parecido a RNaseH, el dominio PIWI es esencial para la escisión de la diana. El sitio activo con la tríada aspartato-aspartato-glutamato alberga un ión metálico divalente, necesario para la catálisis. Los miembros de la familia de AGO que perdieron esta característica conservada durante la evolución carecerán de la actividad de escisión. En la AGO humana, el motivo PIWI también media la interacción proteína-proteína en la caja PIWI, donde se une a Dicer en uno de los dominios RNasa III. [6]
En la interfaz de los dominios PIWI y Mid se encuentra el fosfato 5 'de un ARNip, miARN o ARNpi, que se encuentra esencial en la funcionalidad. Dentro de Mid se encuentra un motivo MC, una estructura homóloga propuesta para imitar el motivo de la estructura de unión a la tapa que se encuentra en eIF4E. Más tarde se descubrió que el motivo MC no está involucrado en la unión de la tapa del ARNm [5]
Miembro de la familia
En humanos, hay ocho miembros de la familia AGO, algunos de los cuales son investigados intensamente. Sin embargo, aunque los AGO1–4 son capaces de cargar miARN, la actividad endonucleasa y, por lo tanto, el silenciamiento génico dependiente de ARNi pertenece exclusivamente a AGO2. Teniendo en cuenta la conservación de la secuencia de los dominios PAZ y PIWI en toda la familia, se presume que la unicidad de AGO2 surge del extremo N-terminal o de la región espaciadora que une los motivos PAZ y PIWI. [6]
Varias familias de AGO en plantas también atraen un tremendo esfuerzo de estudio. AGO1 está claramente involucrado en la degradación del ARN relacionado con miARN y juega un papel central en la morfogénesis. En algunos organismos, es estrictamente necesario para el silenciamiento epigenético. Está regulado por el propio miARN. AGO4 no participa en la degradación del ARN dirigida por el ARNi, sino en la metilación del ADN y otras regulaciones epigenéticas, a través de la vía del ARN pequeño (ARNm). AGO10 participa en el desarrollo de plantas. AGO7 tiene una función distinta de AGO 1 y 10, y no se encuentra en el silenciamiento génico inducido por transgenes. En cambio, está relacionado con el tiempo de desarrollo en las plantas. [7]
Enfermedad y herramientas terapéuticas
Para las enfermedades que están involucradas con la expresión selectiva o elevada de genes identificados particulares, como el cáncer de páncreas, la alta especificidad de secuencia de la interferencia del ARN podría hacer que sea adecuado como un tratamiento adecuado, particularmente apropiado para combatir cánceres asociados con secuencias de genes endógenos mutados . Se ha informado que varios ARN no codificantes diminutos (microARN) están relacionados con cánceres humanos, como el miR-15a y el miR-16a con frecuencia se eliminan y / o regulan negativamente en los pacientes. Aunque las funciones biológicas de los miARN no se comprenden completamente, se han descubierto las funciones de los miARN en la coordinación de la proliferación celular y la muerte celular durante el desarrollo y el metabolismo. Se confía en que los miARN pueden dirigir la regulación negativa o positiva a diferentes niveles, lo que depende de los miARN específicos y de la interacción del par de bases diana y de los cofactores que los reconocen. [8]
Debido a que se sabe ampliamente que muchos virus tienen ARN en lugar de ADN como material genético y pasan por al menos una etapa en su ciclo de vida cuando producen ARN bicatenario, se ha considerado que la interferencia del ARN es un mecanismo potencialmente antiguo evolutivamente para proteger a los organismos de los virus. Los pequeños ARN de interferencia producidos por Dicer provocan un silenciamiento génico postranscripcional específico de secuencia al guiar una endonucleasa, el complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC), hacia el ARNm. Este proceso se ha observado en una amplia gama de organismos, como el hongo Neurospora (en el que se lo conoce como extinción), plantas (silenciamiento génico postranscripcional) y células de mamíferos (ARNi). Si hay una complementariedad de secuencia completa o casi completa entre el ARN pequeño y la diana, el componente de proteína Argonauta de RISC media la escisión del transcrito diana, el mecanismo implica la represión de la traducción predominantemente.
Es importante destacar que los ratones infectados con influenza deficientes en Argonaute 4 (AGO4) tienen una carga y títulos virales significativamente más altos in vivo [9], lo que contrasta con los ratones deficientes en AGO1 o AGO3. [10] Por tanto, la promoción específica de la función AGO4 en células de mamíferos puede ser una estrategia antiviral eficaz.
Aplicaciones biotecnológicas de proteínas Argonaute procarióticas
En 2016, un grupo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hebei informó sobre la edición del genoma utilizando una proteína Argonaute procariota de Natronobacterium gregoryi . Sin embargo, la evidencia de la aplicación de proteínas Argonaute como nucleasas guiadas por ADN para la edición del genoma ha sido cuestionada, con la retractación de la afirmación de la principal revista. [11] En 2017, un grupo de la Universidad de Illinois informó el uso de una proteína Argonaute procariota extraída de Pyrococcus furiosus (PfAgo) junto con ADN guía para editar el ADN in vitro como enzimas de restricción artificiales . [12] Las enzimas de restricción artificiales basadas en PfAgo también se utilizaron para almacenar datos sobre secuencias de ADN nativo mediante corte enzimático. [13]
Referencias
- ^ Bohmert K, Camus I, Bellini C, Bouchez D, Caboche M, Benning C (enero de 1998). "AGO1 define un nuevo locus de Arabidopsis que controla el desarrollo de la hoja" . El diario EMBO . 17 (1): 170–180. doi : 10.1093 / emboj / 17.1.170 . PMC 1170368 . PMID 9427751 .
- ^ Guo H, Ingolia NT, Weissman JS, Bartel DP (agosto de 2010). "Los microARN de mamíferos actúan predominantemente para disminuir los niveles de ARNm diana" . Naturaleza . 466 (7308): 835–840. Código Bibliográfico : 2010Natur.466..835G . doi : 10.1038 / nature09267 . PMC 2990499 . PMID 20703300 .
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- ^ Enghiad B, Zhao H (mayo de 2017). "Enzimas de restricción artificial programables guiadas por ADN". Biología sintética ACS . 6 (5): 752–757. doi : 10.1021 / acssynbio.6b00324 . PMID 28165224 . S2CID 3833124 .
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enlaces externos
- Base de datos starBase : una base de datos para explorar mapas de interacción microARN-ARNm a partir de datos de Argonaute CLIP-Seq ( HITS-CLIP , PAR-CLIP ) y Degradome-Seq.