La ARN polimerasa dependiente de ARN ( RdRp ) o ARN replicasa es una enzima que cataliza la replicación del ARN a partir de una plantilla de ARN. Específicamente, cataliza la síntesis de la cadena de ARN complementaria a una plantilla de ARN determinada. Esto contrasta con las típicas ARN polimerasas dependientes de ADN , que todos los organismos utilizan para catalizar la transcripción de ARN a partir de una plantilla de ADN .
ARN polimerasa dependiente de ARN | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 2.7.7.48 | |||||||
No CAS. | 9026-28-2 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
Ontología de genes | AmiGO / QuickGO | |||||||
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RdRp es una proteína esencial codificada en los genomas de todos los virus que contienen ARN sin etapa de ADN, es decir , virus de ARN , [1] [2] incluido el SARS-CoV-2 . Algunos eucariotas también contienen RdRp.
Historia
RdRps virales se descubrieron en la década de 1960 a partir de estudios sobre Mengovirus y virus de la polio cuando se observó que estos virus no fueron sensibles a la actinomicina D , un fármaco que inhibe la síntesis de ARN celular dirigida por ADN. Esta falta de sensibilidad sugirió que existe una enzima específica del virus que podría copiar ARN de una plantilla de ARN y no de una plantilla de ADN.
Distribución
Las RdRps están altamente conservadas en todos los virus e incluso están relacionadas con la telomerasa , aunque la razón de esto es una pregunta en curso desde 2009. [3] La similitud ha llevado a la especulación de que las RdRps virales son ancestrales de la telomerasa humana.
El ejemplo más famoso de RdRp es el del virus de la polio . El genoma viral está compuesto de ARN, que ingresa a la célula a través de endocitosis mediada por receptores . A partir de ahí, el ARN puede actuar como plantilla para la síntesis de ARN complementario, de forma inmediata. La cadena complementaria es entonces, por sí misma, capaz de actuar como plantilla para la producción de nuevos genomas virales que se empaquetan y liberan aún más de la célula, listos para infectar más células huésped. La ventaja de este método de replicación es que no existe una etapa de ADN; la replicación es rápida y sencilla. La desventaja es que no hay una copia de ADN "de respaldo".
Muchas RdRps están estrechamente asociadas con membranas y, por lo tanto, son difíciles de estudiar. Los RdRps más conocidos son el polioviral 3Dpol, el virus de la estomatitis vesicular L, [4] y la proteína NS5B del virus de la hepatitis C.
Muchos eucariotas también tienen RdRps involucrados en la interferencia del ARN ; estos amplifican microARN y ARN temporales pequeños y producen ARN bicatenario utilizando ARN de interferencia pequeños como cebadores. [5] De hecho, estos mismos RdRps que se utilizan en los mecanismos de defensa pueden ser usurpados por virus de ARN para su beneficio. [6] Se ha revisado su historia evolutiva. [7]
Proceso de replicación
RdRp se diferencia de la ARN polimerasa porque actúa para catalizar la síntesis de una hebra de ARN complementaria a una plantilla de ARN determinada, en lugar de utilizar una plantilla de ADN. El proceso de replicación del ARN es un mecanismo de cuatro pasos, como se describe.
- Unión de nucleótido trifosfato (NTP): inicialmente, el RdRp presenta un sitio activo vacante en el que se une el NTP. La unión correcta de NTP hace que RdRp experimente un cambio conformacional. [8]
- Cierre del sitio activo: el cambio conformacional iniciado por la unión correcta de NTP, da como resultado la restricción del acceso al sitio activo y produce un estado catalíticamente competente. [8]
- Formación de enlace fosfodiéster: dos iones Mg 2+ están presentes en el estado catalíticamente activo y se organizan de tal manera alrededor del cebador de ARN que el sustrato NTP puede someterse a una transferencia de fosfatidilo y formar un enlace fosfodiéster con la cadena de nucleótidos existente. [9] Con el uso de estos iones Mg 2+ , el sitio activo ya no tiene la estabilidad catalítica y el complejo RdRp cambia a una conformación abierta. [9]
- Translocación: una vez que el sitio activo está abierto, la cadena de ARN puede moverse a través del complejo proteico RdRp y unirse a un nuevo NTP y continuar el alargamiento de la cadena, a menos que la plantilla especifique lo contrario. [8]
La síntesis de ARN se puede realizar por medio de un mecanismo independiente de cebador ( de novo ) o un mecanismo dependiente de cebador que utiliza un cebador ligado al genoma de proteína viral (VPg). [10] La iniciación de novo consiste en la adición de un nucleósido trifosfato (NTP) al 3'-OH del primer NTP iniciador. [10] Durante la siguiente fase de elongación, esta reacción de transferencia de nucleotidilo se repite con los NTP posteriores para generar el producto de ARN complementario. La terminación de la cadena de ARN naciente producida por RdRp no se conoce completamente, sin embargo, se ha demostrado que la terminación de RdRp es independiente de la secuencia. [11]
Un gran inconveniente de la replicación de la ARN polimerasa dependiente de ARN es la inmensa tasa de error durante la transcripción. [10] RdRps se sabe que tienen una falta de fidelidad en el orden de 10 4 nucleótidos, que se cree que es un resultado directo de su insuficiente capacidad de corrección de pruebas. [10] Esta alta tasa de variación se ve favorecida en los genomas virales, ya que permite que el patógeno supere las defensas desarrolladas por los huéspedes que intentan evitar la infección, lo que permite el crecimiento evolutivo.
Estructura
Las ARN polimerasas virales / procarióticas dirigidas por ARN, junto con muchas polimerasas dirigidas por ADN de una sola subunidad, emplean un pliegue cuya organización se ha relacionado con la forma de una mano derecha con tres subdominios denominados dedos, palma y pulgar. [12] Sólo el subdominio de la palma, compuesto por una hoja beta antiparalela de cuatro hebras con dos hélices alfa , está bien conservado entre todas estas enzimas. En RdRp, el subdominio de la palma comprende tres motivos bien conservados (A, B y C). El motivo A (Dx (4,5) -D) y el motivo C (GDD) están yuxtapuestos espacialmente; los residuos de ácido aspártico de estos motivos están implicados en la unión de Mg 2+ y / o Mn 2+ . El residuo de asparagina del motivo B está involucrado en la selección de trifosfatos de ribonucleósido sobre dNTP y, por lo tanto, determina si se sintetiza ARN en lugar de ADN. [13] La organización del dominio [14] y la estructura 3D del centro catalítico de una amplia gama de RdRps, incluso aquellos con una homología de secuencia general baja, se conservan. El centro catalítico está formado por varios motivos que contienen varios residuos de aminoácidos conservados.
La interferencia de ARN eucariota requiere una ARN polimerasa dependiente de ARN celular (c RdRp). A diferencia de las polimerasas "manuales", se asemejan a las ARN polimerasas simplificadas de múltiples subunidades dependientes de ADN (DdRP), específicamente en las subunidades catalíticas β / β ', en el sentido de que utilizan dos conjuntos de barriles β de doble psi en el sitio activo. QDE1 ( Q9Y7G6 ) en Neurospora crassa , que tiene ambos barriles en la misma cadena, [15] es un ejemplo de dicha enzima. [16] Los homólogos de bacteriófagos , incluido el DdRp yonO de cadena sencilla similar ( O31945 ), parecen estar más cerca de las c RdRps que las DdRP. [5] [17]
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En virus
Hay 4 superfamilias de virus que cubren todos los virus que contienen ARN sin etapa de ADN:
- Virus que contienen ARN de cadena positiva o ARN de doble cadena, excepto retrovirus y Birnaviridae
- Todos los virus eucariotas de ARN de cadena positiva sin etapa de ADN
- Todos los bacteriófagos que contienen ARN ; Hay dos familias de bacteriófagos que contienen ARN: Leviviridae (fagos ssRNA positivos) y Cystoviridae (fagos dsRNA).
- dsRNA virus familia Reoviridae , Totiviridae , Hypoviridae , Partitiviridae
- Mononegavirales (virus de ARN de cadena negativa con genomas no segmentados; InterPro : IPR016269 )
- Virus de ARN de cadena negativa con genomas segmentados ( InterPro : IPR007099 ), como ortomixovirus y bunyavirus
- Familia Birnaviridae del virus del ARNdc ( InterPro : IPR007100 )
La transcripción de ARN es similar a [ ¿cómo? ] pero no lo mismo que la replicación del ADN.
Los flavivirus producen una poliproteína del genoma del ssRNA. La poliproteína se escinde en varios productos, uno de los cuales es NS5, una ARN polimerasa dependiente de ARN. Esta ARN polimerasa dirigida por ARN posee varias regiones cortas y motivos homólogos a otras ARN polimerasas dirigidas por ARN. [18]
La RNA replicasa que se encuentra en los virus ssRNA de hebra positiva están relacionados entre sí, formando tres grandes superfamilias. [19] La RNA replicasa de Birnaviral es única porque carece del motivo C (GDD) en la palma. [20] RdRp mononegaviral (PDB 5A22) se ha clasificado automáticamente como similar a (+) - ssRNA RdRps, específicamente uno de Pestivirus y uno de Leviviridae . [21] El monómero Bunyaviral RdRp (PDB 5AMQ) se asemeja al complejo heterotrimérico de Ortomyxoviral (Influenza; PDB 4WSB) RdRp. [22]
Dado que es una proteína universal para los virus que contienen ARN, RdRp es un marcador útil para comprender su evolución. [23] Se ha revisado la evolución estructural general de las RdRps virales. [24]
Recombinación
Al replicar su genoma (+) ssRNA , el poliovirus RdRp es capaz de llevar a cabo la recombinación . La recombinación parece ocurrir por un mecanismo de elección de copia en el que RdRp cambia las plantillas de ARNm (+) durante la síntesis de la hebra negativa. [25] La frecuencia de recombinación está determinada en parte por la fidelidad de la replicación de RdRp. [26] Las variantes de RdRp con alta fidelidad de replicación muestran una recombinación reducida, y las RdRps de baja fidelidad exhiben una mayor recombinación. [26] La recombinación por cambio de hebra de RdRp también ocurre con frecuencia durante la replicación en los carmovirus de plantas (+) ssRNA y tombusvirus . [27]
Complementación intragénica
El virus Sendai (familia Paramyxoviridae ) tiene un genoma de ARN lineal, monocatenario, de sentido negativo y no segmentado. La RdRp viral consta de dos subunidades codificadas por virus, una P más pequeña y una L más grande. Cuando se probaron diferentes mutantes RdRp inactivos con defectos en toda la longitud de la subunidad L en combinaciones por pares, se observó restauración de la síntesis de ARN viral en algunos casos. combinaciones. [28] Esta interacción LL positiva se conoce como complementación intragénica e indica que la proteína L es un oligómero en el complejo de ARN polimerasa viral.
Terapias farmacológicas
Las RdRps pueden usarse como dianas farmacológicas para patógenos virales ya que su función no es necesaria para la supervivencia eucariota. Al inhibir la función de la ARN polimerasa dependiente de ARN, los ARN nuevos no se pueden replicar a partir de una hebra molde de ARN; sin embargo, la ARN polimerasa dependiente de ADN seguirá siendo funcional.
Actualmente existen medicamentos antivirales contra la hepatitis C y COVID-19 que se dirigen específicamente a RdRp. Estos incluyen sofosbuvir y ribavirina contra la hepatitis C [29] y Remdesivir , el único fármaco aprobado por la FDA contra COVID-19.
El trifosfato GS-441524 es un sustrato para RdRp, pero no polimerasas de mamíferos. Da como resultado la terminación prematura de la cadena y la inhibición de la replicación viral. El trifosfato GS-441524 es la forma biológicamente activa del profármaco de fosfato Remdesivir . Remdesivir se clasifica como un análogo de nucleótidos en el que actúa para inhibir la función de RdRp uniéndose covalentemente e interrumpiendo la terminación del ARN naciente a través de la terminación temprana o retardada o previniendo el alargamiento adicional del polinucleótido de ARN. [30] [31] Esta terminación temprana conduce a un ARN no funcional que se degradará a través de los procesos celulares normales.
Interferencia de ARN
El uso de ARN polimerasa dependiente de ARN juega un papel importante en la interferencia de ARN en eucariotas, un proceso utilizado para silenciar la expresión génica a través de pequeños ARN de interferencia ( ARNip ) que se unen al ARNm volviéndolos inactivos. [32] RdRp eucariota se activa en presencia de dsRNA, sin embargo, RdRp sólo está presente en un subconjunto selecto de eucariotas, incluyendo C. elegans y P. tetraurelia . [33] Esta presencia de dsRNA desencadena la activación de los procesos RdRp y RNAi al cebar el inicio de la transcripción del RNA mediante la introducción de siRNA en el sistema. [33] En C. elegans , los ARNip se integran en el complejo de silenciamiento inducido por ARN, RISC , que trabaja junto con los ARNm dirigidos a la interferencia para reclutar más RdRps para sintetizar más ARNip secundarios y reprimir la expresión génica. [34]
Ver también
- Monstruo de Spiegelman
- Inhibidor de NS5B
Notas
- ^ Ver clan Pfam para otras familias (+) ssRNA / dsRNA.
- ^ A (-) ssRNA polimerasa.
Referencias
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enlaces externos
- RNA + Replicasa en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
- EC 2.7.7.48