Los científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Carolina del Norte han desarrollado un método poderoso para explorar las propiedades de moléculas misteriosas llamadas ARN no codificantes largos lncRNA, algunas de las cuales tienen un papel importante en el cáncer y otras afecciones graves. Hasta ahora,los científicos han carecido de los métodos adecuados para identificar las funciones de las decenas de miles de lncRNA diferentes producidos en las células humanas. Hasta ahora han caracterizado solo unos pocos cientos de estas moléculas, una pequeña parte de la vasta terra incognita que representan.
Publicado en Genética de la naturaleza , los científicos de UNC descubrieron un código oculto que relaciona la composición molecular de los lncRNA con lo que realmente hacen, y los investigadores desarrollaron un algoritmo para categorizar rápidamente los lncRNA por sus posibles funciones.
"Los ARN largos no codificantes son parte de lo que podríamos llamar la 'materia oscura' del genoma, y esta herramienta que hemos desarrollado debería ayudarnos a comprender mucho mejor cómo funcionan en la salud y la enfermedad", dijo el autor principal del estudio.Mauro Calabrese, PhD, profesor asistente de farmacología y miembro del UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center.
La información genética en animales y plantas se almacena en el ADN, y las células hacen uso de esa información genética al transcribir el ADN en moléculas estrechamente relacionadas conocidas como ARN. Muchos ARN se traducen en proteínas. Pero los científicos en las últimas décadas han sidoforzado a tener en cuenta el hecho de que menos del 2 por ciento del genoma se utiliza de esa manera. La mayor parte del ADN se transcribe en ARN que no codifican proteínas. Estos se denominan ARN no codificantes, y los de más de 200 nucleótidos de longitud sonclasificados como ARN largos no codificantes.
Muchos de estos ARN se unen a proteínas u otras moléculas para activar o desactivar genes y así regular los procesos celulares. Uno de los ARNnc más conocidos se llama Xist, que es importante para el desarrollo normal en las mujeres. Niveles altos de otro llamado MALAT,se han relacionado con cánceres más agresivos y metastásicos. En general, los biólogos están seguros de que muchos lncRNA tienen funciones reguladoras clave cuya alteración contribuye a la enfermedad. Hasta ahora, sin embargo, han caracterizado las funciones de solo una pequeña fracción de los muchos miles delncRNA que se cree que existen en células de mamíferos.
Una razón por la que los biólogos han tardado en comprender lo que hacen estas moléculas es que la función de un lncRNA no es evidente cuando se estudia cómo se forma a partir de su secuencia de componentes básicos de nucleótidos. A menudo, dos lncRNA con funciones similares parecen tener muy diferentessecuencias.
Calabrese y su equipo, incluido el primer autor Jessime Kirk y Peter Mucha, PhD, profesor de matemáticas y ciencias físicas aplicadas en la Facultad de Artes y Ciencias de la UNC, intentaron descifrar la relación, de otro modo oscura, entre la secuencia y la función del lncRNA. Comenzaron condos pistas clave: en primer lugar, existe evidencia de que los lncRNA funcionan principalmente uniéndose a proteínas. En segundo lugar, los RNA se conectan a proteínas utilizando secuencias cortas dentro de sus estructuras generales.
"Razonamos que la presencia de secuencias de unión a proteínas en un lncRNA sería más importante que su posición relativa dentro del lncRNA", dijo Calabrese. "Esta noción terminó siendo cierta y nos permitió tener éxito donde los enfoques más tradicionales hanha fallado."
El equipo desarrolló un método basado en computadora llamado SEEKR para encontrar y comparar secuencias de unión a proteínas que llamaron "kmers" en lncRNA, independientemente de las ubicaciones precisas de los kmers. El equipo descubrió que aproximadamente la mitad de todos los lncRNA de humanos y ratones podrían seragrupados en cinco comunidades diferentes, según las similitudes en su contenido de kmer. El enfoque basado en kmer también podría ayudar a predecir dónde se encuentran normalmente los lncRNAs dentro de las células y a qué tipos de proteínas se unen.
"Ahora podemos tomar información de secuencia de un lncRNA bien estudiado y usarlo para descubrir lncRNA que pueden estar funcionando a través de un mecanismo relacionado. En cierto modo, es como poder finalmente comprender los diferentes scripts en Rosetta Stone."Dijo Calabrese.
Sorprendentemente, el equipo descubrió que las comunidades con contenido kmer eran a menudo muy similares entre especies. Las comunidades de ARNc de ratón y de humanos se parecían mucho entre sí, pero algunas comunidades de ARNc de mamíferos tenían contrapartes claras incluso entre animales parientes lejanos. Una comunidad de ARNc de mamíferos, representada porun lncRNA llamado HOTTIP, parecía tener comunidades primo de lncRNA en otros vertebrados e incluso en erizos de mar.
"En términos de contenido de kmer, los subconjuntos de lncRNA humanos pueden ser más similares a los lncRNA de especies evolutivamente distantes que a otros lncRNA humanos", dijo Calabrese. "Esto apoya la idea de que los grupos de lncRNA tienen funciones similares en diferentes organismosa pesar de carecer de similitud de secuencia lineal obvia ".
En la prueba final de su concepto, los científicos sintetizaron lncRNA completamente artificiales, diseñándolos para incluir kmers encontrados en Xist, mientras se aseguraban de que las secuencias generales de las moléculas fueran diferentes a las de cualquier lncRNA conocido. Aplicaron su algoritmo SEEKR a estoslncRNA artificiales y descubrió que aquellos con la mayor similitud funcional prevista con Xist tenían la mayor similitud funcional real en una simple prueba de probeta de actividad similar a Xist.
Calabrese y sus colegas ahora esperan utilizar su enfoque basado en kmer para guiar el descubrimiento y estudio de lncRNA importantes en enfermedades como el cáncer. También esperan refinar sus métodos para predecir mejor las funciones de lncRNA a partir de la información de su secuencia.
"Nuestros genomas producen tantos lncRNA, y ahora tenemos una idea mucho mejor de cómo observar las secuencias de estas moléculas para predecir cuáles están haciendo cosas importantes en nuestras células", dijo Calabrese.
La financiación para el estudio fue proporcionada por los Institutos Nacionales de Salud GM121806, GM105785, UL1TR002489, R35 GM122532, la Fundación March of Dimes, el Instituto Eshelman para la Innovación, el Centro Integral del Cáncer Lineberger de la UNC, el Departamento de Farmacología de la UNC,y la Iniciativa Científica del Siglo XXI de la Fundación James S. McDonnell.
Otros autores fueron Susan Kim, Kaoru Inoue, PhD, Matthew Smola, PhD, David Lee, Megan Schertzer, Joshua Wooten, Allison Baker, Daniel Sprague, David Collins, Christopher Horning, Shuo Wang, Qidi Chen y Keven Weeks, PhD. Todos estaban en UNC-Chapel Hill cuando se realizó esta investigación.
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Materiales proporcionado por Atención médica de la Universidad de Carolina del Norte . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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