Los científicos de la Facultad de Medicina de la UNC, la Universidad de Columbia y la Universidad Rockefeller han revelado el funcionamiento interno de una de las máquinas moleculares más fundamentales e importantes en las células.
Los investigadores, en un estudio publicado en ciencia , utilizó experimentos bioquímicos y microscopía crioelectrónica cryo-EM para determinar la estructura atómica de un complejo conjunto de moléculas conocido como la máquina de procesamiento final de tres primos 3 ' de histona mRNA. Esta máquina juega un papel fundamentalen la actividad adecuada y la duplicación del genoma celular y cuando es defectuoso, puede conducir a enfermedades humanas, incluidos cánceres.
Las proteínas histonas se encuentran en todas las plantas y animales, y forman una disposición de "cuentas en una cuerda" donde el ADN en los cromosomas se envuelve alrededor de las cuentas de las histonas. Las histonas aseguran el empaquetamiento eficiente del ADN y ayudan a regular quélos genes se "activan" y se mantienen "desactivados", procesos necesarios para que todas las células funcionen correctamente.
La máquina de procesamiento final de histona mRNA 3 'es responsable de cortar, precisamente en el lugar correcto, la transcripción de ARNm que se copia de un gen de histona y codifica la proteína de histona correspondiente. La máquina desempeña un papel esencial en las células'producción de proteínas de histona, que se produce a niveles altos cada vez que una célula se divide y debe replicar su ADN. La estructura muestra cómo se activa la máquina solo después de que se une al ARNm de histona, evitando la escisión de otros ARN.
"Esta estructura proporciona las primeras ideas atómicas sobre un proceso crítico en las células, y explica muy bien el gran cuerpo de conocimiento actual sobre esta maquinaria", dijo el autor principal Liang Tong, PhD, William R. Kenan, Jr. Profesor de BiologíaDepartamento de Ciencias de la Universidad de Columbia. "La estructura ha sido esperada por los científicos en el campo, y la elegante forma de ánfora de la maquinaria es una ventaja inesperada. La estructura también proporciona información valiosa sobre otras maquinarias de procesamiento de extremo 3 'de ARN, porquecompartir componentes clave con la maquinaria de histonas "
Los estudios recientes de Tong mostraron la maquinaria canónica en una forma inactiva. Entonces, ahora, los científicos tienen una idea de cómo se activa la maquinaria.
"Esta estructura es otra ilustración del notable poder de la nueva técnica cryo-EM", agregó Tong.
La solución de la estructura de este complejo, un logro histórico de la biología molecular, es la culminación de casi 40 años de investigación por parte de varios laboratorios y biólogos moleculares.
"Comencé con el problema del ARNm de histonas y cómo está regulado cuando comencé mi laboratorio como profesor asistente en el Estado de Florida en 1974", dijo el coautor del estudio William Marzluff, PhD, Profesor Distinguido Kenan de Bioquímica y Biofísica enla UNC School of Medicine y el Programa Integrativo en Ciencias Biológicas y del Genoma en UNC-Chapel Hill. "Y esta es ciertamente la contribución más importante que hemos hecho en este campo de investigación hasta ahora".
"Durante mucho tiempo hemos estado estudiando diferentes piezas de esta máquina molecular, pero ahora por primera vez sabemos cómo todas las piezas encajan y funcionan juntas", dijo Zbigniew Dominski, PhD, profesor del Departamento de Bioquímica yBiofísica en la Facultad de Medicina de la UNC, que dirigió el descubrimiento de muchos de los componentes de la máquina. "Es como si alguien abriera el capó de un auto viejo para que al fin pudieras ver cómo se ve y funciona todo el motor, de repenteaprendiendo detalles mecánicos y funcionales inesperados "
Dominski fue co-corresponsal del autor del estudio con Thomas Walz, PhD, Profesor y Jefe de Laboratorio de Microscopía Electrónica de Molecular en la Universidad Rockefeller.
Una cola especial
Cada proteína se produce en un proceso que comienza con un gen. Las enzimas especiales copian o transcriben la información en el gen en forma de ácido ribonucleico ARN, un primo molecular cercano del ADN en el núcleo celular. AUna máquina molecular especial llamada máquina de procesamiento de extremo 3 'debe cortar esa cadena de ARN en el lugar correcto para procesarla en una molécula llamada ARN mensajero ARNm, que migra a la parte principal de la célula y se traduce allí en elproteína final.
Los ARNm para prácticamente todas las proteínas son procesados por un tipo de máquina de procesamiento final 3 ', que los corta en el lugar correcto y les agrega una cola especial. Las transcripciones de histonas en células animales que codifican proteínas de histonas necesarias para la división celular sonprocesado por una máquina diferente, que los corta pero no agrega cola. Y esta es la máquina con la que ahora estamos muy familiarizados debido a este estudio estructural innovador.
"Nadie sabe realmente por qué los ARNm de histonas son diferentes de otros ARNm; es lo que llamamos una pregunta teológica", bromeó Marzluff.
Las máquinas de procesamiento final de ARN 3 'canónico y de histona están compuestas cada una por más de una docena de proteínas individuales y moléculas de ARN. Algunos de estos elementos se encuentran en ambas máquinas, lo que sugiere un origen evolutivo común. Desde la máquina de procesamiento de histona 3'contiene las mismas tres proteínas centrales que la máquina canónica, incluida la proteína que realmente escinde el ARN, el proceso de activación de las dos máquinas es probablemente similar, aunque la forma en que las dos máquinas reconocen sus objetivos de ARN es distinta.
Tong, Dominski, Marzluff y sus colegas lograron ensamblar una versión funcional de la máquina de procesamiento final de histona ARN 3 'a partir de sus 13 proteínas y 2 componentes de ARN, esencialmente en un tubo de ensayo. La máquina se grabó con crio-microscopios electrónicos en el Centro de Biología Estructural de Nueva York NYSBC, y el posterior procesamiento de datos finalmente condujo a una estructura con una resolución casi atómica. El equipo también pudo mutar componentes clave para verificar sus funciones individuales.
El ánfora
La estructura de la máquina se parecía a un ánfora con un mango largo. El análisis crio-EM también reveló cómo la máquina reconoce el ARN de histona y lo corta exactamente en el lugar correcto.
"Detecta dos elementos de la cadena de ARN, y solo cuando están presentes el dispositivo de corte en esta máquina expone sus cuchillas, por así decirlo", dijo Dominski. "No hay aleatoriedad, ni accidente; corta solo lo quese supone que se escinde, y el estudio lo revela maravillosamente ".
Dominski ha estado investigando esta maquinaria de procesamiento de ARN de histonas desde mediados de la década de 1990 y con Marzluff, Tong y otros ha sido responsable de los descubrimientos clave sobre componentes individuales ". Esto es más o menos el final del camino, en lo que respecta aentendiendo cómo funciona esta máquina ", dijo." Hemos resuelto eso con bastante claridad con este estudio, y es una buena sensación ".
Otros autores fueron los primeros autores Yadong Sun de la Universidad de Columbia y Yixiao Zhang de la Universidad Rockefeller, Wei Shen Aik de Columbia y Xiao-Cui Yang de UNC-Chapel Hill. Marzluff es miembro del Centro Integral de Cáncer Lineberger de la UNC.
Los Institutos Nacionales de Salud financiaron esta investigación.
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Materiales proporcionado por Cuidado de la salud de la Universidad de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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