Los humanos poseen seis formas de la proteína actina, que realizan funciones esenciales en el cuerpo. Dos en particular, la β-actina y la γ-actina, son casi idénticas, solo difieren en cuatro aminoácidos. Sin embargo, estas proteínas casi gemelas cumplenroles distintos. Una pregunta de larga data para los biólogos ha sido, ¿cómo es esto posible?
"Es un misterio que se ha debatido en el campo durante los últimos 40 años", dijo Anna Kashina, profesora de bioquímica en la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de Pennsylvania.
Los nuevos hallazgos de Kashina y sus colegas han señalado una respuesta sorprendente. Las diferentes funciones de estas proteínas no están determinadas por sus secuencias de aminoácidos sino por su código genético.
"Nos gusta llamarlo 'código silencioso'", dijo Kashina. "Nuestros hallazgos muestran que las partes de los genes que consideramos silenciosas en realidad codifican información funcional muy clave".
Los investigadores encontraron que estas diferencias "silenciosas" en la secuencia de nucleótidos parecen influir en la densidad de los ribosomas, las máquinas moleculares que traducen el ARN en proteínas. Estas diferencias pueden permitir que cada forma de actina individual tome un papel diferente en la célula.
Kashina es coautora del trabajo, publicado en la revista eLife , con Pavan Vedula de Penn Vet, Satoshi Kurosaka, Nicolae Adrian Leu, Junling Wang, Stephanie Sterling y Dawei Dong y Yuri I. Wolf y Svetlana A. Shabalina de los Institutos Nacionales de Salud.
La actina es tan ubicua y esencial que se conoce como "proteína de limpieza". Es la proteína más abundante en la mayoría de las células, y sus diferentes formas juegan un papel durante la migración celular, la contracción muscular y el desarrollo. Durante un tiempo, los científicos pensaron que las diferenteslos formularios eran funcionalmente redundantes, existían solo para servir como copias de seguridad en caso de que un formulario tuviera un defecto.
Más recientemente, los investigadores han llegado a comprender que las formas no son redundantes; algunas se localizan en diferentes partes de las células, algunas se incorporan a diferentes partes del citoesqueleto. Y cuando se manipulan estas proteínas, los resultados también son diferentes.
Cuando falta la β-actina, por ejemplo, los ratones mueren en una etapa temprana del desarrollo embrionario. Pero los ratones que carecen de γ-actina, aunque generalmente son más pequeños de lo normal y sordos, pueden sobrevivir hasta la edad adulta.
En un informe de 2010 en Science, el grupo de Kashina dio un paso hacia la comprensión de lo que determina estas diferencias. Al observar una modificación de la proteína que normalmente solo existe en la β-actina, descubrieron que la razón no estaba presente en γ-actina se debió a variaciones en la secuencia de codificación entre los dos genes de actina.
"Queríamos construir sobre esto", dijo Kashina, "y decidimos probar la hipótesis, '¿Qué pasa si sus diferencias funcionales no tienen nada que ver con su secuencia de aminoácidos; y si todo está en los genes?'"
Los investigadores aprovecharon la edición de precisión del gen posible gracias al sistema CRISPR / Cas-9. Si bien las dos isoformas de actina difieren solo en cuatro aminoácidos, sus secuencias de codificación de ARNm difieren en casi un 13 por ciento debido a diferencias de nucleótidos "silenciosas"que sin embargo codifican los mismos aminoácidos. Al hacer cambios a solo cinco nucleótidos en el gen de la β-actina, pudieron transformarlo para que su salida de aminoácidos fuera exactamente igual a la proteína de la γ-actina. Todo eso lo distinguiríaserían las sustituciones silenciosas de nucleótidos.
La edición del gen funcionó. Los ratones con estas ediciones no tenían proteína β-actina. Pero a diferencia de los verdaderos knockouts de β-actina, eran completamente sanos y viables, como si tuvieran las proporciones adecuadas de proteínas β-actina y γ-actina.Sobrevivieron para reproducirse y promediaron los mismos tamaños de camada que los animales normales.
Los investigadores realizaron el mismo experimento, editando el gen de la γ-actina para codificar la proteína β-actina, pero solo pudieron cambiar la secuencia de codificación de tres de los cuatro aminoácidos. Sin embargo, los ratones sujetos a este reemplazo parcial también parecían normalesy saludable, a pesar de la falta de proteína γ-actina.
En los experimentos de seguimiento, el equipo de Kashina descubrió que las proteínas γ-actina elaboradas a partir del gen editado de β-actina formaron un citoesqueleto normal y permitieron a las células migrar de manera normal.
"Si solo la secuencia de nucleótidos es importante para la función de la proteína, entonces a los ratones no les debería importar qué proteína tienen", dijo Kashina. "Y a los ratones no les importó".
Al obtener un mecanismo sobre cómo la secuencia de ADN podría influir en la función de la proteína, los investigadores descubrieron que la densidad de ribosomas en el ARN de β-actina es más de mil veces mayor que en el ARN de γ-actina, y de hecho, los seis genes de actina tenían diferencias en el ribosomadensidad.
"Esto sugiere que la β-actina podría traducirse en proteínas quizás mil veces más rápido que la γ-actina", dijo Kashina.
Y curiosos sobre cuán extendido podría ser este fenómeno, los investigadores buscaron familias de proteínas con miembros casi idénticos que están codificados por diferentes genes y tenían variaciones significativas en la densidad de ribosomas en toda la familia. Encontraron muchos grupos que se compartían entre ratones,pez cebra y genomas humanos.
"Creemos que esta forma de regulación funcional es un fenómeno global", dijo Kashina, y es uno que su laboratorio continuará investigando.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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