ARN mensajero

En biología molecular, el ácido ribonucleico mensajero ( ARNm ) es una molécula de ARN monocatenario que corresponde a la secuencia genética de un gen, y es leído por un ribosoma en el proceso de síntesis de una proteína.

El ARNm se crea durante el proceso de transcripción, donde una enzima (ARN polimerasa) convierte el gen en ARNm de transcripción primaria (también conocido como pre-ARNm). Este pre-ARNm generalmente todavía contiene intrones, regiones que no codificarán la secuencia final de aminoácidos. Estos se eliminan en el proceso de empalme de ARN, dejando solo exones, regiones que codificarán la proteína. Esta secuencia de exón constituye el ARNm maduro. Luego, el ribosoma lee el ARNm maduro y, utilizando los aminoácidos transportados por el ARN de transferencia (ARNt), el ribosoma crea la proteína. Este proceso se conoce como traducción. Todos estos procesos forman parte del dogma central de la biología molecular, que describe el flujo de información genética en un sistema biológico.

Al igual que en el ADN, la información genética en el ARNm está contenida en la secuencia de nucleótidos, que se organizan en codones que constan de tres ribonucleótidos cada uno. Cada codón codifica un aminoácido específico, excepto los codones de terminación, que terminan la síntesis de proteínas. La traducción de codones en aminoácidos requiere otros dos tipos de ARN: el ARN de transferencia, que reconoce el codón y proporciona el aminoácido correspondiente, y el ARN ribosómico (ARNr), el componente central de la maquinaria de fabricación de proteínas del ribosoma.

La idea del ARNm fue concebida por primera vez por Sydney Brenner y Francis Crick el 15 de abril de 1960 en el King's College de Cambridge, mientras François Jacob les contaba sobre un experimento reciente realizado por Arthur Pardee, él mismo y Jacques Monod. Con el apoyo de Crick, Brenner y Jacob inmediatamente se dispusieron a probar esta nueva hipótesis y contactaron a Matthew Meselson en el Instituto de Tecnología de California. Durante el verano de 1960, Brenner, Jacob y Meselson realizaron un experimento en el laboratorio de Meselson en Caltech que estableció la existencia del ARNm. Ese otoño, Jacob y Monod acuñaron el nombre de "ARN mensajero" y desarrollaron el primer marco teórico para explicar su función.En febrero de 1961, James Watson reveló que su grupo de investigación estaba justo detrás de ellos con un experimento similar en aproximadamente la misma dirección; Brenner y los demás aceptaron la solicitud de Watson de retrasar la publicación de los resultados de su investigación. Como resultado, los artículos de Brenner y Watson se publicaron simultáneamente en el mismo número de Nature en mayo de 1961, mientras que ese mismo mes, Jacob y Monod publicaron su marco teórico para el ARNm en el Journal of Molecular Biology.

Síntesis, procesamiento y función.

La breve existencia de una molécula de ARNm comienza con la transcripción y finalmente termina con la degradación. Durante su vida, una molécula de ARNm también puede procesarse, editarse y transportarse antes de la traducción. Las moléculas de ARNm eucariotas a menudo requieren un procesamiento y transporte extensos, mientras que las moléculas de ARNm procariotas no. Una molécula de ARNm eucariótico y las proteínas que la rodean se denominan en conjunto RNP mensajero.

Transcripción

La transcripción es cuando el ARN se copia del ADN. Durante la transcripción, la ARN polimerasa hace una copia de un gen del ADN al ARNm según sea necesario. Este proceso difiere ligeramente en eucariotas y procariotas. Una diferencia notable es que la ARN polimerasa procariótica se asocia con enzimas de procesamiento de ADN durante la transcripción para que el procesamiento pueda continuar durante la transcripción. Por lo tanto, esto hace que la nueva cadena de ARNm se convierta en doble cadena al producir una cadena complementaria conocida como cadena de ARNt, que cuando se combinan no pueden formar estructuras a partir del apareamiento de bases. Además, la plantilla para el ARNm es la hebra complementaria del ARNt, que es idéntica en secuencia a la secuencia del anticodón a la que se une el ADN. El producto de vida corta, sin procesar o parcialmente procesado se denomina ARNm precursor, opre-ARNm ; una vez procesado por completo, se denomina ARNm maduro.

Procesamiento de pre-ARNm eucariótico

El procesamiento del ARNm difiere mucho entre eucariotas, bacterias y arqueas. El ARNm no eucariótico es, en esencia, maduro tras la transcripción y no requiere procesamiento, excepto en casos raros. Sin embargo, el pre-ARNm eucariótico requiere varios pasos de procesamiento antes de su transporte al citoplasma y su traducción por el ribosoma.

Empalme

El extenso procesamiento del pre-ARNm eucariótico que conduce al ARNm maduro es el empalme del ARN, un mecanismo por el cual se eliminan los intrones o los outrones (regiones no codificantes) y se unen los exones (regiones codificantes).

Adición de tapa de 5'

Un casquete 5' (también denominado casquete de ARN, casquete de 7-metilguanosina de ARN o casquete de ARN m G) es un nucleótido de guanina modificado que se ha agregado al extremo "frontal" o 5' de un ARN mensajero eucariótico poco después el comienzo de la transcripción. El casquete 5' consta de un residuo terminal de 7-metilguanosina que está unido a través de un enlace 5'-5'-trifosfato al primer nucleótido transcrito. Su presencia es fundamental para el reconocimiento por parte del ribosoma y la protección frente a las RNasas.

La adición de cap está acoplada a la transcripción y ocurre co-trancripcionalmente, de modo que cada uno influye en el otro. Poco después del comienzo de la transcripción, el extremo 5' del ARNm que se sintetiza se une a un complejo de síntesis de casquete asociado con la ARN polimerasa. Este complejo enzimático cataliza las reacciones químicas que se requieren para la protección del ARNm. La síntesis procede como una reacción bioquímica de varios pasos.

Edición

En algunos casos, se editará un ARNm, cambiando la composición de nucleótidos de ese ARNm. Un ejemplo en humanos es el ARNm de la apolipoproteína B, que se edita en algunos tejidos, pero no en otros. La edición crea un codón de parada temprano que, tras la traducción, produce una proteína más corta.

Poliadenilación

La poliadenilación es el enlace covalente de un resto poliadenililo a una molécula de ARN mensajero. En los organismos eucariotas, la mayoría de las moléculas de ARN mensajero (ARNm) están poliadeniladas en el extremo 3', pero estudios recientes han demostrado que también son comunes tramos cortos de uridina (oligouridilación). La cola de poli(A) y la proteína unida a ella ayudan a proteger el ARNm de la degradación por exonucleasas. La poliadenilación también es importante para la terminación de la transcripción, la exportación del ARNm desde el núcleo y la traducción. El ARNm también se puede poliadenilar en organismos procarióticos, donde las colas de poli(A) actúan para facilitar, en lugar de impedir, la degradación exonucleolítica.

La poliadenilación se produce durante y/o inmediatamente después de la transcripción del ADN en ARN. Una vez terminada la transcripción, la cadena de ARNm se escinde mediante la acción de un complejo de endonucleasa asociado con la ARN polimerasa. Una vez que se ha escindido el ARNm, se añaden alrededor de 250 residuos de adenosina al extremo 3' libre en el sitio de escisión. Esta reacción es catalizada por poliadenilato polimerasa. Al igual que en el empalme alternativo, puede haber más de una variante de poliadenilación de un ARNm.

También se producen mutaciones en el sitio de poliadenilación. La transcripción primaria de ARN de un gen se escinde en el sitio de adición de poli-A y se agregan 100 a 200 A al extremo 3' del ARN. Si se altera este sitio, se formará una construcción de ARNm anormalmente larga e inestable.

Transporte

Otra diferencia entre eucariotas y procariotas es el transporte de ARNm. Debido a que la transcripción y la traducción eucariotas están separadas por compartimentos, los ARNm eucariotas deben exportarse desde el núcleo al citoplasma, un proceso que puede estar regulado por diferentes vías de señalización. Los ARNm maduros se reconocen por sus modificaciones procesadas y luego se exportan a través del poro nuclear uniéndose a las proteínas de unión a cap CBP20 y CBP80, así como al complejo de transcripción/exportación (TREX). Se han identificado múltiples vías de exportación de ARNm en eucariotas.

En células espacialmente complejas, algunos ARNm se transportan a destinos subcelulares particulares. En las neuronas maduras, ciertos ARNm se transportan desde el soma hasta las dendritas. Un sitio de traducción de ARNm está en los polirribosomas localizados selectivamente debajo de las sinapsis. El ARNm de Arc/Arg3.1 es inducido por la actividad sináptica y se localiza selectivamente cerca de las sinapsis activas según las señales generadas por los receptores NMDA. Otros ARNm también se mueven hacia las dendritas en respuesta a estímulos externos, como el ARNm de β-actina. Tras la exportación desde el núcleo, el ARNm de actina se asocia con ZBP1 y la subunidad 40S. El complejo se une a una proteína motora y se transporta al lugar de destino (extensión de la neurita) a lo largo del citoesqueleto. Finalmente, ZBP1 es fosforilado por Src para que se inicie la traducción.En las neuronas en desarrollo, los ARNm también se transportan a los axones en crecimiento y especialmente a los conos de crecimiento. Muchos ARNm están marcados con los llamados "códigos postales", que apuntan a su transporte a una ubicación específica.

Traducción

Debido a que el mRNA procariótico no necesita ser procesado o transportado, la traducción por el ribosoma puede comenzar inmediatamente después del final de la transcripción. Por lo tanto, se puede decir que la traducción procariótica está acoplada a la transcripción y ocurre co-trancripcionalmente.

El ARNm eucariótico que ha sido procesado y transportado al citoplasma (es decir, ARNm maduro) puede luego ser traducido por el ribosoma. La traducción puede ocurrir en los ribosomas que flotan libremente en el citoplasma, o dirigidos al retículo endoplásmico por la partícula de reconocimiento de señales. Por lo tanto, a diferencia de los procariotas, la traducción eucariota no está directamente acoplada a la transcripción. Incluso es posible en algunos contextos que los niveles reducidos de ARNm vayan acompañados de niveles elevados de proteína, como se ha observado para los niveles de ARNm/proteína de EEF1A1 en el cáncer de mama.

Estructura

La estructura de un ARNm eucariótico maduro. Un ARNm completamente procesado incluye una tapa en 5', una UTR en 5', una región codificante, una UTR en 3' y una cola poli(A).

Regiones de codificación

Las regiones codificantes están compuestas por codones, que el ribosoma decodifica y traduce en proteínas; en eucariotas normalmente en uno y en procariotas normalmente en varios. Las regiones codificantes comienzan con el codón de inicio y terminan con un codón de parada. En general, el codón de inicio es un triplete AUG y el codón de finalización es UAG ("ámbar"), UAA ("ocre") o UGA ("ópalo"). Las regiones codificantes tienden a ser estabilizadas por pares de bases internas, esto impide la degradación. Además de codificar proteínas, porciones de regiones codificantes pueden servir como secuencias reguladoras en el pre-ARNm como potenciadores del empalme exónico o silenciadores del empalme exónico.

Regiones sin traducir

Las regiones no traducidas (UTR) son secciones del ARNm antes del codón de inicio y después del codón de terminación que no se traducen, denominadas cinco regiones principales no traducidas (5' UTR) y tres regiones principales no traducidas (3' UTR), respectivamente. Estas regiones se transcriben con la región codificante y, por lo tanto, son exónicas ya que están presentes en el ARNm maduro. Se han atribuido varias funciones en la expresión génica a las regiones no traducidas, incluida la estabilidad del ARNm, la localización del ARNm y la eficiencia de la traducción. La capacidad de una UTR para realizar estas funciones depende de la secuencia de la UTR y puede diferir entre los ARNm. Las variantes genéticas en 3' UTR también se han implicado en la susceptibilidad a la enfermedad debido al cambio en la estructura del ARN y la traducción de proteínas.

La estabilidad de los ARNm puede estar controlada por la UTR 5' y/o la UTR 3' debido a la afinidad variable por las enzimas que degradan el ARN llamadas ribonucleasas y por las proteínas auxiliares que pueden promover o inhibir la degradación del ARN. (Véase también elemento de estabilidad rico en C).

La eficiencia de la traducción, incluida a veces la inhibición completa de la traducción, puede controlarse mediante UTR. Las proteínas que se unen a la UTR 3' o 5' pueden afectar la traducción al influir en la capacidad del ribosoma para unirse al ARNm. Los microARN unidos a la UTR 3' también pueden afectar la eficiencia de la traducción o la estabilidad del ARNm.

Se cree que la localización citoplasmática del ARNm es una función de la UTR 3'. Las proteínas que se necesitan en una región particular de la célula también se pueden traducir allí; en tal caso, la UTR 3' puede contener secuencias que permitan que la transcripción se localice en esta región para su traducción.

Algunos de los elementos contenidos en regiones no traducidas forman una estructura secundaria característica cuando se transcriben en ARN. Estos elementos estructurales del ARNm están implicados en la regulación del ARNm. Algunos, como el elemento SECIS, son objetivos para que se unan las proteínas. Una clase de elemento de ARNm, los riboconmutadores, se unen directamente a moléculas pequeñas, cambiando su plegamiento para modificar los niveles de transcripción o traducción. En estos casos, el ARNm se regula a sí mismo.

Cola de poli (A)

La cola 3' poli(A) es una secuencia larga de nucleótidos de adenina (a menudo varios cientos) añadida al extremo 3' del pre-ARNm. Esta cola promueve la exportación desde el núcleo y la traducción, y protege el ARNm de la degradación.

ARNm monocistrónico versus policistrónico

Se dice que una molécula de ARNm es monocistrónica cuando contiene la información genética para traducir solo una cadena de proteína (polipéptido). Este es el caso de la mayoría de los ARNm eucarióticos. Por otro lado, el ARNm policistrónico lleva varios marcos de lectura abiertos (ORF), cada uno de los cuales se traduce en un polipéptido. Estos polipéptidos suelen tener una función relacionada (a menudo son las subunidades que componen una proteína compleja final) y su secuencia de codificación se agrupa y regula en una región reguladora que contiene un promotor y un operador. La mayor parte del ARNm que se encuentra en bacterias y arqueas es policistrónico, al igual que el genoma mitocondrial humano. El ARNm dicistrónico o bicistrónico codifica solo dos proteínas.

Circularización de ARNm

En eucariotas, las moléculas de ARNm forman estructuras circulares debido a una interacción entre eIF4E y la proteína de unión a poli(A), que se unen a eIF4G, formando un puente ARNm-proteína-ARNm. Se cree que la circularización promueve el ciclo de los ribosomas en el ARNm que conduce a una traducción eficiente en el tiempo, y también puede funcionar para garantizar que solo se traduzca el ARNm intacto (el ARNm parcialmente degradado característicamente no tiene tapa m7G ni cola poli-A).

Existen otros mecanismos para la circularización, particularmente en el ARNm de virus. El ARNm del poliovirus utiliza una sección en forma de trébol hacia su extremo 5' para unirse a PCBP2, que se une a la proteína de unión a poli(A), formando el círculo familiar ARNm-proteína-ARNm. El virus del enanismo amarillo de la cebada se une entre los segmentos de ARNm en su extremo 5 'y 3' (llamados bucles de tallo que se besan), circularizando el ARNm sin ninguna proteína involucrada.

Los genomas de virus de ARN (cuyas cadenas + se traducen como ARNm) también se circularizan comúnmente. Durante la replicación del genoma, la circularización actúa para mejorar las velocidades de replicación del genoma, ciclando la ARN polimerasa dependiente de ARN viral de manera muy similar a como se supone que cicla el ribosoma.

Degradación

Diferentes ARNm dentro de la misma célula tienen distintas vidas (estabilidades). En las células bacterianas, los ARNm individuales pueden sobrevivir desde unos segundos hasta más de una hora. Sin embargo, el promedio de vida útil es de 1 a 3 minutos, lo que hace que el ARNm bacteriano sea mucho menos estable que el ARNm eucariótico. En las células de mamíferos, la vida útil del ARNm oscila entre varios minutos y días. Cuanto mayor sea la estabilidad de un ARNm, más proteína se puede producir a partir de ese ARNm. El tiempo de vida limitado del ARNm permite que una célula altere la síntesis de proteínas rápidamente en respuesta a sus necesidades cambiantes. Existen muchos mecanismos que conducen a la destrucción de un ARNm, algunos de los cuales se describen a continuación.

Degradación de ARNm procariótico

En general, en procariotas el tiempo de vida del ARNm es mucho más corto que en eucariotas. Los procariotas degradan los mensajes mediante el uso de una combinación de ribonucleasas, incluidas endonucleasas, 3' exonucleasas y 5' exonucleasas. En algunos casos, las moléculas pequeñas de ARN (ARNs) de decenas a cientos de nucleótidos de largo pueden estimular la degradación de ARNm específicos mediante el apareamiento de bases con secuencias complementarias y facilitando la escisión de la ribonucleasa por parte de la ARNasa III. Recientemente se demostró que las bacterias también tienen una especie de capuchón en 5' que consta de un trifosfato en el extremo 5'. La eliminación de dos de los fosfatos deja un monofosfato en 5', lo que hace que el mensaje sea destruido por la exonucleasa RNasa J, que degrada 5' a 3'.

Recambio de ARNm eucariótico

Dentro de las células eucariotas, existe un equilibrio entre los procesos de traducción y la descomposición del ARNm. Los mensajes que se traducen activamente están unidos por ribosomas, los factores de iniciación eucarióticos eIF-4E y eIF-4G y la proteína de unión a poli(A). eIF-4E y eIF-4G bloquean la enzima desoperculadora (DCP2) y la proteína de unión a poli(A) bloquea el complejo de exosomas, protegiendo los extremos del mensaje. El equilibrio entre la traducción y la descomposición se refleja en el tamaño y la abundancia de estructuras citoplasmáticas conocidas como cuerpos P.La cola poli(A) del ARNm se acorta mediante exonucleasas especializadas que se dirigen a ARN mensajeros específicos mediante una combinación de secuencias reguladoras en cis en el ARN y proteínas de unión al ARN que actúan en trans. Se cree que la eliminación de la cola de poli (A) interrumpe la estructura circular del mensaje y desestabiliza el complejo de unión de la tapa. A continuación, el mensaje está sujeto a degradación por el complejo de exosomas o el complejo de decapado. De esta forma, los mensajes inactivos traduccionalmente pueden destruirse rápidamente, mientras que los mensajes activos permanecen intactos. El mecanismo por el cual la traducción se detiene y el mensaje se entrega a los complejos de descomposición no se comprende en detalle.

Desintegración de elementos ricos en AU

La presencia de elementos ricos en AU en algunos ARNm de mamíferos tiende a desestabilizar esos transcritos mediante la acción de proteínas celulares que se unen a estas secuencias y estimulan la eliminación de la cola de poli(A). Se cree que la pérdida de la cola poli(A) promueve la degradación del ARNm al facilitar el ataque tanto del complejo del exosoma como del complejo de decapado. La degradación rápida del ARNm a través de elementos ricos en AU es un mecanismo crítico para prevenir la sobreproducción de citoquinas potentes como el factor de necrosis tumoral (TNF) y el factor estimulante de colonias de granulocitos y macrófagos (GM-CSF). Los elementos ricos en AU también regulan la biosíntesis de factores de transcripción protooncogénicos como c-Jun y c-Fos.

Decaimiento mediado por tonterías

Los mensajes eucarióticos están sujetos a vigilancia por descomposición mediada por tonterías (NMD), que verifica la presencia de codones de parada prematuros (codones sin sentido) en el mensaje. Estos pueden surgir a través de empalmes incompletos, recombinación V(D)J en el sistema inmunitario adaptativo, mutaciones en el ADN, errores de transcripción, exploración con fugas por parte del ribosoma que provoca un cambio de marco y otras causas. La detección de un codón de parada prematuro desencadena la degradación del ARNm mediante la eliminación de la tapa 5', la eliminación de la cola poli(A) 3' o la escisión endonucleolítica.

Pequeño ARN de interferencia (siRNA)

En los metazoos, los pequeños ARN de interferencia (siARN) procesados ​​por Dicer se incorporan a un complejo conocido como complejo de silenciamiento inducido por ARN o RISC. Este complejo contiene una endonucleasa que escinde perfectamente los mensajes complementarios a los que se une el siRNA. Los fragmentos de ARNm resultantes luego son destruidos por exonucleasas. El siRNA se usa comúnmente en laboratorios para bloquear la función de genes en cultivos celulares. Se cree que forma parte del sistema inmunitario innato como defensa contra los virus de ARN de doble cadena.

MicroARN (miARN)

Los microARN (miARN) son ARN pequeños que típicamente son parcialmente complementarios a las secuencias en los ARN mensajeros de los metazoos. La unión de un miARN a un mensaje puede reprimir la traducción de ese mensaje y acelerar la eliminación de la cola de poli(A), lo que acelera la degradación del ARNm. El mecanismo de acción de los miARN es objeto de investigación activa.

Otros mecanismos de descomposición

Hay otras formas en que los mensajes pueden degradarse, incluido el decaimiento continuo y el silenciamiento por el ARN que interactúa con Piwi (piRNA), entre otros.

Aplicaciones

La administración de una secuencia de ARN mensajero modificada con nucleósidos puede hacer que una célula produzca una proteína, que a su vez podría tratar directamente una enfermedad o podría funcionar como una vacuna; más indirectamente, la proteína podría impulsar a una célula madre endógena a diferenciarse de la forma deseada.

Los desafíos principales de la terapia con ARN se centran en entregar el ARN a las células apropiadas. Los desafíos incluyen el hecho de que las secuencias de ARN desnudo se degradan naturalmente después de la preparación; pueden hacer que el sistema inmunitario del cuerpo los ataque como invasores; y son impermeables a la membrana celular. Una vez dentro de la célula, deben abandonar el mecanismo de transporte de la célula para actuar dentro del citoplasma, que alberga los ribosomas necesarios.

Superando estos desafíos, el ARNm como agente terapéutico se presentó por primera vez en 1989 "después del desarrollo de una técnica de transfección in vitro ampliamente aplicable". En la década de 1990, se desarrollaron vacunas de ARNm para el cáncer personalizado, basándose en ARNm modificado sin nucleósidos. Las terapias basadas en mRNA continúan siendo investigadas como un método de tratamiento o terapia tanto para el cáncer como para enfermedades inflamatorias autoinmunes, metabólicas y respiratorias. Las terapias de edición de genes como CRISPR también pueden beneficiarse del uso de ARNm para inducir a las células a producir la proteína Cas deseada.

Desde la década de 2010, las vacunas de ARN y otras terapias de ARN se han considerado "una nueva clase de medicamentos". Las primeras vacunas basadas en ARNm recibieron una autorización restringida y fueron implementadas en todo el mundo durante la pandemia de COVID-19 por la vacuna Pfizer-BioNTech COVID-19 y Moderna, por ejemplo.