ARN transferente

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El ARN de transferencia o transferente (abreviado ARNt y anteriormente denominado ARNs, por ARN soluble) es una molécula adaptadora compuesta de ARN, típicamente de 76 a 90 nucleótidos de longitud (en eucariotas), que sirve como enlace físico entre el ARNm y la secuencia de aminoácidos. de proteinas El ARN de transferencia (ARNt) hace esto al llevar un aminoácido a la maquinaria de síntesis de proteínas de una célula llamada ribosoma. La complementación de un codón de 3 nucleótidos en un ARN mensajero (ARNm) con un anticodón de 3 nucleótidos del ARNt da como resultado la síntesis de proteínas basada en el código del ARNm. Como tales, los ARNt son un componente necesario de la traducción, la síntesis biológica de nuevas proteínas de acuerdo con el código genético.

Visión de conjunto

Mientras que la secuencia específica de nucleótidos de un ARNm especifica qué aminoácidos se incorporan al producto proteico del gen a partir del cual se transcribe el ARNm, la función del ARNt es especificar qué secuencia del código genético corresponde a qué aminoácido. El mRNA codifica una proteína como una serie de codones contiguos, cada uno de los cuales es reconocido por un tRNA particular. Un extremo del ARNt coincide con el código genético en una secuencia de tres nucleótidos llamada anticodón. El anticodón forma tres pares de bases complementarios con un codón en el ARNm durante la biosíntesis de proteínas.

En el otro extremo del tRNA hay una unión covalente al aminoácido que corresponde a la secuencia del anticodón. Cada tipo de molécula de ARNt se puede unir a un solo tipo de aminoácido, por lo que cada organismo tiene muchos tipos de ARNt. Debido a que el código genético contiene múltiples codones que especifican el mismo aminoácido, hay varias moléculas de ARNt que portan diferentes anticodones que portan el mismo aminoácido.

La unión covalente al extremo 3' del ARNt es catalizada por enzimas denominadas aminoacil ARNt sintetasas. Durante la síntesis de proteínas, los ARNt con aminoácidos adjuntos son entregados al ribosoma por proteínas llamadas factores de elongación, que ayudan en la asociación del ARNt con el ribosoma, la síntesis del nuevo polipéptido y la translocación (movimiento) del ribosoma a lo largo del ARNm. Si el anticodón del ARNt coincide con el ARNm, otro ARNt ya unido al ribosoma transfiere la cadena polipeptídica en crecimiento desde su extremo 3' al aminoácido unido al extremo 3' del ARNt recién entregado, una reacción catalizada por el ribosoma. Una gran cantidad de nucleótidos individuales en una molécula de ARNt pueden modificarse químicamente, a menudo por metilación o desamidación. Estas bases inusuales a veces afectan el tRNA'

Estructura

La estructura del tRNA se puede descomponer en su estructura primaria, su estructura secundaria (generalmente visualizada como la estructura cruzada ) y su estructura terciaria (todos los tRNA tienen una estructura 3D en forma de L similar que les permite encajar en los sitios P ​​y A del ribosoma). La estructura de hoja de trébol se convierte en la estructura 3D en forma de L a través del apilamiento coaxial de las hélices, que es un motivo común de estructura terciaria de ARN. Las longitudes de cada brazo, así como el "diámetro" del bucle, en una molécula de ARNt varían de una especie a otra. La estructura del ARNt consiste en lo siguiente:

Anticodón

Un anticodón es una unidad de tres nucleótidos correspondientes a las tres bases de un codón de ARNm. Cada ARNt tiene una secuencia de triplete de anticodón distinta que puede formar 3 pares de bases complementarias a uno o más codones para un aminoácido. Algunos anticodones se emparejan con más de un codón debido al emparejamiento de bases oscilantes. Con frecuencia, el primer nucleótido del anticodón no se encuentra en el ARNm: la inosina, que puede formar enlaces de hidrógeno con más de una base en la posición del codón correspondiente.En el código genético, es común que un solo aminoácido esté especificado por las cuatro posibilidades de la tercera posición, o al menos por las pirimidinas y las purinas; por ejemplo, el aminoácido glicina está codificado por las secuencias de codones GGU, GGC, GGA y GGG. También pueden aparecer otros nucleótidos modificados en la primera posición del anticodón, a veces conocida como la "posición de bamboleo", lo que da como resultado cambios sutiles en el código genético, como por ejemplo en las mitocondrias. Por célula, se requieren 61 tipos de ARNt para proporcionar una correspondencia uno a uno entre las moléculas de ARNt y los codones que especifican los aminoácidos, ya que hay 61 codones con sentido del código genético estándar. Sin embargo, muchas células tienen menos de 61 tipos de ARNt porque la base oscilante es capaz de unirse a varios codones, aunque no necesariamente a todos, que especifican un aminoácido en particular. Se requieren al menos 31 ARNt para traducir, sin ambigüedades, los 61 codones de sentido.

Aminoacilación

La aminoacilación es el proceso de agregar un grupo aminoacilo a un compuesto. Une covalentemente un aminoácido al extremo CCA 3 'de una molécula de ARNt. Cada ARNt es aminoacilado (o cargado ) con un aminoácido específico por una aminoacil ARNt sintetasa. Normalmente hay una sola aminoacil tRNA sintetasa para cada aminoácido, a pesar de que puede haber más de un tRNA y más de un anticodón para un aminoácido. El reconocimiento del tRNA apropiado por parte de las sintetasas no está mediado únicamente por el anticodón, y el tallo aceptor a menudo juega un papel destacado. Reacción:

  1. aminoácido + ATP → aminoacil-AMP + PPi
  2. aminoacil-AMP + tRNA → aminoacil-tRNA + AMP

Ciertos organismos pueden tener una o más aminofosfato-tRNA sintetasas faltantes. Esto conduce a la carga del tRNA por un aminoácido relacionado químicamente, y mediante el uso de una enzima o enzimas, el tRNA se modifica para que se cargue correctamente. Por ejemplo, a Helicobacter pylori le falta glutaminil tRNA sintetasa. Por lo tanto, la glutamato tRNA sintetasa carga tRNA-glutamina (tRNA-Gln) con glutamato. Luego, una amidotransferasa convierte la cadena lateral ácida del glutamato en amida, formando gln-tRNA-Gln cargado correctamente.

La interferencia con la aminoacilación puede ser útil como método para tratar algunas enfermedades: las células cancerosas pueden ser relativamente vulnerables a la aminoacilación alterada en comparación con las células sanas. La síntesis de proteínas asociada con el cáncer y la biología viral a menudo depende mucho de moléculas de ARNt específicas. Por ejemplo, para el cáncer de hígado, la carga de tRNA-Lys-CUU con lisina sostiene el crecimiento y la metástasis de las células de cáncer de hígado, mientras que las células sanas tienen una dependencia mucho menor de este ARNt para respaldar la fisiología celular. De manera similar, el virus de la hepatitis E requiere un panorama de ARNt que difiere sustancialmente del asociado con las células no infectadas. Por lo tanto, la inhibición de la aminoacilación de especies específicas de ARNt se considera una nueva vía prometedora para el tratamiento racional de una gran cantidad de enfermedades.

Unión al ribosoma

El ribosoma tiene tres sitios de unión para las moléculas de ARNt que abarcan el espacio entre las dos subunidades ribosómicas: los sitios A (aminoacilo), P (peptidilo) y E (salida). Además, el ribosoma tiene otros dos sitios para la unión del ARNt que se utilizan durante la decodificación del ARNm o durante el inicio de la síntesis de proteínas. Estos son el sitio T (denominado factor de elongación Tu) y el sitio I (iniciación). Por convención, los sitios de unión al ARNt se indican con el sitio de la subunidad ribosómica pequeña en primer lugar y el sitio de la subunidad ribosómica grande en segundo lugar. Por ejemplo, el sitio A a menudo se escribe A/A, el sitio P, P/P, y el sitio E, E/E. Las proteínas de unión como L27, L2, L14, L15, L16 en los sitios A y P se han determinado mediante marcado por afinidad por AP Czernilofsky et al. (proc. nacional Academia Sci, EE. UU., págs. 230–234, 1974).

Una vez que se completa el inicio de la traducción, el primer aminoacil tRNA se ubica en el sitio P/P, listo para el ciclo de elongación que se describe a continuación. Durante la elongación de la traducción, el tRNA primero se une al ribosoma como parte de un complejo con el factor de elongación Tu (EF-Tu) o su contraparte eucariótica (eEF-1) o archaeal. Este sitio de unión inicial al tRNA se denomina sitio A/T. En el sitio A/T, la mitad del sitio A reside en la subunidad ribosómica pequeña donde se encuentra el sitio de decodificación del ARNm. El sitio de decodificación del ARNm es donde se lee el codón del ARNm durante la traducción. La mitad del sitio T reside principalmente en la subunidad ribosómica grande donde EF-Tu o eEF-1 interactúa con el ribosoma. Una vez que se completa la decodificación del ARNm, el aminoacil-ARNt se une en el sitio A/A y está listo para que se forme el próximo enlace peptídico con su aminoácido adjunto. El peptidil-tRNA, que transfiere el polipéptido en crecimiento al aminoacil-tRNA unido en el sitio A/A, se une en el sitio P/P. Una vez que se forma el enlace peptídico, el tRNA en el sitio P/P se acila, o tiene un extremo 3' libre, y el tRNA en el sitio A/A disocia la cadena polipeptídica en crecimiento. Para permitir el próximo ciclo de elongación, los tRNA luego se mueven a través de los sitios de unión híbridos A/P y P/E, antes de completar el ciclo y residir en los sitios P/P y E/E. Una vez que los ARNt A/A y P/P se han movido a los sitios P/P y E/E, el ARNm también se ha movido un codón y el sitio A/T está vacante, listo para la siguiente ronda de decodificación de ARNm. El tRNA unido en el sitio E/E luego abandona el ribosoma. o tiene un extremo 3' libre y el ARNt en el sitio A/A disocia la cadena polipeptídica en crecimiento. Para permitir el próximo ciclo de elongación, los tRNA luego se mueven a través de los sitios de unión híbridos A/P y P/E, antes de completar el ciclo y residir en los sitios P/P y E/E. Una vez que los ARNt A/A y P/P se han movido a los sitios P/P y E/E, el ARNm también se ha movido un codón y el sitio A/T está vacante, listo para la siguiente ronda de decodificación de ARNm. El tRNA unido en el sitio E/E luego abandona el ribosoma. o tiene un extremo 3' libre y el ARNt en el sitio A/A disocia la cadena polipeptídica en crecimiento. Para permitir el próximo ciclo de elongación, los tRNA luego se mueven a través de los sitios de unión híbridos A/P y P/E, antes de completar el ciclo y residir en los sitios P/P y E/E. Una vez que los ARNt A/A y P/P se han movido a los sitios P/P y E/E, el ARNm también se ha movido un codón y el sitio A/T está vacante, listo para la siguiente ronda de decodificación de ARNm. El tRNA unido en el sitio E/E luego abandona el ribosoma. el ARNm también se ha movido un codón y el sitio A/T está vacante, listo para la próxima ronda de decodificación de ARNm. El tRNA unido en el sitio E/E luego abandona el ribosoma. el ARNm también se ha movido un codón y el sitio A/T está vacante, listo para la próxima ronda de decodificación de ARNm. El tRNA unido en el sitio E/E luego abandona el ribosoma.

El sitio P/I es en realidad el primero en unirse al aminoacil tRNA, que es administrado por un factor de iniciación llamado IF2 en bacterias. Sin embargo, aún no se ha confirmado la existencia del sitio P/I en ribosomas eucarióticos o arqueales. La proteína L27 del sitio P ha sido determinada por marcado por afinidad por E. Collatz y AP Czernilofsky ( FEBS Lett., Vol. 63, págs. 283-286, 1976).

Genes de ARNt

Los organismos varían en el número de genes de ARNt en su genoma. Por ejemplo, el gusano nematodo C. elegans, un organismo modelo comúnmente utilizado en estudios genéticos, tiene 29.647 genes en su genoma nuclear, de los cuales 620 codifican para tRNA. La levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae tiene 275 genes de ARNt en su genoma.

En el genoma humano, que, según estimaciones de enero de 2013, tiene alrededor de 20 848 genes que codifican proteínas en total, hay 497 genes nucleares que codifican moléculas de ARNt citoplásmico y 324 pseudogenes derivados de ARNt: genes de ARNt que se cree que ya no son funcionales (aunque pseudogenéticos). Se ha demostrado que los ARNt están involucrados en la resistencia a los antibióticos en las bacterias). Al igual que con todos los eucariotas, hay 22 genes de ARNt mitocondrial en humanos. Las mutaciones en algunos de estos genes se han asociado con enfermedades graves como el síndrome MELAS. También se han identificado regiones en los cromosomas nucleares, muy similares en secuencia a los genes de ARNt mitocondrial (similares a ARNt).Estos parecidos a ARNt también se consideran parte del ADN mitocondrial nuclear (genes transferidos de la mitocondria al núcleo). El fenómeno de múltiples copias nucleares de tRNA mitocondrial (tRNA-lookalikes) se ha observado en muchos organismos superiores, desde humanos hasta la zarigüeya, lo que sugiere la posibilidad de que las similitudes sean funcionales.

Los genes de ARNt citoplasmático se pueden agrupar en 49 familias según sus características de anticodón. Estos genes se encuentran en todos los cromosomas, excepto en el cromosoma 22 e Y. Se observa un alto agrupamiento en 6p (140 genes de ARNt), así como en 1 cromosoma.

El HGNC, en colaboración con Genomic tRNA Database (GtRNAdb) y expertos en el campo, ha aprobado nombres únicos para genes humanos que codifican tRNA.

Evolución

La mitad superior del ARNt (que consta del brazo T y el tallo aceptor con un grupo fosfato terminal 5′ y un grupo CCA terminal 3′) y la mitad inferior (que consta del brazo D y el brazo anticodón) son unidades independientes en estructura. así como en función. La mitad superior puede haber evolucionado primero, incluida la etiqueta genómica 3'-terminal que originalmente puede haber marcado moléculas similares a ARNt para la replicación en el mundo temprano del ARN. La mitad inferior puede haber evolucionado más tarde como una expansión, por ejemplo, cuando la síntesis de proteínas comenzó en el mundo del ARN y lo convirtió en un mundo de ribonucleoproteínas (mundo RNP). Este escenario propuesto se llama hipótesis de etiqueta genómica. De hecho, los agregados de tRNA y similares a tRNA tienen una importante influencia catalítica (es decir, como ribozimas) en la replicación todavía hoy. Estos roles pueden considerarse como "fósiles moleculares (o químicos)" del mundo del ARN.

El contenido de ARNt genómico es una característica diferenciadora de los genomas entre los dominios biológicos de la vida: Archaea presenta la situación más simple en términos de contenido de ARNt genómico con un número uniforme de copias de genes, Bacteria tiene una situación intermedia y Eukarya presenta la situación más compleja. Eukarya presenta no solo más contenido de genes de ARNt que los otros dos reinos, sino también una gran variación en el número de copias de genes entre diferentes isoaceptores, y esta complejidad parece deberse a duplicaciones de genes de ARNt y cambios en la especificidad del anticodón.

La evolución del número de copias del gen tRNA en diferentes especies se ha relacionado con la aparición de enzimas de modificación de tRNA específicas (uridina metiltransferasas en bacterias y adenosina desaminasas en Eukarya), que aumentan la capacidad de decodificación de un tRNA dado.Como ejemplo, tRNAAla codifica cuatro isoaceptores de tRNA diferentes (AGC, UGC, GGC y CGC). En Eukarya, los isoaceptores AGC están extremadamente enriquecidos en el número de copias de genes en comparación con el resto de los isoaceptores, y esto se ha correlacionado con la modificación A-to-I de su base oscilante. Esta misma tendencia se ha mostrado para la mayoría de los aminoácidos de las especies eucariotas. De hecho, el efecto de estas dos modificaciones de ARNt también se observa en el sesgo de uso de codones. Los genes altamente expresados ​​parecen estar enriquecidos en codones que usan exclusivamente codones que serán decodificados por estos tRNA modificados, lo que sugiere un posible papel de estos codones, y en consecuencia de estas modificaciones de tRNA, en la eficiencia de la traducción.

Es importante señalar que muchas especies han perdido ARNt específicos durante la evolución. Por ejemplo, tanto los mamíferos como las aves carecen de los mismos 14 de los 64 genes de ARNt posibles, pero otras formas de vida contienen estos ARNt. Para traducir codones para los que falta un ARNt de emparejamiento exacto, los organismos recurren a una estrategia llamada bamboleo, en la que los pares de ARNt/ARNm imperfectamente emparejados aún dan lugar a la traducción, aunque esta estrategia también aumenta la propensión a errores de traducción. Las razones por las que los genes de ARNt se han perdido durante la evolución siguen siendo objeto de debate, pero pueden relacionarse con la mejora de la resistencia a la infección viral.Debido a que los tripletes de nucleótidos pueden presentar más combinaciones que aminoácidos y ARNt asociados, hay redundancia en el código genético y varios codones de 3 nucleótidos diferentes pueden expresar el mismo aminoácido. Este sesgo de codones es lo que requiere la optimización de codones y, al observar las secuencias de codificación del repertorio de ARNt de su organismo objetivo, puede intercambiar codones en función de su sistema de expresión.

Fragmentos derivados de tRNA

Los fragmentos derivados de tRNA (o tRF) son moléculas cortas que emergen después de la escisión de los tRNA maduros o la transcripción precursora. Tanto los ARNt citoplasmáticos como los mitocondriales pueden producir fragmentos. Hay al menos cuatro tipos estructurales de tRF que se cree que se originan a partir de tRNA maduros, incluidas las mitades de tRNA relativamente largas y los 5'-tRF, 3'-tRF e i-tRF cortos. El ARNt precursor se puede escindir para producir moléculas a partir de las secuencias líder 5' o final 3'. Las enzimas de escisión incluyen angiogenina, Dicer, RNasa Z y RNasa P. Especialmente en el caso de la angiogenina, los tRF tienen un fosfato cíclico característicamente inusual en su extremo 3' y un grupo hidroxilo en el extremo 5'.Los tRF parecen desempeñar un papel en la interferencia del ARN, específicamente en la supresión de retrovirus y retrotransposones que utilizan el ARNt como cebador para la replicación. Los semiARNt escindidos por la angiogenina también se conocen como tiARN. La biogénesis de fragmentos más pequeños, incluidos los que funcionan como piRNA, se comprende menos.

Los tRF tienen múltiples dependencias y roles; tales como exhibir cambios significativos entre sexos, entre razas y el estado de la enfermedad. Funcionalmente, pueden cargarse en Ago y actuar a través de vías de ARNi, participar en la formación de gránulos de estrés, desplazar ARNm de proteínas de unión a ARN o inhibir la traducción. A nivel del sistema o del organismo, los cuatro tipos de tRF tienen un espectro diverso de actividades. Funcionalmente, los tRF están asociados con la infección viral, el cáncer, la proliferación celular y también con la regulación transgeneracional epigenética del metabolismo.

Los tRF no están restringidos a los humanos y se ha demostrado que existen en múltiples organismos.

Hay dos herramientas en línea disponibles para aquellos que deseen obtener más información sobre los tRF: el marco para la exploración interactiva de fragmentos de ARN t nucleares y mitocondriales ( MINTbase ) y la base de datos relacional de fragmentos relacionados con ARN de transferencia ( tRFdb ). MINTbase también proporciona un esquema de nombres para los tRF llamados placas de licencia tRF (o códigos MINT) que es independiente del genoma; el esquema comprime una secuencia de ARN en una cadena más corta.

ARNt modificados

Los ARNt alargadores supresores artificiales se utilizan para incorporar aminoácidos no naturales en codones sin sentido colocados en la secuencia codificante de un gen. Se han utilizado ARNt iniciadores diseñados (ARNt con anticodón CUA codificado por el gen metY) para iniciar la traducción en el codón de terminación ámbar UAG. Este tipo de ARNt diseñado se denomina ARNt supresor sin sentido porque suprime la señal de parada de la traducción que normalmente se produce en los codones UAG. El tRNA iniciador ámbar inserta metionina y glutamina en los codones UAG precedidos por una secuencia fuerte de Shine-Dalgarno. Una investigación del tRNA iniciador ámbar mostró que era ortogonal al codón de inicio AUG regular y no mostró eventos detectables de iniciación de la traducción fuera del objetivo en una cepa de E. coli genómicamente recodificada.

Biogénesis de ARNt

En las células eucariotas, la ARN polimerasa III transcribe los ARNt como pre-ARNt en el núcleo. La ARN polimerasa III reconoce dos secuencias promotoras aguas abajo altamente conservadas: la región de control intragénica 5' (5'-ICR, región de control D o caja A) y la 3'-ICR (región de control T o caja B) dentro del ARNt genes El primer promotor comienza en +8 de los ARNt maduros y el segundo promotor se ubica entre 30 y 60 nucleótidos aguas abajo del primer promotor. La transcripción termina después de un tramo de cuatro o más timidinas.

Los pre-tRNA sufren amplias modificaciones dentro del núcleo. Algunos pre-ARNt contienen intrones que se empalman o cortan para formar la molécula de ARNt funcional; en bacterias estos se auto-empalman, mientras que en eucariotas y arqueas son eliminados por endonucleasas de empalme de tRNA. El pre-ARNt eucariótico contiene un motivo de estructura de protuberancia-hélice-protuberancia (BHB) que es importante para el reconocimiento y el empalme preciso del intrón de ARNt por parte de las endonucleasas. Esta posición y estructura del motivo se conservan evolutivamente. Sin embargo, algunos organismos, como las algas unicelulares, tienen una posición no canónica del motivo BHB, así como los extremos 5' y 3' de la secuencia del intrón empalmado. La secuencia 5' es eliminada por la RNasa P, mientras que el extremo 3' es eliminado por la enzima tRNasa Z. Una excepción notable es el archaeon Nanoarchaeum equitans, que no posee una enzima RNase P y tiene un promotor colocado de tal manera que la transcripción comienza en el extremo 5 'del tRNA maduro. La cola 3' CCA sin plantilla se agrega mediante una nucleotidil transferasa. Antes de que los tRNA sean exportados al citoplasma por Los1/Xpo-t, los tRNA son aminoacilados. El orden de los eventos de procesamiento no se conserva. Por ejemplo, en la levadura, el empalme no se lleva a cabo en el núcleo sino en el lado citoplasmático de las membranas mitocondriales.

No obstante, en marzo de 2021, los investigadores informaron evidencia que sugiere que una forma preliminar de ARN de transferencia podría haber sido una molécula replicadora en el desarrollo temprano de la vida, o abiogénesis.

Historia

Francis Crick planteó por primera vez la existencia del ARNt, basándose en la suposición de que debe existir una molécula adaptadora capaz de mediar en la traducción del alfabeto de ARN al alfabeto de proteínas. Paul C Zamecnik y Mahlon Hoagland descubrieron el ARNt A principios de la década de 1960, Alex Rich y Don Caspar, dos investigadores de Boston, el grupo Jacques Fresco de la Universidad de Princeton y un grupo del Reino Unido del King's College de Londres llevaron a cabo una importante investigación sobre la estructura. En 1965, Robert W. Holley de la Universidad de Cornell informó sobre la estructura principal y sugirió tres estructuras secundarias. El ARNt fue cristalizado por primera vez en Madison, Wisconsin, por Robert M. Bock. La estructura de la hoja de trébol fue comprobada por varios otros estudios en los años siguientes.y finalmente se confirmó utilizando estudios de cristalografía de rayos X en 1974. Dos grupos independientes, Kim Sung-Hou trabajando con Alexander Rich y un grupo británico encabezado por Aaron Klug, publicaron los mismos hallazgos de cristalografía en un año.