El ADN, a menudo considerado como «el modelo de la vida», contiene instrucciones para construir proteínas que las células necesitan para sobrevivir y funcionar correctamente. Pero el ADN no es perfecto y pueden ocurrir errores durante la replicación. A veces, esto puede dar lugar a que fragmentos de los componentes básicos del ADN llamados nucleótidos (G (guanina), A (adenina), T (timina), C (citosina) se repitan demasiadas veces seguidas.
Esto puede conducir a un tipo de mutación, conocida como expansiones de repetición de nucleótidos, que puede alterar la función y la estructura de proteínas vitales y puede dar lugar a enfermedades neurodegenerativas raras como la enfermedad de Huntington y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA).
Una nueva investigación realizada por Ankur Jain, miembro del Instituto Whitehead, la estudiante graduada Rachel Anderson y sus colegas analiza más de cerca cómo la secuencia repetida involucrada en la enfermedad de Huntington (una repetición CAG) conduce a la producción de proteínas anormales que se pliegan mal y se agrupan dentro de las células, obstruyendo importantes procesos celulares.
Sus hallazgos , publicados en la revista Molecular Cell el 30 de enero, revelan que la repetición CAG expandida puede interferir con el empalme. Como se muestra en la siguiente ilustración, este es el proceso en el que se cortan porciones de ARN que no codifican proteínas, también conocidas como intrones. Las secciones restantes, llamadas exones, luego se unen para formar el ARN mensajero final que lleva instrucciones para construir una proteína .
Según los investigadores, la repetición CAG expandida crea nuevos marcadores, o sitios aceptores de empalme, lo que conduce a que el corte y pegado de información genética se produzca en uniones diferentes a las habituales.
«La cuestión de por qué los cerebros de pacientes con trastornos de expansión repetida tienen proteínas espurias ha desconcertado a los científicos durante algún tiempo», dice Jain, quien también es profesor asistente de biología y profesor de desarrollo profesional Thomas D. y Virginia W. Cabot en la Instituto de Tecnología de Massachusetts. «Ahora, como entendemos el mecanismo molecular, podemos intentar apuntar a la vía de empalme y disminuir la producción de estas proteínas».
Despliegue de horquillas de ARN
El ARN es menos estable que el ADN y los enfoques comunes de análisis de ARN se basan en una enzima llamada transcriptasa inversa. Aunque normalmente en una célula el ADN se lee en ARN, esta enzima lee las moléculas de ARN en una cadena de ADN complementaria (ADNc). Esto permite a los investigadores analizar de cerca las secuencias de ARN sin correr el riesgo de degradación de la información genética.
Pero la transcripción inversa de ARN que contienen repeticiones presenta sus propios desafíos: estas moléculas tienden a plegarse sobre sí mismas, formando bucles en horquilla, y cuando estos bucles no se desenrollan completamente durante la transcripción inversa, los investigadores quedan con lagunas y errores en el ADNc.
En el nuevo artículo, Jain y Anderson utilizaron un enfoque diferente para transcribir de forma inversa y sensible los ARN que contienen repeticiones en ADNc. Específicamente, los investigadores trabajaron con una enzima llamada TGIRT (Transcriptasa inversa de intrones termoestables del grupo II) que permanece activa a altas temperaturas, lo que le permite romper las estructuras en horquilla y capturar secuencias que contienen repeticiones con mayor fidelidad.
«Cuando se calienta un huevo, se vuelve amarillo porque las proteínas del huevo se están desdoblando debido a la alta temperatura. Estamos explotando lo mismo pero con estructuras de ARN», dice Anderson.
Luego, los investigadores comenzaron a mapear estas repeticiones en un genoma de referencia, que sirve como guía para la información genética en un ser humano, pero rápidamente se encontraron con desafíos. Las «letras» que componen el genoma humano GATC se combinan en varias secuencias para formar las hebras de ADN en nuestras células.
Esto significa que los patrones repetidos en el genoma humano son inevitables (las enfermedades basadas en repeticiones solo surgen cuando una única secuencia, como CAG, se repite demasiadas veces seguidas) y cada patrón puede ocurrir en múltiples ubicaciones del genoma. Por lo tanto, identificar dónde se originó el ARN que contiene repeticiones es como reconstruir una historia a partir de oraciones fragmentadas sin contexto.
«Fue entonces cuando decidimos abordar el mapeo de repeticiones de manera diferente», dice Anderson. Los investigadores desarrollaron una nueva herramienta, llamada SATCfinder, que selecciona secuencias de ARN con al menos tres repeticiones CAG. Luego, estas repeticiones se recortan computacionalmente y el resto de la secuencia se mapea en el genoma de referencia. Se rastrea la ubicación, o las coordenadas cartográficas, del patrón inmediatamente antes de la repetición CAG, lo que permite a los investigadores determinar exactamente dónde se supone que deben ir las repeticiones.
Una mirada más cercana al empalme
Trabajos anteriores del laboratorio Jain han demostrado que una vez que los ARN que contienen repeticiones abandonan el núcleo y alcanzan el citoplasma de la célula, forman grupos similares a geles.
Normalmente, en el citoplasma, los ARN interactúan con la maquinaria celular que busca un marcador en el ARN, llamado codón de inicio, para comenzar a traducir instrucciones para construir proteínas. Los investigadores han teorizado que los ARN que contienen repeticiones podrían confundir la maquinaria, influyéndola para que traduzca instrucciones desde diferentes puntos de partida. Este proceso, llamado traducción RAN, podría conducir a la creación de proteínas innecesarias que no sólo son propensas a agruparse sino que también contribuyen a la acumulación de ARN en el citoplasma.
Pero esta explicación no fue del todo satisfactoria para Jain y Anderson, y querían aprender más sobre por qué los ARN que contienen repeticiones conducen a una traducción desordenada de las instrucciones en primer lugar. Para investigar esto, crearon un conjunto de secuencias con el patrón «CAG» repetido 240 veces consecutivas. Tal como esperaban, cuando estas secuencias alcanzaron el citoplasma, comenzaron a agregarse.
Cuando los investigadores realizaron la secuenciación del ARN en estas células y analizaron los resultados utilizando SATCfinder, encontraron la respuesta: las repeticiones CAG en el ARN a menudo se unían a secuencias inesperadas, más alejadas de la repetición en el ADN, con las regiones intermedias recortadas. Esto significó que la presencia de repeticiones CAG varias veces seguidas conducía a la creación de nuevos sitios de corte y pegado en los bordes de la propia repetición, creando transcripciones de ARN anormales que luego producen proteínas que se pliegan mal y se agrupan.
Ahora, los investigadores del laboratorio Jain están interesados en investigar más a fondo cómo la repetición CAG expandida induce errores en el empalme. También esperan aprender más sobre hasta qué punto estos errores de empalme contribuyen a la patología de enfermedades como la enfermedad de Huntington.
«Existe una serie de mecanismos que se unen y contribuyen a la muerte celular en la enfermedad de Huntington. Esta es una pieza del rompecabezas que contribuye a nuestra comprensión molecular de cómo estas repeticiones distorsionan las funciones celulares», dice Jain.
Fuente: medicalxpress.com