Los microARN pueden hacer que las plantas sean más capaces de resistir la sequía, la salinidad, los patógenos y más. Sin embargo, en un estudio reciente publicado en Plantas de la naturalezaLos científicos de investigación de Texas A&M AgriLife demostraron cuánto no sabíamos sobre los intrincados procesos que utilizan las plantas para producirlas.
Los microARN son pequeñas moléculas que pueden guiar a las proteínas para disminuir la expresión genética, y la ingeniería de versiones artificiales permite a los científicos apuntar a genes específicos para mejorar los cultivos.
«Aunque estas moléculas de microARN son muy pequeñas, su impacto es enorme», dijo Xiuren Zhang, Ph.D., profesor titular Christine Richardson en el Departamento de Bioquímica y Biofísica de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de Texas A&M, profesor adjunto en el Departamento de Biología de la Facultad de Artes y Ciencias de Texas A&M e investigador principal del estudio.
Changhao Li, Ph.D., y Xingxing Yan fueron los coautores principales del estudio, con la supervisión de Xiuren Zhang, Ph.D. El trabajo del equipo ha revisado sustancialmente el conocimiento actual sobre la biogénesis de microARN en el organismo modelo Arabidopsis thaliana. (Jiaying Zhu/Texas A&M AgriLife)
Utilizando mutaciones precisas y un diseño experimental inteligente, los investigadores de Texas A&M AgriLife reevaluaron el panorama de los microARN en el organismo modelo Arabidopsis thaliana y descubrieron que menos de la mitad de ellos fueron identificados correctamente como microARN, mientras que los demás están mal categorizados o requieren más investigación.
Además de aclarar las moléculas de microARN genuinas en Arabidopsis thaliana, el estudio proporciona un diseño experimental eficaz para repetir el análisis en otros cultivos e incluso en animales, que probablemente necesiten una revisión similar. Los descubrimientos del equipo también los ayudaron a crear pautas actualizadas para el diseño de microARN artificiales, lo que abre la puerta a la mejora en cultivos como el maíz, el trigo, la soja y el arroz.
Xingxing Yan, asistente de investigación de posgrado, y Changhao Li, Ph.D., investigador asociado postdoctoral, fueron los primeros coautores del estudio, que fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Welch.
Un esfuerzo que ya lleva una década
Los microARN tienen una longitud uniforme de entre 21 y 24 nucleótidos, pero en las plantas, según Zhang, sus precursores tienen distintas formas y tamaños.
Debido a la diversidad estructural de los precursores, determinar qué características clave son más importantes para su procesamiento ha sido un desafío, y ha dejado la cuestión de cómo se generan los microARN en las plantas en gran medida sin explorar y sin verificar.
Arabidopsis thaliana, también conocida como berro de thale o berro de orejas de ratón, es un organismo modelo para la biología vegetal. Su genoma relativamente pequeño, su rápido crecimiento y la producción de muchas semillas lo hacen excepcionalmente útil en la investigación. (Xingxing Yan/Texas A&M AgriLife)
Hace unos diez años, dijo Zhang, él y su laboratorio encontraron un patrón entre un bucle en la estructura del microARN precursor y el primer sitio de corte. Este corte inicial es importante porque determina el primer nucleótido en la molécula de microARN madura, un factor importante para dirigirla a la ubicación correcta en una célula.
Desafortunadamente, de los 326 precursores de microARN postulados en Arabidopsis thaliana, sólo unos pocos tenían el bucle de referencia ideal que el laboratorio de Zhang encontró, al menos según los modelos computacionales.
«Los modelos se basan en la química pura», dijo Zhang. «Se centran sólo en la energía libre, en lo que debería ser la forma más estable. Pero no pueden explicar por qué tantos precursores diferentes pueden terminar en productos del mismo tamaño».
En lugar de basarse en los modelos, el laboratorio de Zhang intentó verificar los precursores de microARN dentro de las plantas. Querían encontrar los primeros sitios de corte en los precursores y confirmar sus determinantes estructurales dentro de las células.
Hallazgos inesperados
Para ello, los investigadores realizaron mutaciones muy específicas en la proteína Dicer, que, como su nombre indica, es la encargada de realizar cortes precisos en el precursor del microARN. Normalmente, la proteína actúa como dos manos que sostienen una doble hebra de ARN precursor y cortan en un sitio de cada hebra simultáneamente antes de liberar la molécula de ARN.
«Realizamos mutaciones puntuales en dos lugares por separado en la proteína similar a Dicer para hacerlas semiactivas», dijo Yan. «De esa manera, solo pueden cortar una hebra y detenerse antes de continuar con el procesamiento. Esto nos da la oportunidad de capturar los productos intermedios del precursor de microARN, lo que nos indica los sitios de procesamiento inicial y ese primer nucleótido».
Los resultados mostraron que solo 147 de los 326 precursores de microARN propuestos interactúan con la proteína Dicer de manera definitiva, lo que los marca como precursores genuinos de microARN. Ochenta y uno no interactuaron en absoluto, lo que sugiere que deberían reclasificarse como un tipo diferente de ARN. Alrededor de 100 requieren una investigación más profunda.
El equipo también utilizó una técnica avanzada de alto rendimiento y un nuevo método computacional para mapear las estructuras de los precursores de microARN en sus condiciones celulares naturales y descubrió que, de las 147 moléculas de microARN genuinas, aproximadamente el 95% de sus estructuras en las células diferían de las predicciones de la computadora.
«Encontramos varios resultados que diferían bastante de las predicciones y de la literatura», dijo Li. «Pudimos combinar los resultados bioquímicos con la secuenciación de última generación para obtener más información, y ahora nuestra comprensión de las estructuras es mucho más precisa».
El futuro
El equipo aún tiene más precursores de microARN para validar en Arabidopsis thaliana, pero Zhang dijo que están entusiasmados por buscar colaboraciones para investigar el procesamiento de microARN en cultivos agrícolas para aplicaciones más prácticas.
«Queremos saber más sobre qué tipo de microARN hay en otros cultivos, cómo se procesan y cómo podemos crear microARN artificiales en ellos», dijo. «Este estudio proporciona recursos que se pueden utilizar ampliamente y ahora podemos usarlos para revisar otros cultivos, encontrar lo que necesita corregirse y ver qué más podemos hacer con esta herramienta».
