Dentro de una célula, el ADN lleva el código genético para construir proteínas.
Para producir proteínas, la célula produce una copia del ADN, llamada ARNm. Luego, otra molécula llamada ribosoma lee el ARNm y lo traduce en proteína. Pero este paso ha sido un misterio visual: hasta ahora los científicos no sabían cómo se une el ribosoma al ARNm y cómo lee.
Ahora, un equipo de científicos internacionales, incluidos investigadores de la Universidad de Michigan, ha utilizado microscopía avanzada para obtener imágenes de cómo los ribosomas se reclutan en el ARNm mientras es transcrito por una enzima llamada ARN polimerasa o RNAP. Sus resultados, que examinan el proceso en bacterias, se publican en la revista Ciencia.
«Comprender cómo el ribosoma captura o 'recluta' el ARNm es un requisito previo para todo lo que viene después, como comprender cómo puede incluso empezar a interpretar la información codificada en el ARNm», afirmó Albert Weixlbaumer, investigador del Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire en Francia, quien codirigió el estudio. «Es como un libro. Tu tarea es leer e interpretar un libro, pero no sabes de dónde sacarlo. ¿Cómo se entrega el libro al lector?»
Los investigadores descubrieron que el RNAP que transcribe el ARNm despliega dos anclajes diferentes para sujetar el ribosoma y garantizar una base sólida y el inicio de la síntesis de proteínas. Esto es similar a un capataz en un sitio de construcción que supervisa a los trabajadores que instalan una sección compleja de la superestructura, confirmando de dos maneras redundantes que todas las piezas están sujetas de forma segura en uniones críticas para una máxima estabilidad y funcionalidad.
Según los investigadores, comprender estos procesos fundamentales tiene un gran potencial para desarrollar nuevos antibióticos que se dirijan a estas vías específicas en la síntesis de proteínas bacterianas. Tradicionalmente, los antibióticos se han dirigido al ribosoma o RNAP, pero las bacterias a menudo encuentran una manera de evolucionar y mutar para crear cierta resistencia a esos antibióticos. Armado con sus nuevos conocimientos, el equipo espera burlar a las bacterias cortando múltiples vías.
«Sabemos que existe una interacción entre el ARNP, el ribosoma, los factores de transcripción, las proteínas y el ARNm», dijo el científico principal de la UM, Adrien Chauvier, uno de los cuatro codirectores del estudio. «Podríamos apuntar a esta interfaz, específicamente entre el ARNP, el ribosoma y el ARNm, con un compuesto que interfiera con el reclutamiento o la estabilidad del complejo».
El equipo desarrolló un marco mecanicista para mostrar cómo los diversos componentes del complejo trabajan juntos para llevar los ARNm recién transcritos al ribosoma y actuar como puentes entre la transcripción y la traducción.
«En primer lugar, queríamos descubrir cómo se establece el acoplamiento de RNAP y el ribosoma», dijo Weixlbaumer. «Usando componentes purificados, volvimos a ensamblar el complejo, de 10 mil millonésima parte de un metro de diámetro. Los vimos en acción usando microscopía crioelectrónica (crio-EM) e interpretamos lo que estaban haciendo. Luego necesitábamos ver si el comportamiento «De nuestros componentes purificados podrían recapitularse en diferentes sistemas experimentales».
En células humanas más complejas, el ADN reside en el núcleo amurallado, donde RNAP actúa como «intérprete», descomponiendo las instrucciones genéticas en fragmentos más pequeños. Esta dinamo de una enzima transcribe, o escribe, el ADN en ARNm, lo que representa una copia específicamente seleccionada de una pequeña fracción del código genético que se traslada al ribosoma en el citoplasma mucho más «espacioso», donde se traduce en proteínas, las elementos básicos de la vida.
En los procariotas, que carecen de un núcleo distinto y una «pared» de membrana interna, la transcripción y la traducción ocurren simultáneamente y muy cerca entre sí, lo que permite que la RNAP y el ribosoma coordinen directamente sus funciones y cooperen entre sí.
Las bacterias son los procariotas mejor comprendidos y, debido a su estructura genética simple, proporcionaron al equipo el huésped ideal para analizar los mecanismos y la maquinaria implicados en el acoplamiento ribosoma-RNAP durante la expresión génica.
Los investigadores emplearon varias tecnologías y metodologías según la especialidad de cada laboratorio (crio-EM en el grupo de Weixlbaumer y espectrometría de masas de reticulación intracelular del grupo de Berlín realizada por Andrea Graziadei) para examinar los procesos involucrados.
Con experiencia en biofísica, Chauvier y Nils Walter, profesor de química y biofísica de la UM, utilizaron sus avanzados microscopios de fluorescencia de molécula única para analizar la cinética de la estructura.
«Para seguir la velocidad de esta maquinaria en funcionamiento, etiquetamos cada uno de los dos componentes con un color diferente», dijo Chauvier. «Usamos un color fluorescente para el ARN naciente y otro para el ribosoma. Esto nos permitió ver su cinética por separado bajo el microscopio de alta potencia».
Observaron que el ARNm que surgía de RNAP se unía a la subunidad ribosomal pequeña (30S) de manera particularmente eficiente cuando la proteína ribosómica bS1 estaba presente, lo que ayuda al ARNm a desplegarse en preparación para la traducción dentro del ribosoma.
Las estructuras crio-EM de Webster y Weixlbaumer identificaron una vía alternativa de entrega de ARNm al ribosoma, a través de la unión de la ARN polimerasa por el factor de transcripción de acoplamiento NusG, o su parálogo o versión, RfaH, que enhebra el ARNm en la entrada del ARNm. Canal del ribosoma desde el otro lado de bS1.
Habiendo visualizado con éxito la primera etapa en el establecimiento del acoplamiento entre RNAP y el ribosoma, el equipo espera seguir colaborando para descubrir cómo el complejo necesita reorganizarse para volverse completamente funcional.
«Este trabajo demuestra el poder de la investigación interdisciplinaria llevada a cabo en continentes y océanos», afirmó Walter.
Huma Rahil, estudiante de doctorado en el laboratorio Weixlbaumer, y Michael Webster, entonces becario postdoctoral en el laboratorio y ahora del Centro John Innes en el Reino Unido, también codirigieron el artículo.
