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| Alrededor del centro catalítico hay un grupo de moléculas, el dominio de activación, que puede ocupar dos posiciones diferentes. Crédito: M. Künsting / HZB |
Todas las células vegetales obtienen su energía principalmente de dos orgánulos que contienen: los cloroplastos (responsables de la fotosíntesis) y las mitocondrias (responsables del ciclo bioquímico de la respiración que convierte los azúcares en energía). Sin embargo, una gran cantidad de genes de una célula vegetal en sus mitocondrias y cloroplastos pueden desarrollar defectos, comprometiendo su función. Sin embargo, las células vegetales desarrollaron una herramienta asombrosa llamada editosoma de ARN (un gran complejo de proteínas) para reparar este tipo de errores. Puede modificar el ARN mensajero defectuoso que resulta de un ADN defectuoso mediante la transformación (desaminación) de ciertos nucleótidos del ARNm.
Corrección automática de errores en células vegetales.
La corrección automática de errores en plantas fue descubierta hace unos 30 años por un equipo encabezado por el fisiólogo vegetal Axel Brennicke y otros dos grupos simultáneamente. Este mecanismo convierte ciertos nucleótidos de citidina en el ARN mensajero en uridina para corregir errores en el ADN del cloroplasto o en el ADN mitocondrial. Por lo tanto, la edición de ARN es esencial para procesos como la fotosíntesis y la respiración celular en las plantas. Años más tarde, estudios posteriores demostraron que un grupo de proteínas denominadas proteínas PPR con dominios DYW desempeñan un papel central en la edición del ARN vegetal. Estas proteínas PPR con dominios DYW se transcriben en el núcleo celular y migran a través de las células hacia los cloroplastos y las mitocondrias. Sin embargo, están inactivos en su camino hacia estos orgánulos. Solo una vez que están dentro de los orgánulos se activan y ejecutan su función en un sitio de ARNm específico. Sin embargo, cómo funciona esta activación ha sido un misterio hasta ahora.
No funciona en un tubo de ensayo.
Durante muchos años, no fue posible producir sintéticamente estas proteínas PPR de tipo DYW en el laboratorio para estudiar su función y estructura más de cerca. Solo ahora un equipo germano-japonés encabezado por el biólogo estructural y bioquímico Dr. Gert Weber del Joint Protein Crystallography Group en Helmholtz-Zentrum Berlin y Freie Universität Berlin ha logrado hacerlo.
Ahora: estructura 3D de la proteína clave decodificada
El grupo del Prof. Mizuki Takenaka había podido producir previamente el dominio DYW en bacterias. Takenaka ha realizado investigaciones en la Universidad de Kyoto desde 2018 y anteriormente trabajó en el laboratorio de Axel Brennicke en Ulm, Alemania. Tatiana Barthel (Universidad de Greifswald y ahora en HZB) pudo cultivar los primeros cristales de proteína del dominio DYW. Una gran cantidad de estos delicados cristales se han analizado ahora en las líneas de luz MX de BESSY II para que se pueda decodificar la arquitectura tridimensional del dominio DYW. "Gracias al Joint Research Group ubicado en HZB y FU Berlin, tenemos la capacidad de medir el tiempo del haz para realizar mediciones muy rápidamente cuando sea necesario, lo cual fue crucial", dice el Dr. Manfred Weiss, responsable de las líneas de haz MX en BESSY. II y coautor del estudio.
Descubierto el mecanismo de activación
Esta arquitectura tridimensional ha proporcionado la pista crucial sobre el mecanismo de activación del dominio DYW que se aplica a todas las plantas. Se debe a un átomo de zinc ubicado en el centro del dominio DYW que puede acelerar la desaminación de citidina a uridina como catalizador. Sin embargo, para que esto suceda, el zinc debe estar posicionado de manera óptima. El interruptor de activación lo proporciona un dominio de activación muy inusual en la vecindad inmediata del centro catalítico; el análisis estructural muestra que este dominio de activación puede asumir dos posiciones diferentes, activando o desactivando la enzima. "El movimiento del dominio de activación regula la medida en que el ion zinc está disponible para la reacción catalítica", explica Weber.
Una molécula como unas tijeras.
Ahora ha quedado claro por qué conseguir que las proteínas PPR de tipo DYW reaccionen con el ARN en el tubo de ensayo ha sido difícil hasta ahora: estas proteínas PPR son nominalmente inactivas y requieren activación. En las células vegetales, primero se producen en el núcleo celular y luego es muy probable que migren en un estado inactivo a los orgánulos, donde se activan. "Esto es ideal, porque de lo contrario estas moléculas estarían activas en el camino, alterando varias moléculas de ARN de forma descontrolada y dañina para la célula", dice Weber.
Herramienta de reparación universal
Este trabajo es un gran avance para la biología molecular de las plantas porque describe un nivel adicional de regulación sofisticada en cloroplastos y mitocondrias. Los resultados son fundamentales para la ciencia de las plantas, pero también podrían desempeñar un papel en nuestra vida diaria algún día. El dominio DYW podría proporcionar una herramienta útil para la edición de ARN de C a U y U a C controlable y específica del sitio. Esto podría abrir nuevas aplicaciones médicas y de bioingeniería, como la reprogramación de ciertos genes mitocondriales sin cambiar el ADN nuclear de una célula.
Fuentes, créditos y referencias:
Mizuki Takenaka et al, DYW domain structures imply an unusual regulation principle in plant organellar RNA editing catalysis, Nature Catalysis (2021). DOI: 10.1038/s41929-021-00633-x