La investigación sugiere que los productos de la transcripción (moléculas de ARN) regulan su propia producción a través de un circuito de retroalimentación. Una colaboración entre biólogos y físicos sugiere que el ARN es un regulador de retroalimentación de su propia producción. Las concentraciones bajas de ARN conducen a la formación de condensados transcripcionales (representados aquí como burbujas) y los niveles altos conducen a la disolución de esos condensados.
Eva Frederick | Instituto Whitehead
Créditos: Imagen: Jennifer Cook-Chrysos / Whitehead Institute
En un momento dado del cuerpo humano, en aproximadamente 30 billones de células, el ADN se «lee» en moléculas de ARN mensajero, el paso intermedio entre el ADN y las proteínas, en un proceso llamado transcripción.
Los científicos tienen una idea bastante clara de cómo se inicia la transcripción: las proteínas llamadas ARN polimerasas se reclutan en regiones específicas de las moléculas de ADN y comienzan a deslizarse por la hebra, sintetizando moléculas de ARNm a medida que avanzan. Pero parte de este proceso se comprende menos: ¿cómo sabe la célula cuándo dejar de transcribir?
Ahora, un nuevo trabajo de los laboratorios de Richard Young, miembro del Whitehead Institute for Biomedical Research y profesor de biología del MIT, y Arup K. Chakraborty, profesor de ingeniería química, física y química en el MIT, sugiere que las propias moléculas de ARN son responsables de regular su formación a través de un circuito de retroalimentación. Muy pocas moléculas de ARN y la célula inicia la transcripción para crear más. Luego, en un cierto umbral, demasiadas moléculas de ARN hacen que la transcripción se detenga.
La investigación, publicada en Cell el 16 de diciembre de 2020, representa una colaboración entre biólogos y físicos, y proporciona una idea de los roles potenciales de los miles de ARN que no se traducen en ninguna proteína, llamados ARN no codificantes, que son comunes en mamíferos y han desconcertado a los científicos durante décadas.
Una cuestión de condensados
El trabajo anterior en el laboratorio de Young se ha centrado en los condensados transcripcionales, pequeñas gotas celulares que reúnen las moléculas necesarias para transcribir el ADN en ARN. Los científicos en el laboratorio descubrieron las gotas transcripcionales en 2018, notando que normalmente se formaban cuando comenzaba la transcripción y se disolvían unos segundos o minutos más tarde, cuando el proceso terminaba.
Los investigadores se preguntaron si la fuerza que gobernaba la disolución de los condensados transcripcionales podría estar relacionada con las propiedades químicas del ARN que producían, específicamente, su carga altamente negativa. Si este fuera el caso, sería el último ejemplo de procesos celulares regulados a través de un mecanismo de retroalimentación: un sistema elegante y eficiente que se usa en la célula para controlar funciones biológicas como la producción de glóbulos rojos y la reparación del ADN.
Como prueba inicial, los investigadores utilizaron un experimento in vitro para probar si la cantidad de ARN tenía un efecto sobre la formación de condensado. Descubrieron que dentro del rango de niveles fisiológicos observados en las células, los niveles bajos de ARN fomentaban la formación de gotitas y los niveles altos de ARN la desalentaban.
Pensando fuera del campo de la biología
Con estos resultados en mente, los postdoctorados de Young lab y los co-primeros autores Ozgur Oksuz y Jon Henninger se unieron al físico y co-primer autor Krishna Shrinivas, un estudiante graduado del laboratorio de Arup Chakraborty, para investigar qué fuerzas físicas estaban en juego.
Shrinivas propuso que el equipo construya un modelo computacional para estudiar las interacciones físicas y químicas entre el ARN transcrito activamente y los condensados formados por proteínas transcripcionales. El objetivo del modelo no era simplemente reproducir los resultados existentes, sino crear una plataforma con la que probar una variedad de situaciones.
“La forma en que la mayoría de la gente estudia este tipo de problemas es tomar mezclas de moléculas en un tubo de ensayo, agitarlo y ver qué sucede”, dice Shrinivas. “Eso está tan lejos de lo que sucede en una celda como uno pueda imaginar. Nuestro pensamiento fue, ‘¿Podemos tratar de estudiar este problema en su contexto biológico, que es este proceso complejo fuera de equilibrio?’ ”
Estudiar el problema desde una perspectiva física permitió a los investigadores dar un paso atrás respecto de los métodos biológicos tradicionales. “Como biólogo, es difícil proponer nuevas hipótesis, nuevos enfoques para comprender cómo funcionan las cosas a partir de los datos disponibles”, dice Henninger. “Puedes hacer pantallas, puedes identificar nuevos jugadores, nuevas proteínas, nuevos ARN que pueden estar involucrados en un proceso, pero aún estás limitado por nuestra comprensión clásica de cómo interactúan todas estas cosas. Mientras que cuando habla con un físico, se encuentra en este espacio teórico que se extiende más allá de lo que los datos pueden brindarle actualmente. A los físicos les encanta pensar en cómo se comportaría algo, dados ciertos parámetros «.
Una vez que se completó el modelo, los investigadores podrían hacerle preguntas sobre situaciones que pueden surgir en las células; por ejemplo, ¿qué sucede con los condensados cuando se producen ARN de diferentes longitudes a diferentes velocidades a medida que pasa el tiempo? – y luego continuar con un experimento en la mesa de laboratorio. “Terminamos con una muy buena convergencia de modelo y experimento”, dice Henninger. «Para mí, es como si el modelo ayudara a destilar las características más simples de este tipo de sistema, y luego puede hacer más experimentos predictivos en las células para ver si se ajusta a ese modelo».
El cargo está a cargo
A través de una serie de modelos y experimentos en la mesa de laboratorio, los investigadores pudieron confirmar su hipótesis de que el efecto del ARN en la transcripción se debe a la carga altamente negativa de las moléculas de ARN. Además, se predijo que los niveles iniciales bajos de ARN mejoran y los niveles posteriores más altos disuelven los condensados formados por proteínas transcripcionales. Debido a que la carga es transportada por el esqueleto de fosfato de los ARN, la carga efectiva de una molécula de ARN dada es directamente proporcional a su longitud.
Para probar este hallazgo en una célula viva, los investigadores diseñaron células madre embrionarias de ratón para que tuvieran condensados brillantes y luego las trataron con una sustancia química para interrumpir la fase de elongación de la transcripción. De acuerdo con las predicciones del modelo, la escasez resultante de moléculas de ARN que disuelven el condensado aumentó el tamaño y la vida útil de los condensados en la célula. Por el contrario, cuando los investigadores diseñaron células para inducir la producción de ARN adicionales, los condensados transcripcionales en estos sitios se disolvieron. “Estos resultados resaltan la importancia de comprender cómo los mecanismos de retroalimentación de no equilibrio regulan las funciones de los condensados biomoleculares presentes en las células”, dice Chakraborty.
La confirmación de este mecanismo de retroalimentación podría ayudar a responder a un antiguo misterio del genoma de los mamíferos: el propósito de los ARN no codificantes, que constituyen una gran parte del material genético. “Si bien sabemos mucho sobre cómo funcionan las proteínas, hay decenas de miles de especies de ARN no codificantes y no conocemos las funciones de la mayoría de estas moléculas”, dice Young. “El hallazgo de que las moléculas de ARN pueden regular los condensados transcripcionales nos hace preguntarnos si muchas de las especies no codificantes simplemente funcionan localmente para sintonizar la expresión génica en todo el genoma. Entonces, este gran misterio de lo que hacen todos estos ARN tiene una solución potencial «.
Los investigadores son optimistas de que comprender este nuevo papel del ARN en la célula podría informar sobre terapias para una amplia gama de enfermedades. «Algunas enfermedades en realidad son causadas por el aumento o la disminución de la expresión de un solo gen», dice Oksuz, co-primer autor. “Ahora sabemos que si modula los niveles de ARN, tiene un efecto predecible sobre los condensados. Entonces, hipotéticamente, podría sintonizar hacia arriba o hacia abajo la expresión de un gen de la enfermedad para restaurar la expresión, y posiblemente restaurar el fenotipo, que desea, para tratar una enfermedad «.
Young agrega que una comprensión más profunda del comportamiento del ARN podría informar la terapéutica de manera más general. En los últimos 10 años, se han desarrollado una variedad de fármacos que se dirigen directamente al ARN con éxito. «El ARN es un objetivo importante», dice Young. «Comprender mecánicamente cómo las moléculas de ARN regulan la expresión génica cierra la brecha entre la desregulación genética en la enfermedad y los nuevos enfoques terapéuticos que se dirigen al ARN».
«Reimpreso con permiso de MIT News»
