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Cooperación entre los ribosomas y la ARN polimerasa

En las células eucariotas —la que todos nosotros tenemos— la transcripción (pasar de ADN a ARN mensajero) y la traducción (pasar del ARNm a proteínas) se da en diferentes compartimientos celulares. Sin embargo, las bacterias no tienen núcleo, así que estos dos procesos de la expresión genética están acopladas en espacio y tiempo, así que la traducción se inicia ni bien el sitio de unión del ribosoma (RBS) salga de la ARN polimerasa (ARNpol).

Este proceso ha sido conocido por muchos años, tal como los fenómenos de polaridad y atenuación. Polaridad, es cuando se termina la transcripción de los genes de manera prematura; por ejemplo, cuando hay poca cantidad de aminoácidos, la traducción se hace lenta y la cadena de ARNm, que crece entre la ARNpol y el ribosoma, se hace tan larga que es capturado por el factor de terminación Rho, deteniendo la transcripción. En cambio la atenuación se da en ciertos operones mediante la formación de una horquilla en el ARNm que trunca el avance del ribosoma y se detiene la traducción.

Proshkin et al. se dieron cuenta que estos fenómenos de regulación de la expresión genética —polaridad y atenuación— se dan cuando la ARNpol y los ribosomas están físicamente más distantes, permitiendo que el factor Rho o la formación de horquillas terminen con la expresión del gen de manera prematura. Entonces, ¿que pasaría si ambos complejos estuvieran juntos? Proshkin et al. demostraron que los ribosomas asisten directamente a la ARNpol en la elongación del ARNm, aumentando la tasa de transcripción a medida que aumentaban su tasa de traducción, para demostrar esto diseñaron unos cuantos experimentos.

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Primero demostraron que si se reducía la tasa de traducción, la tasa de transcripción también se reducía en la misma proporción. Para esto usaron el Cloramfenicol (Cm), un antibiótico que inhibe la traducción de las proteínas (de esta manera, mata a las bacterias). Se usó una dosis baja (1ug/ml) de Cm, lo suficiente para reducir a la mitad el efecto inhibitorio pero no llegar a matar a la E. coli. Al cuantificar la tasa de traducción, como era de esperarse, esta se redujo de 14 aminoácidos por segundo (aa/s) a 9aa/s. Y al cuantificar la tasa de transcripción, ésta también se redujo, de 42 nucleótidos por segundo (nt/s) a 27nt/s. De esta manera demostraron que, a parte de estar acoplados estos dos procesos, la inhibición de uno afecta directamente al otro.

Pero, como buenos científicos, quisieron corroborar estos resultados usando otro tipo de experimento. Usaron una cepa de E. coli que tiene una mutación en el gen rpsL, el cual codifica para una de las proteínas que componen el ribosoma, volviéndolo más lento. Si se le pone estreptomicina (Sm) al medio, esta cepa mutada vuelve a la normalidad, restaurando la velocidad de traducción del ribosoma. Sin Sm, la velocidad de traducción era lenta (6aa/s) y la tasa de transcripción de 19nt/s, pero, cuando se restauró la velocidad de traducción del ribosoma con 100ug/ml de Sm, la tasa de traducción y transcripción aumentaron a 10aa/s y 30nt/s, respectivamente. De esta manera, está más que comprobado que hay una fuerte dependencia de la velocidad de transcripción de la ARNpol con el ribosoma.

En estos dos experimentos, se afectó la tasa de traducción haciéndole daño al ribosoma. Sin embargo, para que quede completamente validado este trabajo, los investigadores diseñaron otro experimento más, esta vez a nivel del ARNm. Ya vimos en artículos anteriores que cada triplete de nucleótidos (codón) codifican para un determinado aminoácido, y existen aminoácidos que son codificados por más de un codón. Sin embargo, los organismos tienen una mayor preferencia por ciertos tipos de codones. Los codones que no son usados por un organismo son llamados “codones raros”, y cuando hay codones raros en una secuencia de ARNm, la traducción se puede hacer lenta.

Así que el buen Proshkin usó tres genes de E. coli: rplB-tfuA, dos genes fusionados que tienen pocos codones raros, 16 de los 639 codones que lo conforman (2,5%); y el gen srb4, el cual tiene un 15% de codones raros (102 de 688). Como pueden ver las dos secuencias tiene casi el mismo tamaño, sin embargo, la tasa de traducción de rplB-tfuA fue 1.5 veces mayor que de srb4. La tasa de transcripción también tuvo la misma proporción, siendo más veloz en los que tenían menos codones raros. De esta manera queda nuevamente comprobado el efecto del ribosoma en la tasa de transcripción de la ARNpol.

Pero, que conexión hay entre la ARNpol y los ribosomas que causa este efecto? Proshkin et al. sugieren que se debe a la habilidad de la ARNpol de dar marcha atrás al proceso, cuando el extremo 3’ del ARNm se libera del canal secundario y taponea el canal de salida del ARNm que está siendo transcrito, así como un candado. Esto forma una barrera física y detiene la transcripción. Este mecanismo es de suma importancia para controlar la tasa de transcripción global del microorganismo.

Así que Proshkin diseñó un experimento usando un plásmido con sitios de terminación y RBS (sitio de unión al ribosoma) para ver si la proximidad del ribosoma a la ARN polimerasa bloqueaba su mecanismo de marcha atrás. Cuando hay un RBS fuerte, el ribosoma se une inmediatamente al ARNm en nacimiento cubriendo la región 3’ que podría truncar el canal de salida del ARNm que está siendo transcrito, de esta manera no se da el mecanismo de marcha atrás y la velocidad de transcripción se acelera.

Como se ve en la figura, la ARNpol y el ribosoma se acoplan gracias a la unión de dos proteínas receptoras NusG y NusE/S10. El factor de terminación Rho (polarización) también tiene afinidad por la NusG. En ausencia de ribosoma, Rho terminará prematuramente la expresión genética. Además, muchos operones se caracterizan por no tener  RBS de unión fuerte a los ribosomas, reduciendo su afinidad por él, y reduciendo la tasa de transcripción. Pero, bajo estas premisas, ¿que pasa con el ADN ribosomal, el cual no es transcrito pero no traducido a proteína? Si bien el ribosoma no se una al ARN ribosomal que está siendo transcrito, ciertos factores de transcripción se unen a la ARNpol como el NusA, NusB, NusG y NusE, formando un complejo de antiterminación, evitando que el factor Rho se una a la ARNpol y termine la formación del ARN ribosomal.

Referencia:

ResearchBlogging.orgProshkin, S., Rahmouni, A., Mironov, A., & Nudler, E. (2010). Cooperation Between Translating Ribosomes and RNA Polymerase in Transcription Elongation Science, 328 (5977), 504-508 DOI: 10.1126/science.1184939

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