El termómetro de ARN o termosensor de ARN ( ing. Termómetro de ARN, termosensor de ARN, RNAT ) es un ARN no codificante sensible a la temperatura que participa en la regulación de la expresión génica . Los termómetros de ARN , por regla general, regulan los genes que son necesarios para la respuesta al calor o al choque por frío , sin embargo, se ha demostrado su participación en la regulación de la inanición prolongada y la patogenicidad [1] .
El principio de funcionamiento de un termómetro de ARN es cambiar la estructura secundaria de esta molécula en respuesta a un cambio de temperatura . Durante estos cambios estructurales, secciones importantes de este ARN, por ejemplo, el sitio de unión al ribosoma , quedan expuestas o, por el contrario, se adentran en la molécula, lo que afecta la traducción del gen codificador de proteínas cercano.
Los termómetros de ARN, junto con los ribointerruptores , respaldan la hipótesis del mundo del ARN . Según esta teoría, al principio el único ácido nucleico presente en las células era el ARN, que posteriormente fue reemplazado por el moderno sistema ADN → ARN → proteína [2] .
Ejemplos de termómetros de ARN son FourU [3] , elemento regulador cis Hsp90 [4] , elemento ROSE [5] , termómetro Hsp17 [6] .
El descubrimiento del primer elemento de ARN sensible a la temperatura se informó en 1989 [7] . Estudios previos han demostrado que las mutaciones aguas arriba del sitio de inicio de la traducción en el ARNm cIII del fago lambda (λ) afectan el nivel de traducción de la proteína cIII [8] . Esta proteína está involucrada en la elección del programa ( vía lítica o lisogénica ) del ciclo de vida del fago λ, y una alta concentración de proteína cIII corresponde a la vía lisogénica [8] . Otros estudios mostraron que esta región de ARN aguas arriba tiene dos estructuras secundarias alternativas. Resultó que estas estructuras no son intercambiables y dependen de la concentración de iones Mg 2+ y la temperatura [7] [9] . Ahora se cree que estos termómetros de ARN activan la vía lítica en condiciones de choque térmico para que el bacteriófago pueda replicarse rápidamente y abandonar la célula huésped [1] .
El término "termómetro de ARN" no se utilizó hasta 1999 [10] , cuando el elemento de ARN rpoH de la bacteria Escherichia coli fue nombrado como tal [11] . Recientemente, se han identificado varios nuevos posibles termómetros de ARN utilizando técnicas bioinformáticas [12] . En este caso, la búsqueda de secuencia habitual es ineficaz, ya que la estructura secundaria de los termómetros de ARN es mucho más conservadora que sus secuencias de nucleótidos [12] .
Se utilizan varios enfoques para estudiar el funcionamiento de los termómetros de ARN. Para estudiar la dinámica de los termómetros de ARN, uno puede reemplazar los nucleótidos ordinarios en ciertos sitios con fluorescentes y, por lo tanto, observar sus cambios [13] . Para determinar la posición del termómetro de ARN en la secuencia en estudio a ciertas temperaturas, se desarrolló un servidor web especial RNAthermsw [14] . Para identificar termómetros de ARN bacteriano, también se utilizan métodos genéticos , por ejemplo, Tet-Trap [15] .
La mayoría de los termómetros de ARN conocidos actualmente se encuentran en las regiones 5' no traducidas (5'-UTR) de los ARNm procarióticos que codifican proteínas de choque térmico . Quizás estos resultados se deban al sesgo de selección ya las dificultades insuperables para encontrar secuencias cortas no conservativas en los datos genómicos [16] [17] .
Aunque la mayoría de los termómetros de ARN conocidos se han encontrado en procariotas (incluidas las cianobacterias [18] ), se han identificado posibles termómetros de ARN en mamíferos , incluidos los humanos [19] . En humanos, el supuesto termosensor de choque térmico RNA-1 (HSR1) activa el factor de transcripción de choque térmico-1 (HSF1) y desencadena la síntesis de proteínas protectoras a temperaturas superiores a 37 °C ( temperatura corporal normal ) , y por lo tanto protege las células del sobrecalentamiento [19] . El elemento regulador cis Hsp90 regula la expresión de la chaperona hsp90 en Drosophila , aumentando su traducción a altas temperaturas [4] .
La estructura de los termómetros de ARN es simple y puede estar formada por secuencias cortas de ARN. El termómetro de ARN más pequeño conocido tiene 44 nucleótidos de largo. Se encuentra en el ARNm de la proteína de choque térmico (hsp17) en la cianobacteria Synechocystis sp. CCP 6803 [6] . En general, los termómetros de ARN varían de 60 a 110 nucleótidos de longitud [21] , y suelen contener una horquilla en la que una pequeña proporción de bases no están apareadas . Reducen la estabilidad de la estructura, por lo que puede derretirse fácilmente cuando aumenta la temperatura [16] .
El análisis estructural detallado del termómetro de ARN de ROSE mostró que las bases no coincidentes en realidad participan en el emparejamiento de bases no estándar que mantiene la estructura helicoidal del ARN. Estos pares inusuales están representados por los pares G -G , U -U y U C -U . Debido a que estos pares no canónicos son relativamente inestables, un aumento de la temperatura provoca la fusión local del ARN en esta región, lo que expone la secuencia Shine-Dalgarno [20] .
Algunos termómetros de ARN son mucho más complejos que una sola horquilla, como en el caso de la 5'-UTR del ARNm de CspA , donde el termómetro de ARN contiene un pseudonudo y muchas horquillas [22] [23] .
Se han desarrollado termómetros de ARN artificial que contienen solo una horquilla [24] . Sin embargo, la secuencia de nucleótidos de estos termómetros de ARN cortos puede ser susceptible a mutaciones, y la sustitución de una sola base puede hacer que este termómetro de ARN quede inactivo in vivo [25] .
Los termómetros de ARN están ubicados en la 5'-UTR del ARNm, aguas arriba de la secuencia de codificación [1] . A diferencia de los ribointerruptores que actúan a nivel de transcripción , traducción y regulación de la estabilidad del ARNm, todos los termómetros de ARN actualmente conocidos actúan a nivel de iniciación de la traducción [26] . Los cambios estructurales en los termómetros de ARN pueden eliminar el sitio de unión del ribosoma en lo profundo de la molécula y, por lo tanto, evitar la traducción del ARNm en proteína [16] . Con el aumento de la temperatura, la estructura de horquilla del termómetro de ARN puede derretirse, exponiendo el sitio de unión del ribosoma o la secuencia Shine-Dalgarno (y en algunos casos el codón de inicio AUG [18] ), permitiendo que la pequeña subunidad del ribosoma ( 30S ) para unirse al ARNm, siguiendo lo que todo el aparato de transmisión está buscando [1] . El codón de inicio , generalmente ubicado 8 nucleótidos aguas abajo de la secuencia Shine-Dalgarno [16] , marca el comienzo de la región codificante de la proteína , que el ribosoma traduce en un péptido . Además de estos termómetros de ARN de acción cis , se conoce el único termómetro de ARN de acción trans , ubicado en el ARNm de RpoS , donde se supone que regula la respuesta a la inanición prolongada [1] .
Como ejemplo, considere el termómetro de ARN de Salmonella enterica FourU [3] . Bajo la acción de temperaturas superiores a 45 °C, la horquilla que contiene la secuencia Shine-Dalgarno se derrite, la secuencia Shine-Dalgarno se desempareja y la traducción del ARNm se hace posible [25] . Se ha demostrado que la estabilidad de FourU se ve afectada por la concentración de Mg 2+ [27] . El más estudiado es el termómetro de ARN ubicado en el ARNm del gen rpoH en E. coli [28] . Este termosensor regula positivamente la traducción de proteínas de choque térmico a altas temperaturas a través de un factor sigma especializado σ 32 [10] .
En Bradyrhizobium japonicum y Rhizobium radiobacter , proteobacterias del orden Rhizobiales, se han descrito los termómetros de ARN ROSE 1 y ROSE AT2 , respectivamente. Están ubicados en el 5'-UTR de HspA y suprimen la traducción de proteínas de choque térmico a temperaturas fisiológicas [5] [29] .
Aunque los termómetros de ARN generalmente se asocian con la expresión de proteínas de choque térmico, también pueden regular la expresión de proteínas de choque frío [22] . Por ejemplo, en la bacteria termófila Thermus thermophilus , la expresión de dos proteínas de 7 kDa está regulada por un termómetro de ARN [30] , y también se ha descrito un mecanismo similar en Escherichia coli [23] .
Los patógenos pueden utilizar termómetros de ARN que responden a 37 °C para activar genes asociados con la infección . Por ejemplo, al injertar el gen que codifica la proteína fluorescente verde en el extremo 5' del gen prfA , que codifica un regulador transcripcional clave de los genes de virulencia en Listeria monocytogenes , se demostró una regulación positiva de la expresión de prfA : al la transcripción de dicho gen híbrido del promotor T7 E. coli se observó fluorescencia a 37°C pero no a 30°C [31] . Los termómetros de ARN participan en la regulación de la virulencia de bacterias patógenas como Leptospira interrogans y Vibrio cholerae [32] . En la bacteria patógena Shigella dysenteriae y las cepas patógenas de Escherichia coli , los termómetros de ARN participan en la regulación de los procesos que afectan a la patogenia [18] [33] [34] .
A veces , un operón puede ser regulado por varios termómetros de ARN. Se prevé que el operón ibpAB de E. coli contenga dos termómetros de ARN cooperativos: el elemento ROSE y el termómetro IbpB [35] .
También se debe tener en cuenta que los termómetros de ARN se pueden usar no solo para regular la traducción de transcritos monocistrónicos que contienen una sola secuencia de Shine-Dalgarno , sino también para transcritos policistrónicos que contienen varias secuencias de Shine-Dalgarno [18] . Por ejemplo, en Pseudomonas putida , la resistencia al estrés la proporciona el operón tricistrónico, que se conserva entre muchas bacterias de vida libre. Los dos primeros genes de este operón están regulados por termómetros de ARN [36] .
La hipótesis del mundo del ARN afirma que inicialmente el ARN actuó como portador de información hereditaria y llevó a cabo procesos enzimáticos , y varias secuencias de ARN actuaron como biocatalizadores , reguladores y sensores [37] . Más tarde, bajo la influencia de la selección, la mayoría de las funciones realizadas por el ARN comenzaron a ser realizadas por otras biomoléculas , y la vida basada únicamente en el ARN fue reemplazada por una vida basada en el ADN , el ARN y las proteínas [2] .
Se cree que los termómetros de ARN y los ribointerruptores son elementos evolutivamente antiguos , ya que están muy extendidos en los organismos evolutivamente más distantes [38] . Se ha sugerido que en el mundo del ARN, los termómetros de ARN realizan una regulación dependiente de la temperatura de otros ARN [2] [39] . En los organismos modernos, los termómetros de ARN son posiblemente " fósiles moleculares " que eran mucho más comunes en el pasado mundo del ARN de lo que son ahora [2] .
Para controlar la temperatura de la expresión génica en bacterias, se están desarrollando termómetros artificiales de ARN [40] [24] .
En 2013, se desarrollaron las "termozimas": termómetros de ARN artificial con actividad de ribozima . La horquilla termosensorial en estado fundido inhibe el trabajo de la ribozima, que libera la secuencia de unión al ribosoma. A temperaturas elevadas, la horquilla se derrite, la ribozima se inactiva y se suprime la expresión génica. Por lo tanto, la termozima reacciona a temperaturas elevadas de manera opuesta a los termómetros de ARN naturales [41] .
En 2016, se informó sobre la creación de "interruptores térmicos": la integración de termómetros de ARN sensibles a la temperatura y aptámeros de ribointerruptores en una sola estructura. Los interruptores térmicos funcionan como ribointerruptores a bajas temperaturas y reaccionan para unirse con su ligando cambiando la estructura, y a altas temperaturas entran en un estado permanentemente "encendido". Así, los interruptores térmicos son los primeros termómetros de ARN que operan a nivel de transcripción . Dichos reguladores de ARN artificiales pueden utilizarse ampliamente para regular la expresión génica [26] .
En 2016, se propuso el algoritmo RNAiFold2T para el desarrollo de termómetros de ARN específicos que contienen IRES. La traslación independiente del casquete de tales elementos termo-IRES es aproximadamente un 50% más intensa a 42°C que a 30°C. Sin embargo, su eficiencia de traducción sigue siendo menor que la de IRES de tipo salvaje, que no depende de la temperatura [42] .
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