El ARN mensajero de transferencia (tmRNA, en inglés Transfer-messenger RNA ), también conocido como 10Sa-RNA y SsrA-RNA [1] , es un pequeño ARN de 260 a 430 nucleótidos de longitud , que interviene en la liberación de los ribosomas "atascados" durante traducción de áreas problemáticas de ARNm , así como la destrucción de péptidos defectuosos resultantes de una traducción incompleta . El mecanismo de liberación de un ribosoma con un ARNm defectuoso con la participación de ARNtm se llama trans -traducción. El primer tmRNA se descubrió en 1994 [2] en Escherichia coli , y desde entonces se han descrito tmRNA en diferentes grupos de bacterias [3] . Los genes tmRNA se encuentran en los genomas de casi todas las bacterias y muchos orgánulos [4] .
Como sugiere el nombre, el tmRNA combina las propiedades tanto del tRNA como del mRNA, y las moléculas de tmRNA contienen dominios que son estructural y funcionalmente similares al tRNA y al mRNA. Sin embargo, el tmRNA es casi cinco veces más grande que el tRNA. Las porciones finales altamente conservadas de la molécula forman una estructura similar al tallo aceptor de tRNA. Junto a estas regiones hay secuencias que son similares a los bucles T y D del ARNt y tienen las modificaciones de nucleótidos correspondientes . Juntas, estas regiones forman una estructura similar a la forma L del tRNA, sin embargo, sin el anticodón [5] .
El dominio similar al mRNA está representado por la parte central de la molécula de tmRNA , que contiene un marco de lectura abierto que codifica un péptido de 10-27 aminoácidos y termina con un codón de parada . No tiene codón de inicio , por lo que su traducción normal es imposible. Se permite acortar o alargar el marco de lectura abierto en un codón sin alterar el funcionamiento de la trans -traducción [1] . Desde el extremo 5', el dominio similar al ARNm es adyacente a la secuencia que forma el pseudonudo , y desde el extremo 3', hay tres pseudonudos más. Los pseudonudos juegan un papel importante en la interacción de la molécula con el ribosoma y los factores de traducción [6] . Los pseudonudos generalmente se conservan, pero a veces sufren cambios, por ejemplo, en las cianobacterias, el último pseudonudo se reemplaza por dos pseudonudos más pequeños dispuestos en tándem. Durante la trans - traducción, se destruye el emparejamiento de bases en el área de los últimos tres pseudonudos [7] [8] .
En algunos casos, se observan permutaciones circulares en el tmRNA (es decir, un fragmento del gen del tmRNA que codifica una de las dos partes funcionales del tmRNA se gira en la dirección opuesta, por lo que el tmRNA se compone de dos fragmentos separados). Son característicos de todas las α-proteobacterias y mitocondrias primitivas de protistas del grupo Jakobida , dos grupos de cianobacterias ( el género Gloeobacter y un clado que contiene el género Prochlorococcus y muchas especies del género Synechococcus ) , así como para algunas β-proteobacterias , por ejemplo, Cupriavidus . Dichos tmRNAs constan de dos partes: aceptor y codificador, además, nunca contienen más de dos pseudonudos [9] [10] .
Una célula típica de E. coli contiene alrededor de 500 copias de tmRNA. Como muchos otros ARN, el ARNtm se somete a un procesamiento postranscripcional , que consiste en la eliminación de varios nucleótidos de ambos extremos por parte de varias ARNasas , incluida la ARNasa P , que también funciona en la maduración del ARNt, así como las exonucleasas ARNasa T y ARNasa PH . [11] [12] . El tmRNA procesado se une a la proteína SmpB y el complejo resultante es reconocido por la alanil-tRNA sintetasa , que agrega un residuo de alanina al extremo 3' del tmRNA [13] . A diferencia de muchas otras aminoacil-tRNA sintetasas, la alanina aminoacil-tRNA sintetasa no reconoce el anticodón del tRNA aminoacilado, por lo que también puede funcionar con tmRNA que carece del anticodón [14] . El tercer par de bases del tallo aceptor no es Watson-Crick, G - U , y es ella quien es reconocida por la alanina-tRNA sintetasa [5] .
A veces, los tmRNA están codificados por elementos genéticos móviles , por ejemplo, están presentes en el 10 % de los micobacteriófagos [15] . Muchos elementos transponibles interrumpen los genes tmRNA. Estos incluyen intrones de tipo I auto empalmados , elementos palindrómicos de rickettsia e islas genómicas que codifican integrasa [16] [17] [18] [19] .
En 2015, se lanzó la base de datos del sitio web de tmRNA , que contiene secuencias de tmRNA, sus alineaciones y anotaciones, así como las secuencias de la proteína SmpB, que está estrechamente relacionada con tmRNA [4] .
SmpB es la proteína más importante que se une al tmRNA. Está tan fuertemente conservado entre las bacterias como el tmRNA. SmpB se une al dominio similar al tRNA del tmRNA y evita que el tmRNA se destruya mientras está fuera del ribosoma , y también mejora la aminoacilación del tmRNA. El dominio globular de la proteína interactúa con el dominio similar al ARNt , por lo que se compensa la ausencia de la mitad inferior de la forma L del ARNt en el ARNtm. Por lo tanto, el dominio similar al ARNt imita al ARNt en complejo con SmpB. El ribosoma de E. coli tiene al menos dos sitios de unión a SmpB, uno en el sitio A y el otro en su sitio P, por lo que el complejo de tmRNA y SmpB que imita al tRNA también se conserva en el ribosoma. Además de SmpB, la proteína ribosómica S1 y el factor de elongación de la traducción EF-Tu pueden unirse a tmRNA . S1 no es necesario para los primeros eventos de traducción trans (antes de la formación de un nuevo enlace peptídico ), pero puede ser importante para los pasos posteriores. EF-Tu en complejo con GTP se une a tmRNA que lleva un residuo de alanina y lo entrega al sitio A del ribosoma, como en la traducción normal [5] .
La detención del ribosoma en el ARNm puede ocurrir si no contiene un codón de parada, si contiene un grupo de codones para los que no hay ARNt aminoacilados en la célula y también en los casos en que el ARNm forma una estructura tridimensional estable que interfiere con el avance del ribosoma. Sin embargo, se observa que algunos ARNm experimentan transtraducción mucho más a menudo que otros, y diferentes ARNm experimentan transtraducción activa en diferentes especies bacterianas . Después de la entrega del complejo de tmRNA con SmpB, GTP se hidroliza a GDP , lo que provoca reordenamientos conformacionales , debido a que EF-Tu en el complejo con GDP abandona el ribosoma, y el dominio similar a tRNA que contiene alanina asociado con SmpB aparece en el Un sitio. Durante este proceso, la cola C-terminal de SmpB interactúa con el canal de ARNm ubicado detrás del sitio A. Si hay mRNA en el canal, la interacción no ocurrirá. Después de eso, el péptido sintetizado antes de que el ribosoma se detenga se transfiere al residuo de alanina del tmRNA. El complejo resultante del péptido, el dominio similar a ARNt y SmpB se mueve del sitio A al sitio P del ribosoma y, para moverse, la conexión entre la cola C-terminal de SmpB y el canal de ARNm debe estar quebrado. A continuación, se produce un reordenamiento conformacional de la cola C-terminal de SmpB, debido a lo cual puede comenzar la traducción de tmRNA [5] . En otras palabras, en lugar del mRNA problemático, el ribosoma comienza a traducir el marco de lectura abierto en tmRNA. Durante la primera translocación del ribosoma, el ARNm sale del ribosoma con la ayuda del factor EF-G y es destruido por RNasas específicas . La síntesis de proteínas , en la que dos ARN codificantes se utilizan en secuencia, se denomina trans -traducción. Cuando el ribosoma completa la traducción del tmRNA, se forma un péptido quimérico, cuyo extremo C se lee del tmRNA. Desempeña el papel de un marcador reconocido por los sistemas de proteólisis bacteriana que degradan el péptido defectuoso [20] .
Las mutaciones del tmRNA que hacen imposible la aminoacilación también bloquean la capacidad del tmRNA para codificar el péptido etiqueta, por lo que el funcionamiento como tRNA prevalece sobre la capacidad de codificación [5] .
Para que el ARNt normal entre en el sitio A del ribosoma, es necesaria la interacción con el ARNm de su anticodón. Sin embargo, el tmRNA no tiene un anticodón y, aparentemente, la parte inferior del tRNA que contiene el anticodón imita a SmpB. Para reconocer el ribosoma que se liberará de la transcripción, se requiere la hidrólisis de GTP. Solo después de que SmpB adopte una conformación que le permita evaluar la ocupación del canal de ARNm [5] .
Por lo tanto, la transtraducción es necesaria para evitar la acumulación de péptidos truncados y ARNm defectuosos en la célula . Por lo tanto, RNase R se une a SmpB en complejo con tmRNA. Se activa en condiciones de estrés, y en Caulobacter crescentus su actividad depende de la etapa del ciclo celular [5] .
El análisis de numerosas secuencias genómicas bacterianas ha demostrado que existen tmRNA y trans -traducción en cada célula bacteriana. La región de tmRNA correspondiente a tRNA tiene una secuencia conservada, a diferencia del resto de la molécula. La secuencia del péptido marcador y su longitud no están muy conservadas, pero sus últimos cuatro residuos de aminoácidos están muy conservados y forman la secuencia A L AA. Es ella quien es el objetivo de la proteasa periplásmica y de las proteasas dependientes de ATP citoplásmicas , que destruyen los polipéptidos defectuosos [5] . Curiosamente, el complejo de Mycobacterium tuberculosis tmRNA y E. coli SmpB no es funcional, mientras que el complejo de E. coli tmRNA y M. tuberculosis SmpB funciona con éxito [21] .
No se encuentra ARN bifuncional como el tmRNA en el genoma nuclear de los eucariotas . Probablemente no necesiten un control de calidad de la traducción tanto como las bacterias, debido a los diferentes mecanismos de control de calidad del ARNm . En levadura , sin embargo, se ha descrito un mecanismo similar a la trans -traducción, llevado a cabo por proteínas. En Saccharomyces cerevisiae , las proteínas traducidas del ARNm defectuoso son ubiquitinadas y dirigidas para su destrucción en el proteasoma . No podemos descartar la posibilidad de que los eucariotas tengan proteínas bifuncionales que tengan una función similar al tmRNA [1] .
Por primera vez, se encontró tmRNA mitocondrial en el protista Reclinomonas americana del grupo Jakobida [9] . Posteriormente, fueron identificados en la gran mayoría de los representantes de Jakobida [22] [23] . Los genes tmRNA también se han identificado en los genomas mitocondriales de los oomicetos [24] . Los tmRNA mitocondriales se caracterizan por permutaciones circulares y constan de dos partes, y solo en Jakoba libera se encontró una inversión que restauró la estructura normal del gen tmRNA, por lo que se sintetiza a partir de él el tmRNA habitual de una sola parte [23] .
Cabe señalar que, además de la trans -traducción, las bacterias tienen otras formas de liberar el ribosoma con el ARNm problemático. Sin embargo, para algunas bacterias, como Mycoplasma genitalium , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae , Helicobacter pylori , Shigella flexneri y Mycobacterium tuberculosis , la transtraducción es vital. En aquellas bacterias que pueden sobrevivir sin tmRNA, la ausencia de trans -traducción reduce la resistencia de las células al estrés: alta o baja temperatura , falta de nutrientes , tratamiento con etanol o calcio , exposición a ácidos y diversos fármacos. Además, bajo condiciones de estrés, la intensidad de la trans -traducción aumenta, lo que probablemente esté asociado con un aumento en el número de ARNm defectuosos bajo estas condiciones. Con escasez de aminoácidos, se activa la endonucleasa RelE , que corta las transcripciones para formar ARNm sin codones de parada, que se destruyen con la participación de ARNtm. La trans -traducción también está asociada con la regulación de la expresión de genes implicados en la respuesta al estrés. Además, cuando el tRNA es destruido por las colicinas E5 y D, E. coli entra en un estado de bacteriostasis con la participación de tmRNA y SmpB [25] . La violación de la trans -traducción reduce la patogenicidad de algunas bacterias, por lo que se están desarrollando antibióticos que interrumpen este proceso [5] .
La trans -traducción también está involucrada en procesos celulares no asociados con el estrés. Por ejemplo, en Caulobacter crescentus , el ciclo celular y el inicio de la replicación del ADN están bajo el control de la trans -traducción. La expresión de tmRNA y SmpB en esta bacteria aumenta en la fase G1 tardía , sin embargo, al comienzo de la replicación , el ADN se destruye rápidamente. Durante la fase G1, el tmRNA es estable, pero al comienzo de la fase S es destruido por la RNasa R [1] . En E. coli , en ausencia de trans -traducción, se retrasa el inicio de la replicación del ADN y se reduce la tasa de crecimiento [26] . En Bacillus subtilis , la trans - traducción está involucrada en la formación de esporas [5] .
Numerosas similitudes estructurales, como horquillas y bucles conservados, sugieren que el origen del tmRNA está estrechamente relacionado con el tRNA. El tmRNA muestra numerosas similitudes estructurales con los intrones de tRNA , que en las bacterias son intrones de tipo I que se autoempalman . Sin embargo, no está claro si el tmRNA se originó a partir de tRNA con un intrón del grupo I o viceversa. Curiosamente, la alanina (el único aminoácido que aminoacila el tmRNA) es uno de los aminoácidos cuyos codones aparecían en la variante más antigua del código genético ancestral ; esto puede ser indicativo de la antigüedad del origen del tmRNA. Varios científicos consideran el tmRNA como un enlace intermedio entre el mundo del RNA y la vida moderna basada en la síntesis de proteínas con la ayuda de los ribosomas. Se supone que la primera forma de tmRNA apareció por la fusión de dos RNA cortos en horquilla; dichos tmRNA contenían un tallo aceptor con un intrón grande, así como un marco de lectura abierto. Probablemente, los tmRNA antiguos tenían varios tallos aceptores que portaban otros aminoácidos además de la alanina. Posteriormente, estos proto-tmRNA dieron lugar a tRNA y mRNA modernos, así como a tmRNA de tipo moderno [14] .
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