Descubierto un mecanismo universal de regulación en las células vegetales
Gran avance en el campo de la biología molecular de las plantas: Implicaciones de gran alcance para la bioingeniería
En un trabajo pionero, un equipo de investigación germano-japonés del BESSY II ha logrado determinar la estructura 3D de una metaloproteína que desempeña un importante papel como catalizador en todas las células vegetales. Se trata del dominio DYW de la deaminasa de lo que se denomina editosoma de ARN. El dominio DYW altera los nucleótidos del ARN mensajero en los cloroplastos y las mitocondrias y contiene un ion de zinc cuya actividad está controlada por un mecanismo muy poco habitual. El equipo ha podido describir ahora este mecanismo en detalle por primera vez. Su estudio, publicado en Nature Catalysis, se considera un avance en el campo de la biología molecular de las plantas y tiene implicaciones de gran alcance para la bioingeniería.
Alrededor del centro catalítico hay un grupo de moléculas, el dominio de compuerta, que puede ocupar dos posiciones diferentes.
© 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, un gran número de genes de una célula vegetal en sus mitocondrias y cloroplastos puede desarrollar defectos, poniendo en peligro su función. Sin embargo, las células vegetales evolucionaron una herramienta sorprendente llamada editosoma de ARN (un gran complejo proteico) para reparar este tipo de errores. Puede modificar el ARN mensajero defectuoso que resulta del ADN defectuoso mediante la transformación (desaminación) de ciertos nucleótidos del ARNm.
Corrección automática de errores en las células vegetales
La corrección automática de errores en las plantas fue descubierta hace unos 30 años por un equipo dirigido por el fisiólogo de plantas Axel Brennicke y otros dos grupos simultáneamente. Este mecanismo convierte ciertos nucleótidos de citidina del ARN mensajero en uridina para corregir errores en el ADN del cloroplasto o el ADN mitocondrial. La edición del ARN es, por tanto, esencial para procesos como la fotosíntesis y la respiración celular en las plantas. Años más tarde, otros estudios demostraron que un grupo de proteínas denominadas proteínas PPR con dominios DYW desempeñan un papel fundamental en la edición del ARN en las plantas. Estas proteínas PPR con dominios DYW se transcriben en el núcleo celular y migran a través de las células hasta los cloroplastos y las mitocondrias. Sin embargo, están inactivas en su camino hacia estos orgánulos. Sólo una vez que están dentro de los orgánulos se activan y ejecutan su función en un sitio específico del ARNm. Sin embargo, cómo funciona esta activación ha sido un misterio hasta ahora.
No funciona en un tubo de ensayo
Durante muchos años, no ha sido posible producir sintéticamente estas proteínas PPR de tipo DYW en el laboratorio para estudiar más de cerca su función y estructura. Sólo ahora lo ha conseguido un equipo germano-japonés dirigido por el biólogo estructural y bioquímico Dr. Gert Weber, del Grupo Conjunto de Cristalografía de Proteínas del Helmholtz-Zentrum de Berlín y la Freie Universität de Berlín.
Ahora: Descifrada la estructura 3D de la proteína clave
El grupo del profesor Mizuki Takenaka ya había logrado producir el dominio DYW en bacterias. Takenaka ha estado investigando en la Universidad de Kioto desde 2018 y anteriormente trabajó en el laboratorio de Axel Brennicke en Ulm, Alemania. Tatiana Barthel (Universidad de Greifswald y ahora en HZB) pudo entonces hacer crecer los primeros cristales de proteína del dominio DYW. Un gran número de estos delicados cristales de se han analizado ahora en las líneas de luz MX de BESSY II para poder descifrar la arquitectura tridimensional del dominio DYW. "Gracias al grupo de investigación conjunto ubicado en el HZB y la FU de Berlín, tenemos la capacidad de realizar mediciones con gran rapidez cuando es necesario, lo cual era crucial", afirma el Dr. Manfred Weiss, responsable de las líneas de luz MX en BESSY II y coautor del estudio.
Se descubre el mecanismo de activación
Esta arquitectura tridimensional ha proporcionado en realidad la pista crucial del mecanismo de activación del dominio DYW que se aplica a todas las plantas. Se debe a un átomo de zinc situado en el centro del dominio DYW que puede acelerar la desaminación de la citidina a uridina como un catalizador. Sin embargo, para que esto ocurra, el zinc debe estar posicionado de forma óptima. El interruptor de activación lo proporciona un dominio de compuerta muy inusual en las inmediaciones del centro catalítico: el análisis estructural muestra que este dominio de compuerta puede adoptar dos posiciones diferentes, activando o desactivando así la enzima. "El movimiento del dominio de cierre regula el grado de disponibilidad del ión zinc para la reacción catalítica", explica Weber.
Una molécula como unas tijeras
Ahora ha quedado claro por qué ha sido difícil hasta ahora conseguir que las proteínas PPR de tipo DYW reaccionen con el ARN en el tubo de ensayo: estas proteínas PPR son nominalmente inactivas y requieren una activación. En las células vegetales, primero se producen en el núcleo de la célula y luego, muy probablemente, migran en estado inactivado a los orgánulos, donde se activan. "Esto es ideal, porque de lo contrario estas moléculas estarían activas por el camino, alterando diversas moléculas de ARN de forma incontrolada y perjudicial para la célula", dice Weber.
Herramienta de reparación universal
Este trabajo es un 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 cotidiana algún día. El dominio DYW podría proporcionar una herramienta útil para la edición controlable y específica de ARN C a U y U a C. Esto podría abrir nuevas aplicaciones médicas y de bioingeniería, como la reprogramación de ciertos genes mitocondriales sin cambiar el ADN nuclear de una célula.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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