Los investigadores descubrieron cómo las células destruyen selectivamente ciertos microARN —reguladores genéticos clave— mediante un mecanismo que requiere que dos señales de ARN trabajen conjuntamente.

Mackenzie White | Instituto Whitehead-MIT

Las células dependen de diminutas moléculas llamadas microARN para regular qué genes se activan y cuándo. Las células deben controlar cuidadosamente la vida útil de los microARN para evitar alteraciones generalizadas en la regulación genética.

Un nuevo estudio liderado por investigadores del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica del MIT y del Instituto Max Planck de Bioquímica de Alemania revela cómo las células eliminan selectivamente ciertos microARN mediante un sistema de reconocimiento molecular inesperadamente complejo. El trabajo, de acceso abierto, muestra que el proceso requiere dos señales de ARN distintas, de forma similar a como muchos sistemas digitales requieren dos formas de verificación de identidad antes de conceder acceso.

Los hallazgos explican cómo las células utilizan este sistema de «autenticación de dos factores» para garantizar que solo se destruyan los microARN deseados, dejando en funcionamiento el resto de la maquinaria de regulación genética.

Los microARN son cadenas cortas de ARN que ayudan a controlar la expresión génica. Junto con una proteína llamada Argonaute, se unen a ARN mensajeros específicos —las moléculas que transportan las instrucciones genéticas del ADN a la maquinaria celular de síntesis de proteínas— y desencadenan su degradación. De esta forma, los microARN pueden reducir la producción de proteínas específicas.

Si bien los científicos reconocieron que los microARN podían destruirse a través de una vía conocida como degradación de microARN dirigida a objetivos, o TDMD, los detalles de cómo las células reconocían qué microARN eliminar seguían sin estar claros.

“Sabíamos que existía una vía que podía dirigir los microARN hacia la degradación, pero no se comprendía el mecanismo bioquímico que la originaba”, afirma David Bartel, profesor del MIT, miembro del Instituto Whitehead y coautor principal del estudio.

Trabajos previos del laboratorio de Bartel y de otros investigadores habían identificado un componente clave en esta vía: la ubiquitina ligasa E3 ZSWIM8. Las ubiquitinas ligasas E3 participan en el sistema de reciclaje celular y unen una pequeña molécula llamada ubiquitina a otras proteínas, marcándolas para su degradación.

Los investigadores demostraron primero que la ligasa E3 ZSWIM8 se une específicamente a Argonaute, la proteína que contiene microARN y ayuda a regular los genes, y la marca. El siguiente reto de los investigadores fue comprender cómo esta maquinaria reconocía únicamente los complejos de Argonaute que portaban microARN específicos que debían ser degradados.

La respuesta resultó ser sorprendentemente sofisticada.

Mediante una combinación de bioquímica y microscopía crioelectrónica —una técnica de imagen que revela estructuras moleculares con una resolución casi atómica—, los investigadores descubrieron que el sistema de degradación se basa en un proceso de reconocimiento de ARN dual. En primer lugar, la proteína Argonaute debe transportar un microARN específico. En segundo lugar, otra molécula de ARN, denominada «ARN desencadenante», debe unirse a ese microARN de una manera particular.

El mecanismo de degradación se activa únicamente cuando ambas señales están presentes.

Este doble requisito garantiza una especificidad exquisita. Cada célula contiene más de cien mil complejos Argonaute-microARN que regulan muchos genes, y destruirlos indiscriminadamente alteraría procesos biológicos esenciales.

“La gran mayoría de las moléculas de Argonaute en la célula realizan una función útil regulando la expresión génica”, afirma Bartel, profesor de biología en el MIT e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. “Solo se deben degradar aquellas que portan un microARN específico y están unidas al ARN desencadenante correcto. Sin esa especificidad, la célula perdería sus microARN y la regulación esencial que estos proporcionan”.

Las imágenes estructurales revelaron interacciones moleculares complejas. La ligasa ZSWIM8 detecta múltiples cambios estructurales que ocurren cuando los dos ARN se unen dentro de la proteína Argonaute.

“Cuando vimos la estructura, todo encajó”, dice Elena Slobodyanyuk, estudiante de posgrado en el laboratorio de Bartel y coautora principal del estudio. “Se podía observar cómo el emparejamiento del ARN desencadenante con el microARN remodela el complejo Argonaute de una manera que la ligasa puede reconocer”.

Más allá de explicar cómo funciona TDMD, los hallazgos pueden influir en la forma en que los científicos conciben la regulación de las moléculas de ARN en un sentido más amplio.

“Muchas ligasas E3 reconocen sus objetivos mediante señales más sencillas”, afirma Jakob Farnung, coautor principal e investigador del Departamento de Máquinas Moleculares y Señalización del Instituto Max Planck de Bioquímica. “Fue como abrir un cofre del tesoro donde cada detalle revelaba algo nuevo y fascinante”.

Los microARN suelen persistir en las células durante períodos de tiempo mucho más prolongados que la mayoría de los ARN mensajeros, pero algunos se degradan mucho más rápidamente, y la vía TDMD parece ser la responsable de muchos de estos microARN de vida inusualmente corta.

Los investigadores están investigando ahora si otros ARN pueden desencadenar vías de degradación similares y si otros microARN se regulan mediante variaciones del mecanismo mostrado en este estudio.

“Esto abre una perspectiva totalmente nueva sobre cómo las moléculas de ARN pueden controlar la degradación de proteínas”, afirma Brenda Schulman, coautora principal del estudio y directora del Departamento de Máquinas Moleculares y Señalización del Instituto Max Planck de Bioquímica. “En este caso, el descubrimiento fue mucho más complejo de lo esperado. Probablemente aún queda mucho por descubrir”.

Para desentrañar los detalles de este intrincado sistema regulador, fue necesaria la colaboración interdisciplinaria, combinando conocimientos especializados en bioquímica del ARN, biología estructural y enzimología de la ubiquitina para resolver este antiguo enigma molecular.

“Este proyecto requirió la colaboración de dos laboratorios que trabajan a la vanguardia en sus respectivos campos”, afirma Schulman, quien también es exalumno del Instituto Whitehead. “Fue un trabajo en equipo increíble”.