11.2: Los Riboswitches (es un elemento del ARN mensajero que es sensitivo a los metabolitos)

Los riboswitches son dominios de ARNm no codificantes que regulan la transcripción y traducción de genes posteriores sin la ayuda de proteínas. Los riboswitches se unen directamente a un metabolito y pueden formar estructuras únicas en forma de bucle o de horquilla en respuesta a la cantidad de metabolito presente. Tienen dos regiones distintas: un aptámero de unión a metabolitos y una plataforma de expresión.

El aptámero tiene una alta especificidad por un metabolito particular, lo que permite que los ribointerruptores regulen específicamente la transcripción incluso en presencia de muchas otras biomoléculas. Los aptámeros se unen a una variedad de moléculas orgánicas que incluyen purinas, coenzimas y aminoácidos. También se unen a moléculas inorgánicas como cationes de magnesio y aniones de fluoruro. La mayoría de los aptámeros unen sus ligandos mediante enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas. Puede haber uno o varios sitios de unión para el ligando en un riboswitch. En el riboswitch de lisina, hay un único sitio de unión a lisina en el aptámero. Por el contrario, en el riboswitch de glicina, dos aptámeros separados específicos de glicina están presentes en el ARNm, lo que permite que el aptámero detecte solo concentraciones muy altas de glicina, ya que el riboswitch funciona solo cuando se unen dos moléculas.

La plataforma de expresión regula la transcripción o traducción formando una estructura anti-terminador o terminadora. La formación de estas estructuras depende de la unión del metabolito al aptámero. En concentraciones bajas, los metabolitos no se unirán al aptámero. Esto indicará a la plataforma de expresión que forme una estructura anti-terminador que permitirá que continúe la transcripción o traducción. Por el contrario, cuando el metabolito está presente en concentraciones elevadas, se unirá al aptámero. En este caso, la plataforma de expresión forma una estructura terminadora seguida de una serie de residuos de uracilo, lo que obliga a la ARN polimerasa a disociarse de la transcripción y la cadena de ADN, terminando así la transcripción. Una plataforma de expresión también puede inhibir la unión del ribosoma a la transcripción formando una estructura de horquilla con el sitio de unión del ribosoma, también conocida como secuencia de Shine-Dalgarno, impidiendo el inicio de la traducción. Otro mecanismo por el cual los riboswitches regulan la transcripción es actuando como enzimas de ARN, o ribozimas, que se observa en la riboswitch-ribozima glmS. Estas ribozimas escinden el ARNm del riboswitch cuando se une el metabolito, y luego la ARNasa degrada el ARNm restante, lo que lleva a la inhibición de la traducción.

Se pensaba que los riboswitches estaban presentes sólo en bacterias y arqueas, pero recientemente también se han observado en plantas y hongos. Hasta ahora, en eucariotas sólo se han encontrado riboswitches específicos de pirofosfato de tiamina (TPP). A diferencia de las bacterias, los genes eucariotas contienen intrones que no permiten que la transcripción y la traducción ocurran en la misma transcripción simultáneamente; por lo tanto, estos riboswitches regulan la transcripción mediante empalme alternativo. En algunas plantas, un riboswitch TPP está presente en la región intrón 3' no traducida del gen THIC. Los niveles bajos de TPP enmascaran el sitio de empalme cercano a 5' de la región no traducida de 3', lo que produce un ARNm estable. Sin embargo, cuando hay altas concentraciones de TPP, el TPP se une al riboswitch y expone el sitio de empalme 5' de la región no traducida 3'. La eliminación del intrón produce ARNm inestable que no puede producir proteínas.

Los ribointerruptores son estructuras de ARNm intrincadamente plegadas que se unen directamente a un metabolito y activan y desactivan la expresión de los genes posteriores en la transcripción.

Estas estructuras regulan la síntesis de varios metabolitos, como la guanina, la coenzima B12 y la lisina. Por lo general, se encuentran en los extremos no codificantes 5' del ARNm procariota y no necesitan proteínas para funcionar.

Los riboswitches tienen dos dominios principales: un aptámero, un sensor de unión a metabolitos altamente específico, y una plataforma de expresión, que actúa como efector para la transcripción o traducción.

Si hay una cantidad insuficiente de un metabolito, no puede unirse al aptámero. Esto hace que la plataforma de expresión forme una estructura anti-terminador que permite que la transcripción y la traducción continúen.

Cuando un metabolito está presente por encima de una concentración umbral, se une al aptámero. Esto cambia la conformación de la plataforma de expresión del anti-terminador a la estructura terminadora que inhibe la transcripción y la traducción.

Un riboswitch puede regular la expresión génica mediante dos mecanismos distintos.

El primer mecanismo afecta a la transcripción de genes. Cuando un metabolito se une al aptámero, el anti-terminador se convierte en el terminador. Esto da como resultado la liberación de ARN polimerasa del ARNm y la plantilla de ADN, lo que conduce a la terminación de la transcripción.

El segundo mecanismo afecta a la traducción del ARNm. Cuando un metabolito se une al aptámero, el terminador bloquea el sitio de unión del ribosoma, lo que hace que el sitio no esté disponible para la unión del ribosoma e impide el inicio de la traducción.