11.6: Estabilidad del ARNm y expresión genética.

La estructura y estabilidad de las moléculas de ARNm regula la expresión genética, ya que los ARNm son un paso clave en el camino del gen a la proteína. En eucariotas, la vida media del ARNm varía desde unos pocos minutos hasta varios días. La estabilidad del ARNm es esencial en el crecimiento y el desarrollo. La ausencia de proteínas que regulan su estabilidad, como la tristetraprolina en ratones, puede provocar problemas sistémicos, como crecimiento excesivo de la médula ósea, inflamación y autoinmunidad.

Elementos que actúan en Cis implicados en la estabilidad del ARNm.

Una secuencia de ARNm no solo codifica proteínas sino que también contiene varias regiones que actúan en cis, que, solas o con la ayuda de proteínas que actúan en trans, regulan la estabilidad del ARNm. El extremo 5' de un ARNm tiene una tapa de 7-metilguanilato (m7G) y el extremo 3' tiene una cola poli-A, los cuales protegen el ARNm de las exonucleasas. Una cola poli-A de menos de 15 a 20 nucleótidos puede provocar la descapsulación y la posterior degradación del ARNm; por tanto, la longitud de la cola poli-A es importante para la estabilidad del ARNm. Las regiones no traducidas (UTR) 5' y 3' del ARNm contienen varias secuencias que actúan como sitios de unión para proteínas implicadas en la degradación y estabilidad del ARNm. La 5' UTR contiene regiones de unión para proteínas que promueven la descapsulación o eliminación de la tapa 5' m7G. La 3' UTR en algunos ARNm, especialmente aquellos con una vida media de menos de 30 minutos, lleva múltiples repeticiones "AUUUA", conocidas como secuencias ricas en AU. Cuando las proteínas desestabilizadoras del ARNm se unen a estas secuencias ricas en AU, promueven una rápida desadenilación y degradación del ARNm. Por otro lado, cuando están presentes proteínas estabilizadoras de ARNm, compiten con las proteínas desestabilizadoras por unirse a las secuencias ricas en AU y disminuyen la tasa de degradación del ARNm. Algunos otros ARNm también portan secuencias de reconocimiento específicas para endonucleasas.

Principales vías de degradación del ARNm

Los mecanismos más comunes de degradación del ARNm implican la eliminación de la cola poli-A del extremo 3' y la tapa m7G 5'. La deadenilación, la eliminación de adeninas de la cola poli-A, puede conducir a la degradación del ARNm mediante dos mecanismos diferentes. El primer mecanismo implica el acortamiento de la cola poli-A a menos de 15-20 nucleótidos, lo que desestabiliza la asociación entre el ARNm y sus proteínas de unión. Esto expone la tapa 5' m7G a las enzimas decapantes, DCP1 y DCP2. El extremo 5' desprotegido y desprotegido del ARNm puede degradarse con la ayuda de la exonucleasa 5' a 3', XRN1. Otro mecanismo de degradación implica la eliminación completa de la cola poli-A 3' por deadenilasas y la posterior degradación del extremo 3' desprotegido por el complejo exosoma citoplasmático en la dirección 3' a 5'. La degradación del ARNm de 5' a 3' es una vía importante en la levadura, mientras que la degradación del ARNm de 3' a 5' es una de las principales en las células de mamíferos; sin embargo, el ARNm también puede degradarse mediante ambos mecanismos al mismo tiempo. En algunos ARNm, la deadenilación no es un requisito previo para la degradación. Un mecanismo implica el decapado del extremo 5' seguido de la degradación del ARNm de 5' a 3' utilizando la exonucleasa XRN1. La otra vía de degradación menos observada implica una escisión interna del ARNm mediante endonucleasas. Los extremos nacientes y desprotegidos del ARNm roto pueden degradarse fácilmente en las direcciones 5' a 3' y 3' a 5' con la ayuda de XRN1 y el complejo exosoma, respectivamente.

El alcance y el momento de la expresión génica se ven afectados por la estabilidad del ARNm.

Los ARNm estables pueden tener vidas medias de varias horas y codificar proteínas que deben producirse continuamente. La síntesis de proteínas puede continuar mucho después de que se detenga la transcripción si no se degrada un ARNm.

Por el contrario, los ARNm inestables suelen tener vidas medias cortas de menos de 30 minutos y se degradan rápidamente. A menos que la transcripción de estos genes sea continua, el ARNm solo se puede traducir durante un corto período de tiempo. Esto ayuda a un organismo a dejar de producir proteínas innecesarias rápidamente.

Los ARNm se degradan por tres vías diferentes.

El método más común es la vía dependiente de la deadenilación, en la que las adeninas se eliminan de la cola de poli-A de un ARNm, lo que desencadena su degradación desde ambos extremos de la transcripción.

El complejo de nucleasa amortiguadora degrada la cola de poli-A en una dirección de 3' a 5'. Después de que se eliminan las adeninas, el ARNm se degrada aún más en la misma dirección por el complejo de exosomas citoplasmáticos.

El extremo 5' de un ARNm tiene una tapa para protegerlo de las exonucleasas. El ARNm a menudo forma un bucle en el que su tapa 5' y su cola de poli-A 3' se mantienen estrechamente unidas por proteínas específicas.

Cuando la cola de poli-A se reduce a menos de 15 residuos, muchas de estas proteínas no pueden unirse a la cola de poli-A, lo que expone la tapa de 5' a las enzimas de destapado, lo que posteriormente resulta en el destaponamiento del extremo 5'.

Este ARNm destapado es degradado de la dirección 5' a 3' por otra exonucleasa.

El segundo tipo de degradación es una vía independiente de la deadenilación en la que las enzimas destaponadoras eliminan las tapas 5'. A continuación, una exonucleasa degrada el ARNm desprotegido del extremo 5' al 3'.

La tercera vía, y la menos frecuente, consiste en la escisión interna de un ARNm utilizando endonucleasas específicas. Los fragmentos del ARNm tienen extremos 5' y 3' sin protección. A continuación, las exonucleasas específicas pueden actuar sobre estos extremos desprotegidos y degradar el ARNm.

La degradación del ARNm se produce en cuerpos proteicos agregados conocidos como procesamiento, o cuerpos P. Estos cuerpos P contienen enzimas, incluidas las involucradas en el destaponado y la degradación de 5' a 3' del ARNm.