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El flujo de información en biología molecular requiere la traducción de la información genética a proteínas funcionales. Al igual que con todos los sistemas biológicos, la traducción génica también implica errores medibles. Las estimaciones de las tasas de error en la traducción se citan típicamente como aproximadamente 1/10000 por codón (revisado por Ribas de Pouplana et al.1). Sin embargo, las tasas de error varían ampliamente, de menos de 10-5 a más de 0.05/codón1,2,3,4,5. La amplia gama de tasas de error, que abarcan más de tres órdenes de magnitud, se debe al hecho de que los errores pueden surgir de varios pasos en la vía de traducción: de los errores estocásticos, mutacionales o inducidos por el estrés en la aminoacilación6, 7 , 8 , 9 , 10, misacilación fisiológica de asparaginyl-y glutaminyl-tRNAs5, o errores de decodificación ribosomal2,3,11. Las tasas de error mensurablemente altas, que representan más de 0,01/codón, sugirieron que los errores traslacionales pueden realizar funciones fisiológicas1,12 y que la desconfianza puede ser específica del contexto13.
Nosotros y otros hemos demostrado que los errores que ocurren naturalmente en la traducción génica pueden ser adaptables, especialmente durante el estrés ambiental1,5,12,14,15,16 ,17,18. En las micobacterias, los errores generados por la vía indirecta de glutamina/asparagina tRNA aminoaciación de dos pasos19,20 resultan en una tolerancia notablemente mayor para el antibiótico antituberculosa de primera línea rifampicina 5. por lo tanto, especulamos que la disminución de la desconfianza micobacteriana con una molécula pequeña puede potenciar la matanza por rifampicina. Se proyectó e identificó la Kasugamicina de aminoglucósidos de origen natural como un compuesto que podría disminuir la desconfianza micobacteriana, potenciar la matanza mediada por rifampicina de las micobacterias tanto in vitro como in vivo21, y limitar la aparición de la resistencia a la rifampicina21, que amenaza el control global de la tuberculosis22 , el patógeno más mortal del mundo.
Para estudiar el error traslacional, se deben emplear métodos para la medición de la desconfianza. Existen múltiples métodos que se han desarrollado para la medición de la desconfianza, cada uno con ventajas y desventajas. Brevemente, los métodos basados en espectrometría de masas de precisión tienen varias ventajas, la más importante de las cuales es que con algoritmos más nuevos para la detección de múltiples tipos de error traslacional, una medición relativamente imparcial de la desconfianza puede ser realizado18. Sin embargo, la espectrometría de masas no es muy adecuada para la medición de los eventos de desamición de la desconfianza, precisamente el tipo de desconfianza que ocurre en las micobacterias debido a la vía de aminoacilación indirecta de tRNA, propenso a errores. Esto se debe a la desamidación no enzimática de alta frecuencia que se produce en el procesamiento de muestras para la espectrometría de masas23, lo que resulta en una señal de fondo extremadamente alta. Por lo tanto, para la detección de errores en esta vía, los reporteros genéticos de ganancia de función ofrecen ventajas distintivas. Específicamente, los reporteros de ganancia de función adecuados pueden tener tasas de fondo extremadamente bajas, lo que permite la medición de tasas de error muy bajas11.
Dado que realizar experimentos con Mycobacterium tuberculosis patógena requiere instalaciones especializadas y precauciones adicionales, realizamos la mayoría de los experimentos en la micobacteria no patógena M. smegmatis , y hemos demostrado anteriormente que los resultados entre las dos especies son ampliamente comparables5,21. Para medir las tasas de desconfianza en las micobacterias generadas por la vía de aminoacilación indirecta de tRNA, modificamos un sistema de doble luciferasa Renilla-luciérnaga que había sido desarrollado previamente para medir los errores de decodificación ribosomal en E. coli 11 para uso en micobacterias. Hicimos tres modificaciones específicas: el reportero original no expresaba eficientemente en las micobacterias, y por lo tanto, la secuencia estaba optimizada para el coco, y el C-terminal tres aminoácidos de luciferasa Firefly, serina-lisina-leucina, que ha sido anotado como señal de tráfico en algunos sistemas24, fue modificado a isoleucina-alanina-valina25. El reportero original tenía un residuo crítico de lisina en la luciferasa Firefly mutado. En cambio, hemos mutado un residuo de aspartato (D120) o glutamato (E144) que se conserva críticamente en la Renilla luciferasa a asparagina y glutamina, respectivamente,25 (figura 1). El reportero fue subclonado en el plásmido epimal inducible por tetraciclina (ver la tabla de materiales). Los reporteros de ganancia de función mutan conservan de manera crítica los residuos funcionales en las enzimas/proteínas fluorescentes que los hace no funcionales11,26. Los errores traslacionales (o teóricamente, transcripcionales) que sintetizan la variante funcional de la proteína provocaría una actividad enzimática medible en un subconjunto de proteínas traducidas. Para corregir la variación en la abundancia de proteínas, el reportero mutado está coexpresado con una proteína funcional que actúa como un punto de referencia y permite la cuantificación precisa de la ganancia de la función11. Mientras que el reportero de doble luciferasa Renilla-luciérnaga permitió la medición precisa de las tasas de desconfianza micobacterianas específicas5,25 (figura 2 y sección 1 del Protocolo), rápidamente se dio cuenta de que no es adecuado para el cribado de moléculas de medio/alto rendimiento que alteraría la tasa de desconfianza. Esto se debe principalmente a dos razones, a saber, a) la relativa falta de potencia de Renilla luciferasa significaba que se requería un mínimo de 1 ml de cultivo/muestra micobacteriana para medir las tasas de desconfianza, y b) el requisito de lisis de las células antes a la medición de la actividad enzimática requería una manipulación manual excesiva: las células micobacterianas tienen una pared celular gruesa y multicapa y un sobre que es relativamente resistente a la lisis. Por lo tanto, buscamos desarrollar un nuevo sistema de reportero de ganancia de función que podría ser utilizado con pequeños volúmenes (por ejemplo, en un sistema de placas de pozo de 96) y no requiere célula-lisis para las mediciones. Usamos la altamente potente Nluc luciferasa e identificamos un residuo de aspartato crítico que, cuando se mutó a Asparagina, resultó en 2 registros de pérdida de la función (figura 1). Además, el pequeño tamaño de Nluc le permitía tener una etiqueta de señal de secreción N-terminal — desde el antígeno 85A, un antígeno secretado importante en las micobacterias27 — que permitiría que nluc fuera secretada en sobrenadante de la cultura y eludieran el requisito de lisis celular. La proteína de referencia, GFP, se expresó desde el mismo promotor que el mutado Nluc, pero a partir de un vector integrado (ver la tabla de materiales), y se podría medir en las células intactas21 (figura 3). A pesar de estas ventajas, el reportero de Nluc/GFP (sección 2 del Protocolo) también tiene desventajas: la reducción relativamente modesta de la actividad de Nluc (100 veces) con la mutación D140N no permitiría la medición de tasas de desconfianza extremadamente bajas, haciendo que el reportero sea más adecuado como herramienta de cribado que para las mediciones precisas del error traslacional. Además, Nluc no tiene residuos críticos de glutamato; por lo tanto, sólo se podrían medir las tasas de error de asparagina-a-aspartato. Los principios generales descritos en este trabajo deben permitir a los investigadores utilizar a estos reporteros como hemos hecho o modificar a los reporteros según sea apropiado para una medición precisa y/o fácil de otras tasas de error translacional específicas en su sistema modelo de Elección.