¿Pueden los ribosomas leer ssDNA?

Resumen

Los ARN mensajeros que se reclutan en el ribosoma para la síntesis de proteínas in vivo necesitan satisfacer requisitos estructurales particulares y deben interactuar con los factores de iniciación de proteínas que los llevan al ribosoma. El ADN monocatenario genérico (ssDNA) no tiene estas características estructurales y, por lo tanto, no puede traducirse en los ribosomas en condiciones naturales.

Un solo intento informado de traducir análogos basados ​​en desoxirribosa de estos ARNm en condiciones equivalentes a las de la célula no tuvo éxito. Por lo tanto, aunque los experimentos sugieren que el ssDNA puede unirse al ARN de transferencia y permitir la síntesis de algunos polipéptidos en condiciones no fisiológicas, esto refleja solo aquellos aspectos de la biosíntesis de proteínas que involucran interacciones de apareamiento de bases entre el mensaje y otros ARN involucrados en la traducción. Por el contrario, las etapas involucradas en la selección del primer codón de iniciación y el reconocimiento de los codones de terminación involucran interacciones entre los factores proteicos y el mensaje, donde el reconocimiento de un grupo hidroxilo en la posición 2ʹ (y la discriminación entre timina y uracilo) bien puede ocurrir y evitaría la traducción de un mensaje ssDNA sintético.

Si, de hecho, no ha evolucionado ninguna discriminación contra el ADN para los componentes del ARN ribosomal y de transferencia del aparato de traducción, esto puede deberse a que el sistema surgió en un 'Mundo de ARN' antes de que evolucionara el ADN, y porque el ssDNA libre en la célula ha nunca ha sido un competidor del ARNm por los ribosomas, especialmente después de que surgieran sofisticados sistemas basados ​​en proteínas para la selección del codón de iniciación apropiado.

Interacciones fisiológicas contemporáneas del ARNm con los ribosomas

La traducción del ARNm por los ribosomas (biosíntesis de proteínas) es un proceso complejo que se puede dividir en varias etapas, cada una de las cuales generalmente involucra una variedad de moléculas de ARN y proteínas: factores de iniciación (IF), factores de elongación (EF) y factores de terminación o liberación. (RF). Se recomienda al lector que no esté familiarizado con esto que lea un relato de un libro de texto como el del Capítulo 29 de Berg et al.. Sin embargo, para resumir brevemente, son: selección del AUG correcto (generalmente) en el ARNm para la iniciación, unión dependiente de IF del ARNt iniciador al sitio P, unión dependiente de EF y dirigida por codones de un ARNt alargador , formación de enlaces peptídicos catalizada por la subunidad ribosómica grande, translocación dependiente de EF y, finalmente, liberación dirigida por codón de parada y dependiente de RF de la cadena polipeptídica completa.

El primer paso es crucial para la unión de los ARNm naturales, el tema de esta pregunta. En condiciones celulares naturales, los procariotas y los eucariotas tienen diferentes métodos para garantizar que el ribosoma interactúe con el codón de ARNm correcto para comenzar la traducción. En los procariotas, una señal específica de unión a ribosomas ( secuencia de Shine y Dalgarno ) debe interactuar con el ARNr 16S y una proteína de factor de iniciación particular está involucrada en este paso. En eucariotas, el método principal es el reconocimiento de una estructura 5ʹ modificada en el ARNm y el desenrollado de la estructura secundaria, también modulada por factores de iniciación de proteínas.

Tengo conocimiento de un informe de un intento de traducir un análogo basado en ADN de tales estructuras de ARNm naturales bajo cualquier condición. Esto fue por Damian et al. (Biochim. Biophys. Res. Commun 385, 296-301 (2009)), y no tuvo éxito, aunque los métodos físicos indicaron la unión al ribosoma. Imagino que no se produjo el reconocimiento por parte de los factores de iniciación de la proteína, pero no puedo estar seguro de que también se obstaculizara el emparejamiento de bases con el rRNA 16S.

De todos modos, uno puede responder a la pregunta planteada:

El hecho de que el ADN monocatenario 'aleatorio' carezca de las características estructurales para la selección del codón de iniciación correcto explica por qué no se traduciría en condiciones naturales : no podría unirse al ribosoma.

Sistemas artificiales de síntesis de proteínas

Los detalles completos de las reacciones en el ribosoma solo surgieron gradualmente. Sin embargo, la falta de comprensión de las características del ARNm natural requeridas para unirse al ribosoma no impidió la disección de los pasos posteriores de la biosíntesis de proteínas, ni el uso de sistemas ribosómicos para descifrar el código genético. Esto se debe a que fue posible eludir los pasos iniciales mediante el uso de condiciones no fisiológicas adecuadas, que permitieron que los tripletes de polinucleótidos u oligonucleótidos se unieran al ribosoma, donde eran posibles otras reacciones, aunque generalmente de manera menos eficiente que en la célula. Tales condiciones incluían altas concentraciones de iones de magnesio y ciertos antibióticos que afectan la precisión de la síntesis de proteínas. Se ha sugerido que la neutralización de la carga en los fosfatos del esqueleto del ARN por Mg²⁺ mejora (las interacciones hidrofóbicas no específicas en el canal de unión del ARNm y que los antibióticos estabilizan un estado del ribosoma en el que el ARNt de aminoacil puede unirse más fácilmente (y por lo tanto promueve la unión de polinucleótidos por emparejamiento de bases). Una vez unido con los codones enlazados por hidrógeno a los anticodones afines del ARNt, las reacciones de elongación posteriores dependieron de componentes del ribosoma distintos del mensajero artificial.

Así, fue que el código genético se descifró utilizando sistemas libres de células bacterianas a los que se les añadían polinucleótidos sintéticos simples, carentes de secuencias de Shine y Dalgarno o codones de inicio (o terminación); y mediante experimentos en los que los aminoacil-tRNA se unieron a codones triples en ausencia tanto de IF como de EF. Otras reacciones parciales de la síntesis de proteínas se diseccionaron artificialmente de manera similar: la reacción de la peptidil transferasa se estudió en subunidades 50S aisladas utilizando solo un fragmento de ARNt y puromicina realizando la reacción en etanol al 50 %.

Experimentos con ADN monocatenario

Entendiendo que se puede inducir a los ribosomas para que se unan y traduzcan oligo-ribonucleótidos 'no-mRNA' bajo ciertas condiciones artificiales, estamos en condiciones de considerar la importancia de los informes de traducción de oligo-desoxirribonucleótidos - ssDNA.

Los experimentos originales en esta área realizados por McCarthy y Holland en 1965 mostraron que el ADN desnaturalizado de diversas fuentes (incluidas las células animales) podía estimular la incorporación de aminoácidos radiactivos en un sistema libre de células bacterianas, pero esto dependía de la presencia de antibióticos. Además, se demostró en el laboratorio de Khorana que solo ciertos polidesoxinucleótidos sintéticos (análogos a los polirribonucleótidos que usó para descifrar el código genético) estaban activos. Por lo tanto, parecería que bajo las condiciones no fisiológicas que favorecen la unión promiscua de polirribonucleótidos y oligonucleótidos, existe cierta unión de ssDNA y la traducción posterior.

Un artículo de Ricker y Kaji mencionado por @Mesenery informa que los oligodesoxinucleótidos podrían funcionar en algunas reacciones parciales (unión fmet-tRNA) aunque no en otras. En particular, no fue posible realizar una reacción de terminación dependiente de RF con oligonucleótidos que contenían codones de terminación, pero, en presencia de antibióticos, se produjo una terminación independiente de los factores de liberación .

Por lo tanto, es obvio que estos experimentos en los que se traduce ssDNA en ribosomas no tienen importancia fisiológica. Sin embargo, sigue siendo pertinente hacer el complemento a la pregunta del cartel, ¿por qué funciona el sistema?

¿Por qué la desoxirribosa (y la timina) no se discriminan en condiciones artificiales?

Enzimas de síntesis y degradación de ácidos nucleicos — ARN y ADN polimerasas; ribonucleasas y desoxirribonucleasas: son específicas para ARN o ADN (o, en algunos casos, híbridos de ADN/ARN). Esto es importante para garantizar que cumplan con sus funciones específicas y quizás una consecuencia inevitable de la naturaleza de sus reacciones: la formación o ruptura de enlaces azúcar-fosfato. Aquí nos ocupamos de la catálisis por una enzima proteica que se une a estas estructuras en su sitio activo.

Por el contrario, aquellas reacciones de síntesis de proteínas para las cuales ciertos requisitos pueden relajarse en condiciones no fisiológicas implican interacciones de apareamiento de bases.. En los ribosomas modernos pueden optimizarse mediante proteínas asociadas, pero se cree que estas últimas solo evolucionaron más tarde. Se puede pensar que las condiciones artificiales, como altas concentraciones de iones de magnesio o antibióticos, permiten las interacciones esenciales que existían en los 'ur-ribosomas'. Y, por supuesto, como se forman fácilmente híbridos de ADN/ARN, la participación del ADN en tales interacciones no es tan sorprendente. (En el mundo del ARN de los 'ur-ribosomas', o incluso en un mundo de ARN/proteína, no habría necesidad de discriminar el ADN, porque aún no había surgido. Y químicamente, la sustitución de un hidrógeno por un grupo hidroxilo podría no obstaculizar una interacción; en el peor de los casos, solo la debilitaría).

Es pertinente que las reacciones contemporáneas de selección y terminación de AUG dependan de la interacción ARN-proteína. Estos bien podrían implicar el reconocimiento de la ribosa, así como la secuencia de bases, lo que explica las observaciones de Ricker y Kaji, y de Damian et al. , mencionado anteriormente.

Mi pregunta es si la traducción se puede hacer, ya sea de forma natural o artificial, a través de un ribosoma que lee directamente el ADN (monocatenario).

Los ribosomas participan en la traducción del ARNm en proteínas. Consulte el artículo de wikipedia para obtener más información.

Si no, me gustaría saber qué permite traducir ssRNA y ssDNA no.

El "si no" no tiene sentido porque responder sí o no a la primera pregunta en realidad no tiene mucho que ver con la segunda pregunta.

ssRNA y ssDNA se refiere al material genético de algunos virus. La mayoría de las veces, no creo que usemos los términos ssDNA y ssRNA para referirnos a un virus que transcribe inversamente el ARN en ADN, por lo que su pregunta no es clara y es confusa.

Algunos virus hacen la transcripción inversa de ARN a ADN. Lo hacen con una transcriptasa inversa .

Lo que quiero saber con la segunda pregunta es qué característica estructural o química permite la lectura de ARN pero no de ADN.

Oh, creo que entiendo tu pregunta...

El ADN de doble cadena no puede ser traducido por un ribosoma con seguridad. Supongo que ssDNA eventualmente podría caber en un ribosoma (o uno ligeramente modificado), sin embargo, el tRNA debe adaptarse para usar Ty no U. No soy biólogo molecular y no puedo decir más que eso.

Quiero saber cómo el ADN que carece de un grupo 2-hidroxi y usa timina en lugar de uracilo lo hace ilegible para un ribosoma.

¡No sé si lo hace y, si lo hace, entonces no sé por qué! Lo siento, no puedo ayudar más!