Una de las primeras imágenes de los complejos intermedios que se forman cuando la ARN polimerasa se encuentra con el ADN. Crédito: Laboratorio de Biofísica Molecular de la Universidad Rockefeller
Investigaciones recientes explican cómo
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» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>ADN Inicio de la transcripción, capturado en milisegundos utilizando técnicas avanzadas de microscopía. Este avance proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos que regulan la expresión genética, lo que ayuda a resolver debates de larga data en este campo.
Cada célula viva transcribe el ADN en ARN. Este proceso comienza cuando una enzima llamada ARN polimerasa (RNAP) se adhiere al ADN. En unos pocos cientos de milisegundos, la doble hélice del ADN se desenrolla, formando una burbuja de transcripción que permite copiar una cadena de ADN expuesta en una cadena de ARN complementaria.
Se desconoce en gran medida cómo RNAP logra esta hazaña. Una instantánea de RNAP en el acto de abrir esa burbuja proporciona una gran cantidad de información, pero el proceso ocurre demasiado rápido para que la tecnología actual capture fácilmente visualizaciones de estas estructuras. Ahora, en un nuevo estudio
Una mirada sin precedentes
Durst fue el primero en describir la estructura de la RNAP bacteriana, y descubrir sus sutilezas sigue siendo uno de los principales objetivos de su laboratorio. Si bien décadas de trabajo han establecido que la unión de RNAP a una secuencia específica de ADN desencadena una serie de pasos que abren la vesícula, la forma en que RNAP separa las hebras y posiciona una hebra en su sitio activo sigue siendo objeto de acalorados debates.
Los primeros trabajos en el campo sugirieron que la apertura de burbujas actúa como una desaceleración crítica en el proceso, dictando qué tan rápido puede avanzar la RNAP en la síntesis de ARN. Resultados posteriores en el campo cuestionaron esa visión y surgieron muchas teorías sobre la naturaleza de este paso limitante de la tasa. «Sabemos por otras técnicas biológicas que cuando RNAP encuentra por primera vez el ADN, forma un conjunto de complejos intermedios altamente regulados», dice el coautor Andreas Müller, becario postdoctoral en el laboratorio. «Pero esta parte del proceso puede ocurrir en menos de un segundo, y no pudimos capturar estructuras en una escala de tiempo tan corta».
Para comprender mejor estos complejos intermedios, el equipo colaboró con colegas del Centro de Biología Estructural de Nueva York, quienes desarrollaron un sistema robótico basado en inyección de tinta que prepara rápidamente muestras biológicas para el análisis de microscopía crioelectrónica. A través de esta colaboración, el equipo capturó los complejos que se forman dentro de los primeros 100 a 500 milisegundos de la reunión del ADN con RNAP, produciendo imágenes de cuatro complejos intermedios distintos con suficiente detalle para permitir el análisis.
Por primera vez, se observó una imagen clara de los cambios estructurales y los intermediarios formados durante las primeras etapas de la unión de la ARN polimerasa al ADN. «La tecnología fue muy importante para este experimento», dice Sekar. «Sin la capacidad de mezclar rápidamente ADN y RNAP y capturar una imagen en tiempo real, estos resultados no existirían».
Ponerse en posición
Después de examinar estas imágenes, el equipo logró trazar una secuencia de eventos que muestran cómo interactúa RNAP con un nivel de detalle nunca antes visto a medida que las cadenas de ADN se separan. A medida que el ADN se desenrolla, la RNAP agarra gradualmente una de las hebras de ADN para evitar que la doble hélice se vuelva a unir. Cada nueva interacción hace que la RNAP cambie de forma, lo que le permite formar más contactos proteína-ADN. Esto implica eliminar una porción de la proteína que impide que el ADN ingrese al sitio activo de RNAP. Se forma así una burbuja de transcripción estable.
El equipo propone que el paso limitante de la velocidad de la transcripción puede ser la colocación de la cadena plantilla de ADN dentro del sitio activo de la enzima RNAP. Esta fase implica superar importantes barreras energéticas y reconfigurar varios componentes. Las investigaciones futuras tendrán como objetivo confirmar esta nueva hipótesis y explorar otros pasos en la transcripción.
«En este estudio sólo analizamos las primeras etapas», dice Muller. «A continuación, esperamos observar otros complejos, en momentos posteriores y en pasos adicionales en el ciclo de transcripción».
Además de resolver teorías contradictorias sobre cómo se capturan las cadenas de ADN, estos resultados resaltan el valor de un nuevo método que puede capturar eventos moleculares que ocurren en milisegundos en tiempo real. Esta tecnología permitirá más estudios como este, ayudando a los científicos a visualizar interacciones dinámicas en sistemas biológicos.
«Si queremos entender uno de los procesos más fundamentales de la vida, algo que hacen todas las células, necesitamos entender cómo se controlan su progreso y velocidad», dice Dorst. «Una vez que sepamos eso, tendremos una idea mucho más clara de cómo comienza la transcripción».
Cita: «Los primeros intermedios de la fusión del promotor de la ARN polimerasa bacteriana mediante microscopía crioelectrónica de resolución temporal» Ruth M. Saker, Andreas U. Mueller, Brandon Malone, James Chen, William C. Budel, Venkata P. Dande, Kashyap Maruti, Joshua H. Méndez, Nina Molina, Edward T. Ing, Laura Y. Yen, Clinton S. Potter, Bridget Carragher y Seth A. Dorst, 1 de julio de 2024, Naturaleza Biología estructural y molecular.
DOI: 10.1038/s41594-024-01349-9
