Visualización del proceso de transcripción genética por primera vez

Escrito originalmente por Katherine Fenz, Rockefeller University el 3 de julio de 2024

Una de las primeras imágenes del complejo abierto que se forma cuando la RNAP se encuentra con el ADN y pone en marcha el proceso de transcripción. Crédito: Universidad Rockefeller

Toda célula viva transcribe 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 de ADN se desenrolla para formar un nodo conocido como burbuja de transcripción, de modo que una cadena de ADN expuesta puede copiarse en una cadena de ARN complementaria.

Se desconoce en gran medida cómo logra esta hazaña la RNAP. Una instantánea de RNAP en el acto de abrir esa burbuja proporcionaría una gran cantidad de información, pero el proceso ocurre demasiado rápido para que la tecnología actual pueda capturar fácilmente visualizaciones de estas estructuras.

Ahora, un nuevo estudio publicado en Nature Structural & Molecular Biology describe la RNAP de E. coli en el acto de abrir la burbuja de transcripción.

Los hallazgos, captados en los 500 milisegundos siguientes a la mezcla de la RNAP con el ADN, arrojan luz sobre los mecanismos fundamentales de la transcripción y responden a antiguas preguntas sobre el mecanismo de iniciación y la importancia de sus distintos pasos.

"Es la primera vez que alguien ha podido captar en tiempo real la formación de complejos de transcripción transitorios", afirma Ruth Saecker, primera autora e investigadora del laboratorio de Seth Darst en Rockefeller. "Comprender este proceso es crucial, ya que es un importante paso regulador de la expresión génica".

Una visión sin precedentes

Darst fue el primero en describir la estructura de la RNAP bacteriana, y desentrañar sus pormenores ha seguido siendo uno de los principales objetivos de su laboratorio. Aunque décadas de trabajo han establecido que la unión de la RNAP a una secuencia específica de ADN desencadena una serie de pasos que abren la burbuja, la forma en que la RNAP separa las hebras y coloca una de ellas en su sitio activo sigue siendo objeto de acalorados debates.

Los primeros trabajos en este campo sugerían que la apertura de la burbuja actúaba como una ralentización crítica del proceso, dictando la rapidez con la que la RNAP puede pasar a la síntesis de ARN. Los resultados posteriores en este campo cuestionaron este punto de vista y surgieron múltiples teorías sobre la naturaleza de este paso que limita la velocidad.

"Sabíamos por otras técnicas biológicas que, cuando la RNAP se encuentra por primera vez con el ADN, pasa por una serie de complejos intermedios que están muy reguladas”. dice el coautor Andreas Mueller, becario postdoctoral del laboratorio. "Pero esta parte del proceso puede ocurrir en menos de un segundo, y no podíamos 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, que desarrollaron un sistema robótico basado en inyección de tinta que podía preparar rápidamente muestras biológicas para el análisis por criomicroscopía electrónica.

Gracias a esta colaboración, el equipo captó los complejos que se forman en los primeros 100 a 500 milisegundos del encuentro de la RNAP con el ADN, obteniendo imágenes de cuatro complejos intermedios distintos con suficiente detalle para permitir su análisis.

Por primera vez, se obtuvo una imagen clara de los cambios estructurales y de los complejos intermediarios que se forman durante las etapas iniciales de la unión de la ARN polimerasa al ADN. "La tecnología fue extremadamente importante para este experimento", afirma Saecker. "Sin la capacidad de mezclar ADN y RNAP rápidamente y capturar una imagen de ello en tiempo real, estos resultados no existirían".

Ponerse en posición

Al examinar estas imágenes, el equipo consiguió esbozar una secuencia de acontecimientos que muestra cómo interactúa la RNAP con las hebras de ADN a medida que se separan, con niveles de detalle nunca vistos hasta ahora. A medida que el ADN se desenrolla, la RNAP aferra gradualmente una de las hebras de ADN para impedir que la doble hélice vuelva a unirse.

Cada nueva interacción hace que la RNAP cambie de forma, permitiendo que se formen más conexiones proteína-ADN. Esto incluye empujar hacia fuera una parte de una proteína que bloquea la entrada del ADN en el sitio activo de la RNAP. Se forma así una burbuja de transcripción estable.

El equipo propone que el paso que limita el ritmo de la transcripción puede ser la colocación de la cadena molde de ADN en el sitio activo de la enzima RNAP. Este paso implica la superación de importantes barreras energéticas y la reorganización de varios componentes. En futuras investigaciones se intentará confirmar esta nueva hipótesis y explorar otros pasos de la transcripción.

"En este estudio sólo hemos analizado los primeros pasos", afirma Mueller. "Ahora esperamos estudiar otros complejos, momentos posteriores y otros pasos del ciclo de transcripción".

Más allá de resolver teorías contradictorias sobre cómo se capturan las cadenas de ADN, estos resultados ponen de relieve el valor del nuevo método, que puede capturar en tiempo real acontecimientos moleculares que ocurren en milisegundos. Esta tecnología permitirá realizar muchos más estudios de este tipo, 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, tenemos que comprender cómo se regulan su progreso y su velocidad", afirma Darst. "Una vez que sepamos eso, tendremos una imagen mucho más clara de cómo se inicia la transcripción".

Más información: Ruth M. Saecker et al, Early intermediates in bacterial RNA polymerase promoter melting visualized by time-resolved cryo-electron microscopy, Nature Structural & Molecular Biology (2024). DOI: 10.1038/s41594-024-01349-9

Journal information: Nature Structural & Molecular Biology

Provided by Rockefeller University

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