Termômetro de RNA

O motivo de RNA termômetro FourU [en], com a sequência Shine-Dalgarno destacada.

Um termômetro de RNA (ou termossensor de RNA) é uma molécula de RNA não codificante sensível à temperatura, que regula a expressão gênica.[1] Sua característica única é que não requer proteínas ou metabólitos para funcionar, respondendo apenas a mudanças de temperatura.[2] Frequentemente, termômetros de RNA regulam genes necessários durante respostas ao choque térmico ou ao choque frio [en], mas também estão implicados em outros papéis regulatórios, como em patogenicidade e inanição.[1]

De modo geral, os termômetros de RNA operam alterando sua estrutura secundária e estrutura terciária[3] em resposta a flutuações de temperatura. Essa transição estrutural pode expor ou ocultar regiões importantes do RNA, como o sítio de ligação ao ribossomo, afetando a taxa de tradução de um gene codificador de proteína próximo.

Termômetros de RNA, juntamente com riboswitches, são usados como exemplos em apoio à hipótese do mundo de RNA. Essa teoria propõe que o RNA foi, outrora, o único ácido nucleico presente nas células, sendo posteriormente substituído pelo atual sistema DNA → RNA → proteína.[4]

Exemplos de termômetros de RNA incluem o FourU [en],[5] o elemento cis-regulador Hsp90 [en],[6] o elemento ROSE [en],[7] o termômetro de RNA Lig [en],[8] e o termômetro Hsp17 [en].[9]

Descoberta

O primeiro elemento de RNA sensível à temperatura foi relatado em 1989.[10] Antes dessa pesquisa, mutações a montante do sítio de início de transcrição em um fago lambda (λ) [en] cIII mRNA foram encontradas afetando o nível de tradução da proteína cIII.[11] Essa proteína está envolvida na escolha entre um ciclo lítico ou lisogênico no fago λ, com altas concentrações de cIII promovendo a lisogenia.[11] Estudos adicionais dessa região de RNA a montante identificaram duas estruturas secundárias alternativas; estudos experimentais descobriram que as estruturas são intercambiáveis e dependem da concentração de íons de magnésio [en] e da temperatura.[10][12] Esse termômetro de RNA agora é considerado como incentivador da entrada em um ciclo lítico sob estresse térmico, permitindo que o bacteriófago se replique rapidamente e escape da célula hospedeira.[1]

O termo "termômetro de RNA" foi cunhado apenas em 1999,[13] quando foi aplicado ao elemento de RNA rpoH identificado em Escherichia coli.[14] Mais recentemente, buscas bioinformáticas foram empregadas para descobrir vários candidatos a termômetros de RNA.[15] No entanto, buscas baseadas em sequências tradicionais são ineficientes, pois a estrutura secundária do elemento é muito mais conservada do que a sequência de ácido nucleico.[15]

Reações biológicas e organismos são sensíveis à temperatura para o funcionamento celular. Termômetros de RNA são uma forma eficiente de responder à temperatura, pois permitem que as células monitorem e detectem mudanças para manter a célula viva e estável. Mecanismos induzidos por DNA, RNA ou proteínas evitam pequenas mudanças, pois detectam alterações externas.[16]

Bactérias utilizam termômetros de RNA para entrar e sobreviver em seus hospedeiros, fixando-se a eles e causando flutuações em sua temperatura. As bactérias podem responder rapidamente contra condições de choque térmico e frio, uma vez que os termômetros de RNA controlam a expressão gênica em nível traducional.[16]

O primeiro termômetro de RNA descoberto no cloroplasto de Chlamydomonas reinhardtii, encontrado na 5’-UTR do mRNA psaA, tem uma função distinta, especialmente por ser considerado ausente. Possui uma estrutura secundária do tipo grampo que protege a sequência Shine-Dalgarno em baixas temperaturas, mas, ao ocorrer uma mudança de temperatura, ela se desfaz, ativando a produção de proteínas.[2] A pesquisa sobre o termômetro de RNA de C. reinhardtii é uma porta de entrada para observar o cloroplasto de organismos fotossintéticos para a regulação gênica e como isso pode ser usado na agricultura no futuro, ajudando as plantas a se adaptarem a temperaturas externas.[2]

Distribuição

A maioria dos termômetros de RNA conhecidos está localizada na 5ª região não traduzida [en] (UTR) de RNAs mensageiros que codificam proteínas de choque térmico — embora tenha sido sugerido que esse fato pode ser devido, em parte, a viés de amostragem e às dificuldades inerentes de detectar sequências curtas e não conservadas de RNA em dados genômicos.[17][18]

Embora predominantemente encontrados em procariotos, um potencial termômetro de RNA foi identificado em mamíferos, incluindo humanos.[19] O candidato a termossensor, RNA de choque térmico-1 (HSR1), ativa o fator de transcrição de choque térmico 1 (HSF1) e induz proteínas protetoras quando a temperatura celular excede 37 °C (temperatura corporal [en]), prevenindo o superaquecimento das células.[19]

Os elementos ROSE, uma classe de termômetros de RNA bacterianos, regulam a ativação de genes que possuem pequenas proteínas de choque térmico. Eles derretem moderadamente conforme a temperatura do ambiente aumenta. Quando completamente derretidos a uma alta temperatura de cerca de 42 °C, liberam a sequência Shine-Dalgarno e o códon de início AUG. Termômetros de RNA também podem ser encontrados em alguns simbiontes ou patógenos de plantas, que utilizam esses termômetros para regular a expressão gênica das plantas.[3] Uma bactéria simbiótica bem estudada é da família Rhizobiaceae. Na maioria das espécies rizobiais, elementos ROSE (cis-atuantes) foram observados controlando genes de choque térmico.[3]

Estrutura

Representação 3D da estrutura do termômetro de RNA ROSE [en].[20]

Os termômetros de RNA são estruturalmente simples e podem ser formados por sequências curtas de RNA; o menor possui apenas 44 nucleotídeos e é encontrado no mRNA de uma proteína de choque térmico, hsp17, em espécies de Synechocystis [en], PCC 6803 [en].[9] Geralmente, esses elementos de RNA variam de 60 a 110 nucleotídeos de comprimento[21] e tipicamente contêm um grampo com um pequeno número de pares de bases não correspondentes, o que reduz a estabilidade da estrutura, facilitando o desdobramento em resposta a um aumento de temperatura.[17]

A análise estrutural detalhada do termômetro de RNA ROSE revelou que as bases não correspondentes estão, na verdade, envolvidas em pareamentos não padrão que preservam a estrutura helicoidal do RNA (veja a figura). Os pareamentos incomuns consistem em pares G-G, U-U e UC-U. Como esses pares de bases não canônicos são relativamente instáveis, o aumento da temperatura causa o derretimento local da estrutura do RNA nessa região, expondo a sequência Shine-Dalgarno.[20]

Alguns termômetros de RNA são significativamente mais complexos do que um único grampo, como no caso de uma região encontrada no CspA mRNA [en], que se acredita conter um pseudonó [en], além de múltiplos grampos.[22][23]

Termômetros de RNA sintéticos foram projetados com uma estrutura simples de grampo único.[24] No entanto, a estrutura secundária de termômetros de RNA curtos pode ser sensível a mutações, pois uma única mudança de base pode tornar o grampo inativo in vivo.[25]

Mecanismo

Um grampo estável (esquerda) se desfaz em temperaturas mais altas (direita). A sequência Shine-Dalgarno destacada fica exposta, permitindo a ligação da subunidade ribossômica 30S.[1]

Os termômetros de RNA estão localizados na 5' UTR de RNA mensageiro, a montante de um gene codificador de proteína.[1] Aqui, eles podem ocultar o sítio de ligação ao ribossomo (RBS) e impedir a tradução do mRNA em proteína.[17] Com o aumento da temperatura, a estrutura em grampo pode "derreter", expondo o RBS ou a sequência Shine-Dalgarno, permitindo a ligação da subunidade ribossômica pequena (30S), que então monta a maquinaria de tradução.[1] O códon de início, geralmente encontrado 8 nucleotídeos a jusante da sequência Shine-Dalgarno,[17] sinaliza o início de um gene codificador de proteína, que é então traduzido em um produto peptídeo pelo ribossomo. Além desse mecanismo cis-atuante [en], um único exemplo de termômetro de RNA trans-atuante [en] foi encontrado no RpoS mRNA [en], onde se acredita estar envolvido na resposta à inanição.[1]

Um exemplo específico de motivo de termômetro de RNA é o termômetro FourU encontrado em Salmonella enterica.[5] Quando exposto a temperaturas acima de 45 °C, o grampo que forma pares de bases opostos à sequência Shine-Dalgarno se desfaz, permitindo que o mRNA entre no ribossomo para a tradução ocorrer.[25] A concentração de íons Mg2+ também demonstrou afetar a estabilidade do FourU.[26] O termômetro de RNA mais bem estudado é encontrado no gene rpoH em Escherichia coli.[27] Esse termossensor regula positivamente proteínas de choque térmico em altas temperaturas por meio de σ32, um fator sigma especializado em choque térmico.[13]

Embora tipicamente associados à expressão de proteínas induzida por calor, os termômetros de RNA também podem regular proteínas de choque frio.[22] Por exemplo, a expressão de duas proteínas de 7 kDa é regulada por um termômetro de RNA na bactéria termofílica Thermus thermophilus[28] e um mecanismo semelhante foi identificado em Enterobacteriales [en].[23]

Termômetros de RNA sensíveis a temperaturas de 37 °C podem ser usados por patógenos para ativar genes específicos de infecção.[17] Por exemplo, a regulação positiva de prfA, que codifica um regulador transcricional chave de genes de virulência em Listeria monocytogenes, foi demonstrada pela fusão do 5' DNA de prfA [en] ao gene da proteína fluorescente verde; a fusão gênica foi então transcrita a partir do promotor T7 em E. coli, e a fluorescência foi observada a 37 °C, mas não a 30 °C.[29]

Implicações para a hipótese do mundo de RNA

Ver artigo principal: Hipótese do mundo de ARN

A hipótese do mundo de RNA afirma que o RNA foi, outrora, tanto o portador de informação hereditária quanto enzimaticamente ativo, com diferentes sequências atuando como biocatalisadores, reguladores e sensores.[30] A hipótese propõe então que a vida moderna baseada em DNA, RNA e proteína evoluiu, e a seleção substituiu a maioria dos papéis do RNA por outras biomoléculas.[4]

Termômetros de RNA e riboswitches são considerados evolutivamente antigos devido à sua ampla distribuição em organismos distantemente relacionados.[31] Foi proposto que, no mundo de RNA, os termossensores de RNA teriam sido responsáveis pela regulação dependente de temperatura de outras moléculas de RNA.[4][32] Termômetros de RNA em organismos modernos podem ser fósseis moleculares, sugerindo uma importância anteriormente mais ampla em um mundo de RNA.[4]

Outros exemplos

  • Elemento cis-regulador Hsp90 [en] regula hsp90 [en] em Drosophila, aumentando a taxa de tradução da proteína de choque térmico em altas temperaturas.[6]
  • O operon ibpAB de E. coli é previsto para conter dois termômetros de RNA cooperativos: um elemento ROSE [en] e o termômetro IbpB [en].[33]
  • ROSE1 e ROSEAT2 [en] são encontrados em hyphomicrobiales [en] Bradyrhizobium japonicum [en] e Agrobacterium tumefaciens, respectivamente. Eles existem na 5’ UTR do mRNA HspA, e reprimem a tradução de proteínas de choque térmico em temperaturas fisiológicas.[7][34]
  • Termômetros de RNA cianobacterianos [en]
  • Termômetro de RNA intergênico lcrF [en]
  • Termômetros de RNA Neisseria [en]
  • Termômetro de RNA Lig [en]

Referências

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