Los elementos IRES: un ejemplo de la función reguladora del RNA

Artículo publicado en diciembre de 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2017.12.1

Encarnación Martínez-Salas

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Universidad Autónoma de Madrid, Nicolás Cabrera 1, 28049 Madrid

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La función del RNA está determinada por su estructura tridimensional y su capacidad de adquirir distintas conformaciones en respuesta a distintos ligandos o a señales específicas. La diversidad de estructuras de los sitios de entrada interna del ribosoma (IRES) de virus RNA indica la existencia de diferentes estrategias para atrapar la maquinaria de traducción del hospedador. Curiosamente, aunque los IRES de distintos RNAs virales no contienen características conservadas, muchos comparten estructuras flexibles. Esta característica aumenta en correlación con el número de factores necesarios para su actividad, al mismo tiempo que ilustra la enorme dificultad para predecir IRES funcionales en secuencias genómicas.

 

El protagonismo del RNA en procesos biológicos fundamentales es indudable. El RNA contiene información genética con capacidad de replicación como el DNA (ej., el genoma de virus RNA); cataliza la formación del enlace peptídico durante la traducción del mRNA (rRNA ribosoma); tiene actividad enzimática como las proteínas (ej., ribozimas). Además, el RNA desempeña actividades reguladoras únicas (ej., snRNAs, snoRNAs, miRNAs, lncRNAs). Esta versatilidad de actividades es inherente a la plasticidad de su estructura secundaria y terciaria que, junto con su secuencia primaria, aumenta la capacidad de reconocer distintos ligandos en respuesta a señales intracelulares y/o medioambientales.

Investigaciones básicas en distintos virus han protagonizado el descubrimiento de procesos fundamentales de la biología del RNA. Por nombrar algunos, la estructura cap (modificación del extremo m7G(5´)ppp(5´)N del mRNA) se describió en reovirus, el splicing en adenovirus, y la poliadenilación en vaccinia. Un ejemplo más reciente es la iniciación interna de la traducción observada inicialmente en picornavirus (1). La mayoría de los mRNAs eucariotas se traducen mediante un mecanismo dependiente de cap (Fig. 1A) en un proceso regulado por elementos que actúan unos en trans y otros en cis. Defectos en la síntesis de proteínas tienen implicaciones graves en procesos fisiológicos, por ejemplo, la respuesta a diversos tipos de estrés, el desarrollo, la proliferación celular, o la memoria a largo plazo. En estos procesos se dispara la traducción de mRNAs atípicos mediante mecanismos independientes de cap normalmente traducidos a tasas muy bajas, dando lugar a la síntesis de proteínas específicas claves para la supervivencia celular (Fig. 1A). Este proceso es semejante al que ocurre durante infecciones virales.

Nuestro laboratorio está interesado en el estudio de mecanismos alternativos de iniciación de la traducción a través de regiones no traducidas de RNA denominados sitios de entrada interna del ribosoma (IRES). Los elementos IRES son regiones estructuradas del RNA que actúan en cis reclutando la maquinaria de traducción en posiciones internas del mRNA (Fig. 1B). Este proceso sucede de formas diferentes. El caso más sencillo está representado por la región intergénica (IGR) del genoma de dicistrovirus. Este IRES adopta una estructura tridimensional que mimetiza al tRNA iniciador, promoviendo el inicio de la síntesis de proteínas en ausencia de factores de iniciación. No obstante, la mayoría de los IRES virales utilizan factores de iniciación (eIFs) y proteínas de unión a RNA (RBPs) para reclutar la subunidad 40S del ribosoma (2).

La estructura del IRES es un determinante clave de su función. De hecho, a pesar de la gran variabilidad genética de los virus RNA, la estructura secundaria del IRES se conserva en aislados de campo. Sin embargo, todavía no sabemos cómo distintos IRES desempeñan la misma función a pesar de poseer heterogeneidad de secuencia, de estructura secundaria y de los factores necesarios para reclutar el ribosoma. Curiosamente, existe correlación positiva entre la flexibilidad de estructura y el requerimiento de factores para ensamblar complejos traduccionalmente activos (Fig. 1B). Debido a su mayor eficiencia y complejidad de factores necesarios para su función, los IRES de picornavirus y hepatitis C son prototipos para entender el mecanismo de iniciación interna de la traducción (2)(3).

Uno de los problemas por resolver acerca del funcionamiento de los IRES virales es su diversidad de interacción con proteínas, una característica que podría ser consecuencia del dinamismo observado en varios complejos ribonucleoproteicos. El papel que desempeñan distintas RBPs en la actividad IRES se puede clasificar en distintas funciones: actuando como chaperonas de RNA estabilizadoras de conformaciones específicas de la estructura del IRES; mediando interacciones directas con las subunidades ribosomales; estabilizando interacciones de eIFs con el IRES que facilitan el reclutamiento del ribosoma; deshaciendo estructura secundaria del mRNA delante del triplete iniciador; y/o titulando ligandos del IRES, tanto estimuladores como represores. Un ejemplo paradigmático de RBPs estimuladoras de la actividad IRES es PTB, una proteína que reconoce tramos de pirimidinas frecuente en regiones reguladoras del RNA. El número de factores moduladores de la actividad IRES ha aumentado en los últimos años con la llegada de nuevos avances tecnológicos. Nuestro grupo describió Gemin5 cómo un factor regulador de la actividad IRES (4). La proteína Gemin5 contiene dos dominios funcionales bien diferenciados. El dominio amino-terminal es responsable del ensamblaje de los snRNPs, componentes de la maquinaria de splicing. Además, esta región facilita la interacción con el ribosoma, controlando la síntesis global de proteínas (5). Por el contrario, el extremo carboxilo-terminal contiene un motivo de interacción con RNA no canónico que media la interacción con el IRES regulando negativamente su actividad (6). En la actualidad estamos investigando la función de Gemin5 y la de otras proteínas asociadas a elementos IRES en el control de la iniciación interna de la traducción con el objetivo de entender cómo se regula la traducción selectiva de mRNAs celulares.

 

 

 Martinez Salas Fig 1

Figura. (A) Representación esquemática de mRNAs convencionales traducidos en condiciones normales mediante mecanismos dependientes del extremo 5´-cap, o en condiciones de estrés mediante mecanismos alternativos. (B) Diagrama de RNA genómicos de picornavirus, hepatitis C y dicistrovirus. La estructura secundaria del elemento IRES de cada RNA se representa en trazos grises; los requerimientos mínimos para su función se indican a la derecha.

 

Referencias:

1. Pelletier, J. and Sonenberg, N. (1988) Internal initiation of translation of eukaryotic mRNA directed by a sequence derived from poliovirus RNA. Nature, 334, 320-325.
2. Lozano, G. and Martinez-Salas, E. (2015) Structural insights into viral IRES-dependent translation mechanisms. Curr Opin Virol, 12, 113-120.
3. Lozano, G., Jimenez-Aparicio, R., Herrero, S. and Martinez-Salas, E. (2016) Fingerprinting the junctions of RNA structure by an open-paddlewheel diruthenium compound. RNA, 22, 330-338.
4. Pacheco, A., Lopez de Quinto, S., Ramajo, J., Fernandez, N. and Martinez-Salas, E. (2009) A novel role for Gemin5 in mRNA translation. Nucleic Acids Res, 37, 582-590.
5. Francisco-Velilla, R., Fernandez-Chamorro, J., Ramajo, J. and Martinez-Salas, E. (2016) The RNA-binding protein Gemin5 binds directly to the ribosome and regulates global translation. Nucleic Acids Res, 44, 8335-8351.
6. Fernandez-Chamorro, J., Pineiro, D., Gordon, J.M., Ramajo, J., Francisco-Velilla, R., Macias, M.J. and Martinez-Salas, E. (2014) Identification of novel non-canonical RNA-binding sites in Gemin5 involved in internal initiation of translation. Nucleic Acids Res, 42, 5742-5754.

 

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Entrevista

Encarnación Martínez-Salas

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Universidad Autónoma de Madrid, Nicolás Cabrera 1, 28049 Madrid

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- En mi opinión, además de las aptitudes naturales de cada persona, la vocación es el resultado de la suma de acontecimientos ocurridos a lo largo de muchos años. Como bien dice el poema, el camino se hace al andar. En general, la influencia de personas cercanas, incluidos los maestros de la escuela, los profesores de bachillerato o los de la Universidad, son determinantes de las decisiones de cada uno. En mi caso, tuve buenos profesores de química y biología en el bachillerato. Probablemente esta experiencia me llevó a elegir la opción de Ciencias en la segunda etapa de bachillerato. Después del curso Selectivo de Ciencias, decidí estudiar Ciencias Biológicas. Pasado el tiempo creo que fue una buena opción. Una buena experiencia fue la participación en el curso de Biología Molecular que organizaba el Prof. E. Cerdá durante el último año de la Universidad. También influyeron de forma decisiva las personas más cercanas, el interés por la naturaleza y, en general, querer saber cómo funcionan las cosas de alrededor. He de destacar que a lo largo de mi trayectoria científica he tenido la suerte de trabajar en tres laboratorios diferentes liderados por investigadores prestigiosos, abordar distintos problemas científicos, y compartir proyectos con numerosos compañeros. En todos ellos tuve experiencias positivas y aprendí cómo llevar hacia delante un tema de investigación; esta experiencia ha sido importante después para dirigir mi propio grupo de investigación.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Estudié la Licenciatura en Ciencias Biológicas en la Universidad de Sevilla (1972-1977). Posteriormente hice la Tesis Doctoral con el Dr. Miguel Vicente en el Centro de Investigaciones Biológicas, trabajando en mutantes de división en Escherichia coli. Me doctoré en Ciencias en la Universidad Autónoma de Madrid en 1981, continuando en el laboratorio de Miguel con una beca postdoctoral. En 1984 me trasladé al laboratorio del Dr. Esteban Domingo, en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa. En este periodo secuencié el gen de la polimerasa del virus de la fiebre aftosa, además de estudiar variabilidad genética de virus RNA y coevolución virus-huésped en células persistentemente infectadas. En 1986 inicié otra etapa postdoctoral supervisada por el Dr. Melvin De Pamphilis, primero en Harvard Medical School (Boston, MA) y después en el Roche Institute for Molecular Biology (Nutley NJ). Esta etapa fue de gran interés para mi futura carrera científica. Además de tomar las riendas de mi propio proyecto, me permitió tomar contacto con técnicas avanzadas de biología molecular que finalmente nos llevaron a identificar la relevancia de los enhancers para activar promotores y orígenes de replicación en células embrionarias tempranas de ratón después de la primera división cigótica. En 1990, a mi vuelta como Científico Titular en el grupo de E. Domingo, saqué ventaja del conocimiento adquirido en control de expresión génica para desarrollar sistemas de expresión en vectores bicistrónicos portadores de sitios de entrada interna del ribosoma (IRES) de picornavirus. Desde 1995 dirijo un grupo independiente interesado en investigar regiones reguladoras del RNA y proteínas de interacción con RNA implicadas en el control de la expresión génica. En estos años mi grupo ha contribuido al estudio funcional y estructural de elementos IRES de virus RNA, así como a la contribución de proteínas de unión a RNA en la regulación de su actividad. Los IRES de genomas virales constituyen sistemas modelo para entender la traducción selectiva de mRNAs mediante mecanismos independientes de cap, como los que pueden ocurrir en determinadas situaciones de estrés celular o en situaciones fisiológicas específicas.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Una de las primeras recomendaciones es que trabajen con el convencimiento de que pueden llevar adelante su proyecto, y que exploren todas las maneras posibles de conseguir recursos para poder empezar. A pesar de las circunstancias adversas que nos rodean y de las excesivas trabas burocráticas, siempre hay algún resquicio de conseguir apoyo para empezar y seguir hacia delante. En mi opinión, y sobre todo al inicio de la carrera científica, ayuda tener metas a medio plazo para conseguir algún objetivo en un plazo razonable. Sin duda, tener resultados prometedores beneficia a todo el grupo tanto a nivel personal como profesional. A largo plazo, es clave tener claro el problema que queremos resolver y cómo abordarlo. Esta profesión es para gente un tanto estoica, dispuesta a aceptar la derrota más veces de las que se acierta con la solución, y por ello, a reenfocar el trabajo tantas veces como sea necesario. Hay que ser crítico con uno mismo, pero también flexible y estar dispuesto a cambiar de modelo, de sistema de trabajo, o de abordaje experimental cuando sea necesario para poder atajar el problema planteado. Además, es necesario contrastar ideas con otros investigadores y colaborar con otros grupos que aporten abordajes multidisciplinares. En general, el mundo de la investigación en cualquier rama es muy competitivo; hace falta tener ideas claras sobre la(s) pregunta(s) que nos hacemos y cómo la(s) podemos resolver. Es clave tener una formación lo más amplia posible y estar al día en el tema de trabajo así como en los avances tecnológicos de cada área para tener versatilidad en el desarrollo de la investigación.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Nuestro grupo está interesado en el estudio de mecanismos alternativos de iniciación de la traducción en mRNAs eucarióticos a través de regiones no traducidas de RNA denominados sitios de entrada interna del ribosoma (IRES). Los elementos IRES son regiones del mRNA que actúan en cis reclutando la maquinaria de traducción en posiciones internas del mRNA. Todavía no sabemos cómo distintos IRES desempeñan la misma función a pesar de poseer heterogeneidad de secuencia, de estructura secundaria y de requerimiento de factores para reclutar el ribosoma. Esta es la pregunta que queremos resolver: ¿cómo consiguen reclutar la maquinaria de traducción secuencias de RNA diferentes, dispares en estructura secundaria, sirviéndose de factores diferentes? Nuestro grupo ha demostrado que la estructura del IRES es un determinante clave de su función, y que trabaja en acción concertada con proteínas de unión a RNA. Algunas de estas proteínas también controlan la traducción de mRNA celulares, por lo que la comprensión de su mecanismo de acción puede llevarnos a entender cómo se regula la traducción de mRNAs específicos en determinadas situaciones fisiológicas. A día de hoy, todavía queda por descifrar gran parte de la capacidad codificante de los genomas eucariotas. Tanto el avance en metodologías de secuenciación masiva de RNA, el desarrollo de técnicas específicas como ribosome profiling o RNA capture, así como métodos más sensibles de espectrometría de masas, han puesto de manifiesto la existencia de nuevos mecanismos de regulación guiados por nuevas secuencias de RNA y por tipos de proteínas de las que no se conocía su capacidad de interacción con RNA. Un ejemplo es la traducción de regiones codificantes alternativas desde secuencias internas del mRNA (tanto mRNAs convencionales como RNAs circulares) mediante mecanismos independientes del extremo 5´-cap, que no está contemplada en los sistemas de anotación del genoma. Es plausible que algunos de estos eventos esté dirigido por secuencias semejantes a los IRES virales que estudia nuestro grupo. Dada la enorme capacidad reguladora del RNA y la diversidad de estrategias para iniciar la síntesis de proteínas, los resultados de nuestra investigación son relevantes para poder llegar a descifrar la capacidad codificante de genomas eucariotas.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- En comparación a otros países de nuestro entorno, no existe un plan preestablecido sobre cómo articular una carrera científica. Tampoco hay percepción de que la investigación es una prioridad, ni del beneficio que puede generar a la sociedad a largo plazo. Actualmente la poca carrera científica existente está organizada como un oficio de la administración. Falta flexibilidad y sobra burocracia. A pesar de esto hay licenciados, graduados y doctores bien preparados que podrían hacer una carrera investigadora y que tienen aptitudes para ello. Sin embargo, muchos abandonan en los primeros pasos, sobre todo las mujeres, poco después de conseguir el doctorado o incluso después de hacer una etapa postdoctoral. Hay que dejar claro que la incorporación al sistema de investigación hace aguas por todas partes. Por un lado, la escasez de plazas para jóvenes científicos bien formados, con buenas ideas y ganas de trabajar, se contrapone a la oferta de trabajo en otros países (universidades, organismos públicos y privados de investigación, empresas, etc.) que se benefician de la falta de interés de nuestros gobernantes por la ciencia. Por otro lado, las pocas plazas ofertadas favorecen la estabilización de algunos investigadores en el mismo lugar en el que realizaron su tesis doctoral, sin pasar por estancias en otros grupos, otros temas de trabajo y distintos abordajes experimentales. Sin duda, esta situación provoca que se dejen de incorporar investigadores postdoctorales que se desplazaron a otros grupos de investigación para adquirir experiencias nuevas, y que son necesarios para renovar la población envejecida de científicos en nuestro país. Desafortunadamente, ni siquiera hay un reconocimiento social de la investigación. Mientras que eso no suceda, no conseguiremos un nivel científico semejante al de los países que nos rodean.

 

Perfil biográfico

Encarnación Martínez-Salas

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Universidad Autónoma de Madrid, Nicolás Cabrera 1, 28049 Madrid

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Encarnación Martínez-Salas es Profesor de Investigación del CSIC. Es Licenciada en Ciencias Biológicas (Universidad de Sevilla, 1977) y Doctor en Ciencias (Universidad Autónoma de Madrid, 1981). Realizó estancias postdoctorales en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (Dr. E. Domingo, 1984-1986), en Harvard Medical School (Boston, MA) y Roche Institute for Molecular Biology (Nutley, NJ) (Dr. M. De Pamphilis, 1986-1990). En 1990 se incorporó al CBMSO como Científico Titular. Desde 1995 dirige un grupo independiente interesado en investigar regiones reguladoras del RNA y proteínas de interacción con RNA implicadas en el control de la expresión génica. Su grupo ha contribuido a la caracterización funcional y estructural de elementos de entrada interna del ribosoma (IRES). Los elementos IRES de virus RNA constituyen sistemas modelo para entender la traducción selectiva de mRNAs mediante mecanismos independientes de cap. Los resultados de su investigación son relevantes para poder llegar a descifrar la capacidad codificante de genomas eucariotas.

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