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Una recientemente descubierta batalla molecular podría tener implicaciones importantes para comprender mejor el origen de múltiples enfermedades y trastornos – incluyendo cánceres, enfermedades neurodegenerativas y trastornos inmunitarios – así como para desarrollar posibles tratamientos, según investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania. El equipo realizó este hallazgo en un estudio de mensajeros celulares llamados ARNm, que transportan los planos del ADN necesarios para fabricar proteínas, los componentes básicos de la vida que mantienen el funcionamiento de las células. Después de entregar las instrucciones, estos mensajeros son eliminados por un complejo proteico llamado CCR4-NOT. Se pensaba que las proteínas en CCR4-NOT operaban en armonía, pero los investigadores señalan que no es así: una proteína desestabiliza el ARNm mientras que la otra lo estabiliza.

El equipo reveló esto en células de cáncer colorrectal humano utilizando una herramienta para desactivar temporalmente proteínas específicas. Al eliminar esencialmente una proteína, llamada CNOT1, CCR4-NOT ralentizó la eliminación del ARNm, pero al eliminar otra proteína de la célula, CNOT4, se aceleró el proceso de limpieza. Los detalles de la herramienta y sus análisis están disponibles en línea, a la espera de su publicación en un próximo número del Journal of Biological Chemistry.

«Tradicionalmente, se espera que las subunidades trabajen juntas hacia una función común, pero nuestros resultados muestran que CNOT4 tiene funciones únicas más allá de la degradación o catálisis del ARN», dijo Shardul Kulkarni, profesor asistente de bioquímica y biología molecular en la Universidad Estatal de Pensilvania, y primer autor del estudio. «Nuestro estudio demuestra que no todas las subunidades de un complejo de ‘degradación’ actúan de la misma manera: algunas pueden tener roles distintos e incluso opuestos. Comprender estas fuerzas opuestas nos brinda una imagen más clara de cómo las células mantienen un equilibrio en la expresión génica y podría indicar nuevas formas de intervenir cuando ese equilibrio se pierde».

Este equilibrio es fundamental para la regulación génica, que Kulkarni describió como un regulador de intensidad que aumenta o disminuye precisamente la luz para controlar cuándo, dónde y cuánto se utiliza cada gen, o con qué frecuencia se llevan a cabo las instrucciones para proteínas específicas. Kulkarni añadió:

«El estudio de la regulación génica es esencial para comprender la diferenciación celular, la progresión de una sola célula embrionaria a un organismo multicelular, y los mecanismos por los cuales los organismos se adaptan a los estímulos ambientales», dijo Kulkarni, explicando que, en condiciones de salud, los genes proporcionan los planos para cada componente biológico de un organismo, incluyendo el ARNm, pero eso no significa que el proceso sea precisamente el mismo todo el tiempo. «Nuestro hallazgo proporciona más información sobre cómo las moléculas involucradas en la regulación génica se equilibran o incluso se desafían mutuamente a medida que las células responden al estrés, la nutrición, la temperatura y otros cambios ambientales. Cuando ese sistema regulador falla, puede conducir a enfermedades como el cáncer, trastornos del desarrollo o problemas metabólicos».

Kulkarni trabaja en el laboratorio de Joseph C. Reese, profesor distinguido de bioquímica y biología molecular y autor corresponsal del estudio, en el Centro de Regulación Génica Eucariota de la Universidad Estatal de Pensilvania, donde se centran en CCR4-NOT, la máquina molecular que regula múltiples etapas del ciclo de vida del ARN. Esto se refiere a toda la existencia del ARN en las células: una proteína transcribe instrucciones del ADN al ARNm; el ARNm se procesa y empaqueta para que pueda moverse en la célula y proporcionar la información necesaria para fabricar una nueva proteína; y, finalmente, el ARN se descompone. Ese último paso, cuando el ARN se descompone y el mensaje se borra, está gobernado principalmente por CCR4-NOT.

CCR4-NOT fue descubierto por primera vez en levadura a principios de la década de 1990 y aparece en casi todas las células eucariotas, las células que componen todos los animales, plantas, hongos y muchos otros organismos. Si bien se sabe mucho sobre el complejo a partir de estudios con levadura, Kulkarni dijo que se comprende comparativamente menos el papel de CCR4-NOT en las células humanas. Para abordar esta brecha, el equipo desarrolló un sistema experimental para descubrir funciones previamente no caracterizadas de CCR4-NOT en células humanas.

Llamado sistema de degrón inducible por auxina (AID), la herramienta permite a los científicos «apagar» rápida y reversiblemente una proteína específica dentro de una célula, explicó Kulkarni. Funciona introduciendo una etiqueta a una proteína de interés que le indica a la célula que la destruya.

«Al poder destruir rápidamente las proteínas de interés, el sistema AID permite un control preciso de los niveles de proteína en las células humanas, lo que nos permite observar qué sucede cuando se elimina temporalmente una proteína específica», dijo Kulkarni.

Para probar el sistema AID, el equipo se centró en dos proteínas en CCR4-NOT en una línea celular comercial de cáncer colorrectal humano llamada DLD-1. La primera proteína, CNOT1, sirve como el andamiaje central de CCR4-NOT, mientras que la segunda, CNOT4, es una proteína menos comprendida involucrada en la regulación génica.

Con el sistema AID, los investigadores pudieron reducir completamente cualquiera de las dos proteínas en 60 minutos. Agotar CNOT1 alteró miles de transcripciones – las hebras simples de ARN que se transcriben a ARNm – y ralentizó la degradación del ARNm. Agotar CNOT4, por otro lado, no alteró mucho las transcripciones, pero promovió la degradación del ARNm.

«Comprender las complejidades de los efectos opuestos que CNOT1 y CNOT4 tienen sobre la estabilidad del ARNm tiene varias implicaciones», dijo Kulkarni, explicando que dicho conocimiento podría ayudar a identificar contextos de enfermedad en los que cualquiera de las subunidades esté desregulada, informar el desarrollo de biomarcadores basados en patrones característicos de degradación del ARNm y proporcionar información para estrategias terapéuticas que se dirijan a la estabilidad del ARNm y ajusten la regulación génica. «Con nuestro nuevo sistema, hemos abierto la puerta a aprender aún más».

Otros coautores afiliados al Centro de Regulación Génica Eucariota de la Universidad Estatal de Pensilvania son Courtney Smith y Oluwasegun T. Akinniyi, ambos estudiantes de posgrado en el programa de bioquímica, microbiología y biología molecular. Smith; Akinniyi; Belinda M. Giardine, programadora/analista; y Cheryl A. Keller, profesora de investigación, están afiliados al Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad Estatal de Pensilvania. Keller también es la directora del Centro de Genómica de la Universidad Estatal de Pensilvania en los Institutos Huck de las Ciencias de la Vida en la Universidad Estatal de Pensilvania. Alexei Arnaoutov, División de Biología Molecular y Celular en el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), también contribuyó a este trabajo.

Esta investigación fue posible gracias a varias instalaciones centrales administradas por los Institutos Huck de las Ciencias de la Vida en la Universidad Estatal de Pensilvania, incluyendo la Instalación Central de Proteómica y Espectrometría de Masas de Huck, la Instalación Central de Genómica, la Instalación Central de Citometría de Flujo y la Incubadora de Investigación Genómica.

Los NIH financiaron esta investigación.