Secretos cristalográficos de la enzima que copia nuestros genes

La cristalografía de proteínas toma instantáneas de los procesos moleculares que permiten la vida y son fotos muy hermosas. Así, por ejemplo, se logró dilucidar la estructura tridimensional de la RNA polimerasa (ARN Pol II), la enzima que encuentra y copia nuestros genes de ADN a ARN para que posteriormente se traduzcan a proteínas. Es una enzima enorme con muchas subunidades, lo que se denomina un complejo enzimático. Su complejidad hace que sea difícil de resolver y más aún saber la secuencia de eventos necesarios para su montaje. Esto es, cómo se llega a formar la burbuja de transcripción. Para ello lo que se hace es generar muchas instantáneas con los diferentes componentes y generar un composición cada vez más reveladora. Diferentes grupos científicos han ido mejorando nuestra comprensión del proceso y ya sabemos más de sus secretos.

El proceso es aparentemente sencillo, unos factores denominados factores de transcripción se unen a secuencias de inicio de genes o promotores. Marcan el lugar donde se debe posicionar y unir la maquinaria de transcripción, la polimerasa. Con la polimerasa unida se forma una burbuja de transcripción al separarse mecánicamente las dos hebras que componen el ADN. Esto lo hace un factor de transcripción con actividad helicasa. Una vez separadas, la actividad polimerasa de la enzima puede empezar a añadir nucleótidos, empezado una cadena de ARN novo y al alargarla avanza paulatinamente según la información de la hebra molde. Una vez la cadena de ARN naciente alcanza una longitud de unos 7 nucleótidos, algunos factores de iniciación se despegan y la polimerasa avanza por el ADN transcribiendo hasta que encuentra la parada. Es un proceso complejo pero de gran elegancia lleno de química entre moléculas.

RNA-Pol-II-RNA-initiation-elongation-DNA-complexes-TFIIB-sphere-3dc

Inicio de la trascripción por la RNA pol II. La imagen muestra parte del complejo de la polimerasa en azul, con el centro activo con sus dos iones de magnesio en verde y el factor de transcripción TFIIB en morado. TFIIB estabiliza el inicio de la trascripción de la hebra que sirve de molde en amarillo a ARN naciente en naranja. La hebra no-molde se muestra en fuxia. Cuando el ARN copiado crece hasta una longitud de unos 7 nucleótidos expulsa el factor TFIIB para poder salir del complejo por la hendidura que este deja libre. Estructura basada en el PDB:4BBS

Los experiemntos rebelan que la polimerasa junto con la helicasa es capaz de formar el complejo pero que es abortado al haber añadido unos pocos nucleótidos. Esto parece tener una utilidad práctica de seguridad. Las separaciones de bases entre las dos hebras del genoma se producen espontáneamente y la RNA pol II tiene verdadera afinidad química por estas estructuras. Esto podría dar lugar a transcritos de ARN aleatorios y sin sentido, todo un caos. Para evitarlo el proceso de copia sólo va a termino si está todo es su sitio en las secuencias promotoras. Primero se une la proteína TBP (que reconoce una secuencia de iniciación llamada TATA) que tuerce el ADN, posteriormente se une el factor IIB (TFIIB) que es como un seguro de iniciación. Cuando se une el complejo polimerasa II-factorF a este complejo iniciador se pone en marcha la transcripción. Otro factor TFIIE entra y abre la cadena de ADN dejando cerca del centro activo del enzima la cadena molde y alejando la hebra contraria. Es el momento en el que la enzima cataliza la adición de nucleótidos para ir formando la cadena de ARN complementaria, con verificación de errores, por supuesto. Cuando la cadena de ARN ha crecido unos 7 nucleótidos presiona sobre la punta del factor TFIIB y lo desplaza haciendo que se separe la maquinaria del promotor y avance por la longitud del gen produciendo la cadena de ARN naciente.

Los estudios cristalográficos nos han permitido ver esta maquinaria en detalle y conocer sus secretos, con cada vez más precisión. Conocemos que en el centro activo debe haber dos iones de magnesio 2+, por donde entra el nucleótido o como funciona la catális pero todavía nos queda por saber de esta molécula de la vida.

La estructura de la ARN polimerasa le valió el Nobel de química a Roger Kornberg (hijo del también Nobel Arthur Kornberg) por sus estudios de las bases moleculares de la transcripción eucariótica. El presentó la primera estructura de la enzima en 2001, con el tiempo su modelo se ha ido perfecionado y más de una decada después tenemos más respuestas que generan más preguntas. Tadavía no se sabe todo sobre las secuencias promotoras de genes. Estos factores son análogos tanto en bacterias como en células humanas, hay diferencias pero la similitud es realmente sorprendente. Como también lo es que una cristalización nos vaya mostrando como puede ser la dinámica del proceso.

Este post es la segunda participación del blog flagellum en el III Festival de la Cristalografía que organiza el blog de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco, UPV/EHU. ::ZTFNews

Esta entrada participa en la XXXII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es DIMETILSULFURO

Festival de la Cristalografía celebra el 2014 como año internacional de la cristalografía.

REFERENCIAS

Structure and function of the initially transcribing RNA polymerase II–TFIIB complex. Sarah Sainsbury, Jürgen Niesser & Patrick Cramer.

Cramer, P., Bushnell, D.A. and Kornberg, R.D. (2001) Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 ångstrom resolution. Science 292, 1863-1876.
Gnatt, A.L., Cramer, P., Fu, J., Bushnell, D.A. and Kornberg, R.D. (2001)

Structural basis of transcription: An RNA polymerase II elongation complex at 3.3 Å resolution. Science 292, 1876-1882. Bushnell, D.A., Westover, K.D., Davis, R.E. and Kornberg, R.D. (2004)

Structural basis of transcription: An RNA polymerase II – TFIIB cocrystal at 4.5 angstroms. Science 303, 983-988.

Structure and mechanism of the RNA Polymerase II transcription machinery. Steven Hahn.
Nat Struct Mol Biol. 2004 May; 11(5): 394–403. doi: 10.1038/nsmb763

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