El primer modelo de espliceosoma revela interacciones complejas y descubre objetivos farmacológicos.

Investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG) han creado el primer modelo del espliceosoma humano, la compleja máquina molecular que edita mensajes genéticos transcritos del ADN, permitiendo a las células producir diferentes versiones de proteínas a partir de un mismo gen.

Sus resultados podrían conducir a nuevos enfoques terapéuticos dirigidos al procesamiento del ARN en enfermedades como ciertos cánceres, que están relacionados con moléculas de ARN defectuosas resultantes de errores en el empalme. El mapa detallado del empalme, que los autores del estudio han puesto a disposición del público, podría ayudar a los investigadores a identificar dónde se producen los errores de empalme en las células de los pacientes.

Se tardó más de una década en crear el recurso. “Queríamos que fuera un recurso valioso para la comunidad investigadora”, afirmó Juan Valcárcel, PhD, investigador del CRG y profesor de investigación del Instituto Catalán de Reserva i Estudis Avanças (ICREA). “Los fármacos que corrigen los errores de empalme han revolucionado el tratamiento de trastornos raros como la atrofia muscular espinal. "Este plan puede extender ese éxito a otras enfermedades y llevar estos tratamientos a la corriente principal".

"Los tratamientos de empalme actuales se centran en enfermedades raras, pero son sólo la punta del iceberg", dijo la coautora correspondiente Małgorzata Rogalska, PhD, en CRG. Estamos entrando en una era en la que podemos abordar las enfermedades a nivel transcripcional, creando fármacos modificadores de la enfermedad en lugar de limitarnos a tratar los síntomas. El modelo que hemos desarrollado allana el camino para un enfoque terapéutico completamente nuevo. Es sólo cuestión de tiempo".

Valcárcel es el autor principal del informe de los científicos. Ciencia,La red de empalme de todo el transcriptoma revela funciones reguladoras especializadas del espliceosoma central.," en el que concluyeron, "Dada la amplitud y relevancia funcional del proceso de empalme y su regulación, los recursos, enfoques y conocimientos proporcionados en este y otros estudios relacionados serán útiles para descubrir los mecanismos fisiológicos y patológicos subyacentes y, en última instancia, informar a la diseño Tiene la capacidad de hacer. Nuevos enfoques terapéuticos.

Cada célula del cuerpo humano depende de instrucciones precisas del ADN para funcionar correctamente. Estas instrucciones se transcriben en ARN, que luego se somete a un importante proceso de edición llamado empalme. Durante el corte y empalme, se eliminan los segmentos no codificantes del ARN y las secuencias codificantes restantes se unen para crear una plantilla o receta para la producción de proteínas. La gran mayoría de los genes humanos son editados por el espliceosoma. Si bien los humanos tienen alrededor de 20.000 genes codificadores de proteínas, el empalme permite la producción de al menos cinco veces más proteínas, y algunas estimaciones sugieren que los humanos pueden producir más de 100.000 proteínas únicas.

El espliceosoma es una colección de 150 proteínas diferentes y cinco pequeñas moléculas de ARN que orquestan el proceso de edición del ARN, pero hasta ahora no se entendían completamente las funciones específicas de muchos de sus componentes. Los errores en el empalme se han relacionado con una amplia variedad de enfermedades, incluida la mayoría de los tipos de cáncer, afecciones neurodegenerativas y trastornos genéticos.

"El espliceosoma es una maquinaria molecular compleja que se ensambla secuencialmente sobre precursores de ARN mensajero eucariotas para eliminar intrones (pre-empalme de ARNm), un proceso fisiológicamente regulado que se altera en muchas patologías", explicó el equipo. "Se observan patrones alternativos de eliminación de intrones (empalme alternativo, AS) en más del 90% de los genes humanos y contribuyen a la regulación de la diferenciación celular y la homeostasis".

La gran cantidad de componentes involucrados y la complejidad de la función del espliceosoma significa que el espliceosoma sigue siendo un área esquiva y desconocida en la biología humana. "A pesar de la relevancia biológica y patológica de la AS, los mecanismos moleculares que controlan la selección del sitio de empalme no se conocen bien", dijeron los autores.

Como parte de su estudio recientemente informado, el equipo del CRG derribó (knockdown; KD) la expresión de cientos de genes codificadores de proteínas (SF) relacionados con el empalme en células cancerosas humanas uno por uno y examinó los efectos sobre el empalme general. Observado. Genoma. "Informamos un análisis de todo el transcriptoma sobre la eliminación sistemática de 305 componentes y reguladores de empalme en células cancerosas humanas y la reconstrucción de redes de factores de empalme funcionales que controlan diferentes clases de decisiones de empalme alternativas", escribieron.

El modelo resultante revela que los componentes individuales del espliceosoma son mucho más especializados de lo que se pensaba anteriormente. Muchos componentes no se habían considerado previamente en el contexto del desarrollo de fármacos porque se desconocían sus funciones particulares. Los descubrimientos recientemente informados pueden abrir nuevas estrategias de tratamiento que sean más efectivas y tengan menos efectos secundarios.

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Sus resultados, sugirieron, "desentrañan el complejo circuito de regulación cruzada del factor de empalme...". Valcárcel añadió: “Las capas de complejidad que hemos descubierto son asombrosas. Conceptualizamos a Spliceosome como una máquina de cortar y pegar simple pero importante. Ahora lo vemos como una colección de muchos cinceles flexibles diferentes que permiten a las células esculpir mensajes genéticos con una precisión digna de los grandes maestros escultores de mármol de la antigüedad. Al saber qué hace cada parte, podemos encontrar ángulos completamente nuevos para abordar un amplio espectro de enfermedades.

El trabajo de los científicos reveló que los diferentes componentes del espliceosoma tienen funciones reguladoras únicas. "En conjunto, nuestros resultados demuestran cómo los enfoques de reconstrucción de redes funcionales, así como el interrogatorio sistemático a gran escala del espliceosoma y sus factores reguladores, pueden revelar conocimientos mecanicistas sobre las actividades reguladoras del SF en diferentes contextos biológicos", dijeron.

Es importante destacar que los resultados indicaron que las proteínas dentro del núcleo del espliceosoma no son simplemente coactivadores pasivos, sino que tienen funciones altamente especializadas para determinar cómo se procesan los mensajes genéticos y, en última instancia, influyen en la diversidad de las proteínas humanas. El equipo continuó: "En particular, nuestros hallazgos resaltan funciones inesperadas y especializadas de los componentes de la maquinaria de empalme del núcleo, tanto en complejos de acción temprana como tardía durante el ensamblaje del espliceosoma".

Por ejemplo, un componente selecciona qué segmento de ARN se elimina. Otro componente garantiza que el corte se realice en el lugar correcto de la secuencia de ARN, mientras que otro se comporta como acompañante o guardia de seguridad, evitando que los demás componentes actúen prematuramente y arruinen la plantilla antes de que esté terminada.

Los autores del estudio comparan su descubrimiento con un ajetreado set de postproducción de cine o televisión, donde los mensajes genéticos transcritos del ADN se ensamblan como imágenes en bruto. Rogalska dijo: "Hay varias docenas de editores que estudian el material y toman decisiones rápidas sobre si una escena debe finalizarse o no". “Se trata de un nivel sorprendente de experiencia molecular a la escala de las grandes producciones de Hollywood, pero tiene un giro inesperado. Cualquiera de los contribuyentes puede intervenir, hacerse cargo y marcar la dirección. En lugar de que la producción fracase, esta dinámica da como resultado una versión diferente de la película. Este es un nivel asombroso de democratización que no podríamos haber imaginado”.

Uno de los hallazgos más importantes del estudio es que el espliceosoma está altamente interconectado, por lo que la interrupción de un componente puede tener efectos en cascada en toda la red. Por ejemplo, el estudio manipuló el componente del espliceosoma SF3B1, que se sabe que está mutado en muchos cánceres, incluidos el melanoma, la leucemia y el cáncer de mama. También es un objetivo de los medicamentos contra el cáncer, aunque los mecanismos exactos de acción no están claros hasta ahora.

El estudio encontró que alterar la expresión de SF3B1 en células cancerosas desencadena una cascada de eventos que afecta a un tercio de toda la red de empalme de la célula, provocando una reacción en cadena de fallas que conduce a la muerte de la célula y afecta la capacidad de promover el desarrollo. . Este hallazgo es prometedor porque los tratamientos tradicionales, por ejemplo aquellos dirigidos a mutaciones en el ADN, a menudo hacen que las células cancerosas sean resistentes. Una forma de adaptación de los cánceres es volver a cablear su maquinaria de empalme. El empalme dirigido puede empujar a las células enfermas a superar un punto de inflexión que no puede compensarse, lo que lleva a su autodestrucción.

“Hay tantos cambios en el espliceosoma de las células cancerosas que ya se encuentran en el límite biológicamente plausible. Su dependencia de redes de empalme altamente interconectadas es un potencial talón de Aquiles que podemos aprovechar para diseñar nuevos tratamientos, y nuestro plan proporciona una manera de descubrir estas vulnerabilidades", afirmó Valcárcel.

Dom Reynolds, CSO de Remix Therapeutics, una empresa de biotecnología en etapa clínica en Massachusetts que colaboró ​​con CRG en el estudio, dijo: "Esta investigación pionera descubre las complejas interrelaciones entre los componentes del espliceosoma, revelando conocimientos sobre sus funciones mecanicistas y reguladoras". "Estos hallazgos no sólo mejoran nuestra comprensión de la función del empalme, sino que también abren oportunidades potenciales para apuntar al procesamiento del ARN para la intervención terapéutica en enfermedades asociadas con la desregulación del empalme".

Además del cáncer, existen muchas otras enfermedades causadas por moléculas de ARN defectuosas como resultado de errores en el empalme. Con un mapa detallado del empalme, que los autores del estudio han puesto a disposición del público, los investigadores ahora pueden ayudar a identificar dónde se producen los errores de empalme en las células de los pacientes.

“En general, nuestro conjunto de datos proporciona un recurso único para explorar los objetivos de cualquier componente del espliceosoma y los factores regulatorios; Identificar cualquier individuo, grupo o clase de reguladores de fenómenos de interés detectables en este sistema; y desentrañar las complejas relaciones regulatorias entre los componentes y las transiciones conformacionales de una de las maquinarias moleculares más complejas de las células eucariotas”, concluyó el equipo en su artículo.