Los investigadores capturan una visión nunca antes vista de la transcripción genética

Cada célula viva transcribe el ADN en ARN. Este proceso comienza cuando una enzima llamada ARN polimerasa (RNAP) se une al ADN. En unos pocos cientos de milisegundos, la doble hélice del ADN se desenrolla para formar un nodo conocido como burbuja de transcripción, de modo que una única hebra de ADN expuesta se puede copiar en una hebra de ARN complementaria.

Se desconoce en gran medida cómo RNAP logra esta hazaña. Una instantánea de RNAP en el acto de abrir esa burbuja proporciona una gran cantidad de información, pero el proceso ocurre demasiado rápido para que la tecnología actual capture fácilmente visualizaciones de estas estructuras. Ahora, un nuevo estudio en Naturaleza estructural y biología molecular describe la RNAP de E. coli en el acto de abrir la burbuja de transcripción.

Los hallazgos, capturados dentro de los 500 milisegundos de la mezcla de RNAP con ADN, arrojan luz sobre los mecanismos fundamentales de la transcripción y responden preguntas de larga data sobre el mecanismo de iniciación y la importancia de sus diversos pasos. «Esta es la primera vez que alguien ha podido capturar complejos de transcripción transitorios a medida que se forman en tiempo real», dice la primera autora Ruth Saecker, especialista en investigación en el laboratorio de Seth Darst en Rockefeller. «Comprender este proceso es crucial, ya que es un paso regulador clave en la expresión genética».

Darst fue el primero en describir la estructura de la RNAP bacteriana, y descubrir sus puntos más finos siguió siendo uno de los principales objetivos de su laboratorio. Si bien décadas de trabajo han establecido que la unión de RNAP a una secuencia de ADN específica desencadena una serie de pasos que abren la burbuja, sigue siendo muy debatido cómo RNAP separa las hebras y coloca una hebra en su sitio activo.

Los primeros trabajos en el campo sugirieron que abrir la burbuja actúa como una parada crítica en el proceso, dictando qué tan rápido puede avanzar la RNAP en la síntesis de ARN. Resultados posteriores en el campo cuestionaron esa visión y surgieron múltiples teorías sobre la naturaleza de este paso limitante de la tasa. «Sabíamos por otras técnicas biológicas que, cuando la RNAP se encuentra con el ADN, forma un montón de complejos intermedios que están altamente regulados», dice el coautor Andreas Mueller, becario postdoctoral en el laboratorio. «Pero esta parte del proceso puede ocurrir en menos de un segundo y no hemos podido capturar estructuras en una escala de tiempo tan corta».

Para comprender mejor estos complejos intermedios, el equipo colaboró ​​con colegas del Centro de Biología Estructural de Nueva York, que desarrolló un sistema robótico basado en inyección de tinta que puede preparar rápidamente muestras biológicas para el análisis de criomicroscopía electrónica. A través de esta asociación, el equipo capturó complejos que se forman dentro de los primeros 100 a 500 milisegundos del encuentro del ADN con RNAP, produciendo imágenes de cuatro complejos intermedios distintos con suficiente detalle para permitir el análisis.

Por primera vez, se ha puesto de relieve una imagen clara de los cambios estructurales y los intermediarios que se forman durante las etapas iniciales de la unión de la ARN polimerasa al ADN. «La tecnología fue extremadamente importante para este experimento», afirma Saecker. «Sin la capacidad de mezclar rápidamente ADN y RNAP y capturar una imagen en tiempo real, estos resultados no existirían».

Al examinar estas imágenes, el equipo pudo describir una secuencia de eventos que muestran cómo RNAP interactúa con las cadenas de ADN a medida que se separan, con niveles de detalle nunca antes vistos. A medida que el ADN se desenrolla, la RNAP agarra gradualmente una de las hebras de ADN para evitar que la doble hélice se vuelva a unir. Cada nueva interacción hace que RNAP cambie de forma, permitiendo que se formen más conexiones proteína-ADN. Esto incluye expulsar una parte de una proteína que impide que el ADN ingrese al sitio activo de RNAP. Se forma así una burbuja de transcripción estable.

El equipo propone que el paso limitante de la velocidad de la transcripción puede ser la colocación de la cadena plantilla de ADN en el sitio activo de la enzima RNAP. Este paso implica superar importantes barreras energéticas y reorganizar varios componentes. Las investigaciones futuras tendrán como objetivo confirmar esta nueva hipótesis y explorar otros pasos en la transcripción.

«En este estudio sólo analizamos los primeros pasos», dice Mueller. «A continuación, esperamos observar otros complejos, momentos posteriores y pasos adicionales en el ciclo de transcripción».

Más allá de resolver teorías contradictorias sobre cómo se capturan las cadenas de ADN, estos resultados subrayan el valor del nuevo método, que puede capturar eventos moleculares que ocurren en milisegundos en tiempo real. Esta tecnología permitirá muchos más estudios de este tipo, que ayudarán a los científicos a visualizar interacciones dinámicas en los sistemas biológicos.

«Si queremos entender uno de los procesos más fundamentales de la vida, algo que hacen todas las células, necesitamos entender cómo se regulan su progreso y velocidad», dice Darst. «Una vez que sepamos esto, tendremos una idea mucho más clara de cómo comienza la transcripción».

CRÉDITO DE LA IMAGEN: Laboratorio de Biofísica Molecular de la Universidad Rockefeller