Factor de transcripción artificial
Figura 1. Ejemplo de un factor de transcripción natural que regula positivamente la expresión génica. 1. Los factores de transcripción (proteínas activadoras marcadas) se unen a su secuencia de ADN específica (potenciadores marcados). 2. Los factores de transcripción reclutan otras proteínas y factores de transcripción para formar un complejo proteico que se une al promotor del gen. 3. Después de que el complejo proteico activador se une al promotor, la ARN polimerasa se une fácilmente y comienza a transcribir el gen objetivo. 4. y 5. son escenarios adicionales donde en 4. un aislante/inhibidor puede unirse al ADN impidiendo la activación para la transcripción y en 5. la metilación puede impedir que el aislante se una.

Los factores de transcripción artificiales (ATF) son factores de transcripción individuales o multimoleculares diseñados que activan o reprimen la transcripción genética (biología) . [1]

Los ATF suelen contener dos componentes principales unidos entre sí, un dominio de unión al ADN y un dominio regulador, también conocido como dominio efector o dominio modulador. [1] El dominio de unión al ADN se dirige a una secuencia de ADN específica con alta afinidad, y el dominio regulador es responsable de activar o reprimir el gen unido. [1] El ATF puede regular directamente la expresión génica, puede reclutar proteínas y otros factores de transcripción para iniciar la transcripción, o reclutar proteínas y otros factores de transcripción para compactar el ADN que inhibe que la ARN polimerasa se una y transcriba el ADN; un ejemplo de factores de transcripción que regulan positivamente la expresión génica se muestra en la figura 1 a la izquierda. [1] [2] Debido a que los ATF están compuestos de dos componentes separables, el dominio de unión al ADN y el dominio regulador, los dos dominios son intercambiables, lo que permite el diseño de nuevos ATF a partir de factores de transcripción naturales existentes. [1]

Algunas aplicaciones de los ATF incluyen la reprogramación del estado celular, el tratamiento del cáncer y un posible tratamiento para el síndrome de Angelman. [2] [3] [4]

Diseño ATF

Dominio de unión al ADN

El dominio de unión al ADN dirige el ATF a una secuencia genética específica. Las proteínas de unión al ADN naturales se utilizan comúnmente debido a su alta afinidad por su secuencia de ADN diana, sin embargo, actualmente no existe ningún algoritmo que haga coincidir la secuencia de aminoácidos de la proteína con la secuencia de unión al ADN complementaria, lo que limita el diseño racional de nuevas proteínas de unión al ADN. [1] Recientemente se han explorado dominios de unión al ADN no peptídicos, oligonucleótidos y poliamidas que permiten un diseño racional. [1] El tipo de dominio de unión al ADN elegido depende de la aplicación deseada del ATF; los dominios de unión al ADN más comunes se presentan en la sección Tipos de dominios de unión al ADN del ATF a continuación. [1] [2]

Dominio regulatorio

El dominio regulador es responsable de activar o reprimir el gen unido y logra esta regulación ya sea regulando directamente la expresión génica o reclutando otras proteínas y factores de transcripción para cambiar los niveles de transcripción. [1] [2] Una ruta para regular positivamente un gen es que el ATF reclute proteínas que aflojen la envoltura de ADN alrededor de las histonas permitiendo que la ARN polimerasa se una y transcriba el gen; de la misma manera, compactar el ADN regularía negativamente la expresión génica al inhibir la unión de la ARN polimerasa. [1] Los dominios reguladores que promueven la transcripción génica suelen ser activadores ácidos, compuestos de aminoácidos ácidos e hidrófobos, y los dominios reguladores que reprimen la transcripción génica suelen contener más aminoácidos básicos. [1] Los factores que influyen en el efecto que tiene el ATF sobre la transcripción incluyen la distancia entre el dominio regulador y el sitio de transcripción, el tipo de célula y la cantidad de secuencias activadoras o represoras presentes en el dominio regulador. [1] Los dominios activadores, dominios reguladores que promueven la transcripción genética, a menudo son capaces de aumentar la transcripción de 5 a 40 veces y se ha demostrado que los dominios reguladores de ARN dan como resultado niveles de transcripción 100 veces mayores. [1] Una estrategia alternativa para reprimir genes es que el ATF compita con los factores de transcripción naturales y bloquee físicamente la transcripción por la ARN polimerasa; sin embargo, crear ATF con mayor afinidad por la secuencia de ADN que los factores de transcripción naturales sigue siendo un desafío. [1]

Enlazadores

Los enlaces unen de forma covalente o no covalente el dominio de unión al ADN y el dominio regulador. [1] Con frecuencia, se utilizan enlaces peptídicos, pero también existen enlaces de polietilenglicol y moléculas pequeñas. [1] Los enlaces permiten que los dominios de unión al ADN y los dominios reguladores sean intercambiables, lo que permite el diseño de nuevos ATF a partir de componentes de factores de transcripción naturales. [1] Aunque los enlaces son menos estudiados, la longitud del enlace es importante porque altera el grado de impacto que tiene el dominio regulador en la expresión génica. [1]

Historia

La mayoría de los ATF se han construido intercambiando dominios de unión al ADN y dominios reguladores existentes para generar ATF con nuevos sitios de orientación y consecuencias de regulación de la transcripción. [1] Se están explorando dominios de unión al ADN diseñados, como CRISPR-Cas, con nuevas capacidades de orientación para diseñar una mayor especificidad y controlar los posibles efectos secundarios. [2] En el futuro, los ATF que pueden responder a señales fisiológicas, solo cambiar los niveles de transcripción en un tipo de célula específico y se pueden administrar fácilmente sin el uso de electroporación son de gran interés. [1]

Tipos de dominios de unión al ADN de ATF

CRISPR-Cas

El sistema CRISPR -Cas de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas se ha estudiado ampliamente para dirigirse a una secuencia de ADN específica utilizando un único ARN guía (sgRNA). [5] Para aplicaciones ATF, el sistema CRISPR-Cas se modifica para inactivar la función natural de la enzima Cas y vincular un dominio regulador a la enzima Cas. [2] El sistema CRISPR-Cas se beneficia de una alta especificidad entre el sgRNA y la secuencia de ADN objetivo y la simplicidad de diseñar nuevos sgRNA; sin embargo, el sistema CRISPR-Cas requiere una secuencia PAM directamente aguas arriba del sitio de ADN objetivo y el gran tamaño de la proteína Cas dificulta la entrega a la célula. [2]

CUENTOS

Los efectores tipo activadores de la transcripción (TALEs) son estructuras peptídicas compuestas por segmentos repetidos de 34 aminoácidos de longitud que forman un péptido cuya longitud total varía de 340 a 510 aminoácidos. [2] Cada segmento repetido se pliega en dos hélices alfa y los aminoácidos en las posiciones de residuos 12 y 13 en el segmento repetido determinan la secuencia de unión al ADN. [2] El péptido TALEs tiene una alta especificidad para el ADN objetivo, lo que evita efectos secundarios, pero esta alta especificidad evita que el ATF se una a múltiples sitios y requiere un ATF diferente para cada efecto deseado. [2]

Dedos de zinc

Los dedos de zinc son naturalmente abundantes, están involucrados en múltiples procesos regulatorios y son factores transcripcionales eucariotas comunes. [6] Los dedos de zinc Cis2/His2 han sido ampliamente estudiados, están compuestos de 30 aminoácidos, pueden unirse a secuencias no palindrómicas y contienen de 3 a 4 aminoácidos críticos en las posiciones 1, 3 y 6 en la hélice alfa que designan la secuencia de unión complementaria. [4] [7] [8] Debido a que los dedos de zinc tienen solo 30 aminoácidos de longitud, son más fáciles de administrar y se pueden unir múltiples dedos de zinc para apuntar a secuencias de ADN más grandes con un ATF; sin embargo, conectar más de tres dedos de zinc juntos reduce la especificidad de cada dedo de zinc y aumenta la orientación fuera del sitio. [2]

Aplicaciones de ATF

Reprogramación del estado celular

Tradicionalmente, la diferenciación celular y la reprogramación del destino celular se han logrado mediante una mezcla de factores de transcripción. [9] El campo ganó un interés significativo una vez que se descubrió que cuatro factores de transcripción Oct4/Sox2/cMyc/Klf4 reprogramaban las células desde un estado diferenciado a un estado de célula madre pluripotente inducida similar a las células madre embrionarias. [10] Múltiples ATF compuestos de tres proteínas de dedo de zinc unidas entre sí pueden activar genes que eventualmente conducen a la producción del factor de transcripción Oct4 en la célula, lo que hace que la célula se reprograme a un estado pluripotente inducido sin la adición de factores de transcripción Oct4 externos. [2] El cambio en el estado celular demuestra que los ATF pueden reemplazar los factores de transcripción tradicionales en la reprogramación celular. [2]

Síndrome de Angelman

El síndrome de Angelman es un trastorno del desarrollo neurológico causado por la desactivación del gen materno UBE3A. [3] Dos posibles estrategias de tratamiento con ATF son aumentar la expresión del gen materno UBE3A o disminuir la expresión del gen UBE3A-AS, el gen que causa la represión del gen paterno UBE3A. [3] El ATF con dedo de zinc TAT-S1 actúa como un fuerte represor contra el gen UBE3A-AS y, cuando se administró a ratones, resultó en un aumento de Ube3a en el cerebro. [3]

Cáncer

La expresión anormal de genes se asocia regularmente con el cáncer y el crecimiento tumoral descontrolado, lo que hace que los ATF sean una terapia prometedora para el tratamiento del cáncer. [4] Al unir 6 dedos de zinc juntos en un ATF, el ATF solo se une a una secuencia de 18 pares de bases que contiene subsecuencias más pequeñas complementarias a cada dedo de zinc en el ATF, por lo que el ATF es más específico que un dedo de zinc que solo se dirige a una secuencia específica de 3 a 4 pares de bases. [4] Los ATF vinculados al dominio regulador del represor KRAB disminuyen la resistencia de las células cancerosas a los medicamentos de quimioterapia, y los ATF vinculados a los dominios activadores pueden regular positivamente la expresión del gen Bax causando apoptosis celular; sin embargo, estos tratamientos permanecen en las primeras etapas debido a métodos de administración inadecuados. [4]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdefghijklmnopqrst Ansari, Aseem Z; Mapp, Anna K (1 de diciembre de 2002). "Diseño modular de factores de transcripción artificiales". Current Opinion in Chemical Biology . 6 (6): 765–772. doi :10.1016/S1367-5931(02)00377-0. ISSN  1367-5931. PMID  12470729.
  2. ^ abcdefghijklm Heiderscheit, Evan A.; Eguchi, Asuka; Spurgat, Mackenzie C.; Ansari, Aseem Z. (2018). "Reprogramación del destino celular con factores de transcripción artificiales". Cartas FEBS . 592 (6): 888–900. doi :10.1002/1873-3468.12993. ISSN  1873-3468. PMC 5869137 . PMID  29389011. 
  3. ^ abcd Tan, Wen-Hann; Bird, Lynne M. (diciembre de 2016). "Síndrome de Angelman: terapias actuales y emergentes en 2016". American Journal of Medical Genetics. Parte C, Seminarios en genética médica . 172 (4): 384–401. doi :10.1002/ajmg.c.31536. ISSN  1552-4876. PMID  27860204. S2CID  4377191.
  4. ^ abcde Yan, Chunhong; Higgins, Paul J. (1 de enero de 2013). "Medicar lo que no se puede tratar: terapia de transcripción para el cáncer". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Reseñas sobre el cáncer . 1835 (1): 76–85. doi :10.1016/j.bbcan.2012.11.002. ISSN  0304-419X. PMC 3529832 . PMID  23147197. 
  5. ^ Nidhi, Sweta; Anand, Uttpal; Oleksak, Patrik; Tripathi, Pooja; Lal, Jonathan A.; Thomas, George; Kuca, Kamil; Tripathi, Vijay (24 de marzo de 2021). "Nuevos sistemas CRISPR-Cas: una revisión actualizada de los logros actuales, las aplicaciones y las perspectivas de investigación futuras". Revista internacional de ciencias moleculares . 22 (7): 3327. doi : 10.3390/ijms22073327 . ISSN  1422-0067. PMC 8036902 . PMID  33805113. 
  6. ^ Cassandri, Matteo; Smirnov, Artem; Novelli, Flavia; Pitolli, Consuelo; Agostini, Massimiliano; Malewicz, Michal; Melino, Gerry; Raschellà, Giuseppe (13 de noviembre de 2017). "Proteínas con dedos de zinc en la salud y la enfermedad". Descubrimiento de la muerte celular . 3 (1): 17071. doi :10.1038/cddiscovery.2017.71. ISSN  2058-7716. PMC 5683310 . PMID  29152378. 
  7. ^ Gommans, Willemijn M.; Haisma, Hidde J.; Rots, Marianne G. (2 de diciembre de 2005). "Ingeniería de factores de transcripción de proteínas con dedos de zinc: la relevancia terapéutica de activar o desactivar la expresión génica endógena a voluntad". Journal of Molecular Biology . 354 (3): 507–519. doi :10.1016/j.jmb.2005.06.082. ISSN  0022-2836. PMID  16253273.
  8. ^ Urnov, Fyodor D; Rebar, Edward J (1 de septiembre de 2002). "Factores de transcripción diseñados como herramientas para la terapéutica y la genómica funcional". Farmacología bioquímica . Señalización celular, transcripción y traducción como objetivos terapéuticos. 64 (5): 919–923. doi :10.1016/S0006-2952(02)01150-4. ISSN  0006-2952. PMID  12213587.
  9. ^ Takahashi, Kazutoshi; Yamanaka, Shinya (marzo de 2016). "Una década de reprogramación mediada por factores de transcripción hacia la pluripotencia". Nature Reviews Molecular Cell Biology . 17 (3): 183–193. doi :10.1038/nrm.2016.8. ISSN  1471-0080. PMID  26883003. S2CID  7593915.
  10. ^ Qi, Huayu; Pei, Duanqing (julio de 2007). "La magia de cuatro: inducción de células madre pluripotentes a partir de células somáticas por Oct4, Sox2, Myc y Klf4". Cell Research . 17 (7): 578–580. doi : 10.1038/cr.2007.59 . ISSN  1748-7838. PMID  17632550. S2CID  9643825.
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