Ribonucleasa H
Familia de enzimas
ribonucleasa H
Estructura cristalográfica de la ARNasa HI de E. coli . [1]
Identificadores
N.º CE3.1.26.4
N.º CAS9050-76-4
Bases de datos
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Instituto Nacional de BiologíaProteínas
ribonucleasa retroviral H
Identificadores
N.º CE3.1.26.13
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La ribonucleasa H (abreviada como ARNasa H o RNH ) es una familia de enzimas endonucleasas no específicas de secuencia que catalizan la escisión del ARN en un sustrato de ARN/ ADN a través de un mecanismo hidrolítico . Los miembros de la familia de las ARNasas H se pueden encontrar en casi todos los organismos, desde bacterias hasta arqueas y eucariotas .

La familia se divide en grupos relacionados evolutivamente con preferencias de sustrato ligeramente diferentes , ampliamente designados ribonucleasa H1 y H2. [2] El genoma humano codifica tanto H1 como H2. La ribonucleasa humana H2 es un complejo heterotrimérico compuesto por tres subunidades, las mutaciones en cualquiera de las cuales se encuentran entre las causas genéticas de una enfermedad rara conocida como síndrome de Aicardi-Goutières . [3] Un tercer tipo, estrechamente relacionado con H2, se encuentra solo en unos pocos procariotas , [4] mientras que H1 y H2 ocurren en todos los dominios de la vida . [4] Además, los dominios H de ribonucleasa retroviral similares a la ARNasa H1 ocurren en proteínas de transcriptasa inversa multidominio , que están codificadas por retrovirus como el VIH y son necesarias para la replicación viral. [5] [6]

En los eucariotas, la ribonucleasa H1 está involucrada en la replicación del ADN del genoma mitocondrial . Tanto la H1 como la H2 están involucradas en tareas de mantenimiento del genoma, como el procesamiento de las estructuras de bucle R. [2] [7]

Clasificación y nomenclatura

La ribonucleasa H es una familia de enzimas endonucleasas con una especificidad de sustrato compartida para la cadena de ARN de los dúplex ARN - ADN . Por definición, las ARNasas H escinden los enlaces fosfodiéster de la cadena principal del ARN para dejar un grupo hidroxilo 3' y un grupo fosfato 5' . [7] Las ARNasas H se han propuesto como miembros de una superfamilia relacionada evolutivamente que abarca otras nucleasas y enzimas de procesamiento de ácidos nucleicos como las integrasas retrovirales , las transposasas de ADN , las resolvasas de unión de Holliday , las proteínas Piwi y Argonaute , varias exonucleasas y la proteína espliceosómica Prp8 . [8] [9]

Las ARNasas H pueden dividirse en dos subtipos, H1 y H2, que por razones históricas reciben designaciones con números arábigos en eucariotas y designaciones con números romanos en procariotas . Por lo tanto, la ARNasa HI de Escherichia coli es un homólogo de la ARNasa H1 de Homo sapiens . [2] [7] En E. coli y muchos otros procariotas, el gen rnhA codifica HI ​​y el gen rnhB codifica HII. Una tercera clase relacionada, llamada HIII, se presenta en algunas bacterias y arqueas ; está estrechamente relacionada con las enzimas HII procariotas. [4]

Estructura

Comparación de las estructuras de las proteínas H de ribonucleasa representativas de cada subtipo. En la proteína de E. coli (beige, arriba a la izquierda), los cuatro residuos conservados del sitio activo se muestran como esferas. En las proteínas de H. sapiens , el núcleo estructural común entre los subtipos H1 y H2 se muestra en rojo. Las estructuras se representan a partir de: E. coli , PDB : 2RN2 ; T. maritima , PDB : 303F ; B. stearothermophilus , PDB : 2D0B ; H. sapiens H1, PDB : 2QK9 ; H. sapiens , PDB : 3P56 .

La estructura de la ARNasa H consiste comúnmente en una lámina β de cinco cadenas rodeada por una distribución de hélices α . [10] Todas las ARNasas H tienen un sitio activo centrado en un motivo de secuencia conservada compuesto por residuos de aspartato y glutamato , a menudo denominado motivo DEDD. Estos residuos interactúan con iones de magnesio necesarios catalíticamente. [7] [5]

Las ARNasas H2 son más grandes que las H1 y suelen tener hélices adicionales. La organización de los dominios de las enzimas varía; algunos miembros procariotas y la mayoría de los eucariotas del grupo H1 tienen un pequeño dominio adicional en el extremo N-terminal conocido como "dominio de unión híbrido", que facilita la unión a los dúplex híbridos ARN:ADN y, a veces, confiere una mayor procesividad . [2] [7] [11] Si bien todos los miembros del grupo H1 y los miembros procariotas del grupo H2 funcionan como monómeros, las enzimas H2 eucariotas son heterotrímeros obligados . [2] [7] Las enzimas HIII procariotas son miembros del grupo H2 más amplio y comparten la mayoría de las características estructurales con H2, con la adición de un dominio de unión de caja TATA N-terminal . [7] Los dominios H de ARNasa retroviral que se encuentran en las proteínas de transcriptasa inversa multidominio tienen estructuras que se parecen mucho al grupo H1. [5]

Las ARNasas H1 se han estudiado ampliamente para explorar las relaciones entre la estructura y la actividad enzimática. También se utilizan, especialmente el homólogo de E. coli , como sistemas modelo para estudiar el plegamiento de proteínas . [12] [13] [14] Dentro del grupo H1, se ha identificado una relación entre una mayor afinidad de unión al sustrato y la presencia de elementos estructurales que consisten en una hélice y un bucle flexible que proporcionan una superficie de unión al sustrato más grande y más básica . La hélice C tiene una distribución taxonómica dispersa; está presente en los homólogos de la ARNasa H1 de E. coli y humana y ausente en el dominio H de la ARNasa del VIH, pero existen ejemplos de dominios retrovirales con hélices C. [15] [16]

Función

Las enzimas ribonucleasas H escinden los enlaces fosfodiéster del ARN en un híbrido ARN:ADN de doble cadena, dejando un hidroxilo 3' y un grupo fosfato 5' en cada extremo del sitio de corte con un mecanismo de catálisis de dos iones metálicos, en el que dos cationes divalentes, como Mg2+ y Mn2+, participan directamente en la función catalítica. [17] Dependiendo de las diferencias en sus secuencias de aminoácidos, estas ARNasas H se clasifican en ARNasas H de tipo 1 y tipo 2. [7] [18] Las ARNasas H de tipo 1 tienen ARNasas H1 procariotas y eucariotas y ARNasa H retroviral. Las ARNasas H de tipo 2 tienen ARNasas H2 procariotas y eucariotas y ARNasa H3 bacteriana. Estas ARNasas H existen en forma monomérica, excepto las ARNasas H2 eucariotas, que existen en forma heterotrimérica. [19] [20] Las ARNasas H1 y H2 tienen preferencias de sustrato distintas y funciones distintas pero superpuestas en la célula. En procariotas y eucariotas inferiores, ninguna enzima es esencial , mientras que se cree que ambas son esenciales en eucariotas superiores. [2] La actividad combinada de las enzimas H1 y H2 está asociada con el mantenimiento de la estabilidad del genoma debido a la degradación por parte de las enzimas del componente de ARN de los bucles R. [21] [22]

Ribonucleasa H1

Identificadores
SímboloARNasa H
PfamPF00075
Clan PfamCL0219
InterprofesionalIPR002156
PROSITIOPS50879
Estructuras de proteínas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
APPDB RCSB; PDBj
PDBsumaResumen de la estructura

Las enzimas ribonucleasas H1 requieren al menos cuatro pares de bases que contengan ribonucleótidos en un sustrato y no pueden eliminar un solo ribonucleótido de una cadena que de otro modo estaría compuesta de desoxirribonucleótidos. Por esta razón, se considera poco probable que las enzimas RNasa H1 estén involucradas en el procesamiento de cebadores de ARN a partir de fragmentos de Okazaki durante la replicación del ADN . [2] La RNasa H1 no es esencial en los organismos unicelulares donde se ha investigado; en E. coli , los knockouts de RNasa H1 confieren un fenotipo sensible a la temperatura, [7] y en S. cerevisiae , producen defectos en la respuesta al estrés. [23]

En muchos eucariotas, incluidos los mamíferos , los genes de la ARNasa H1 incluyen una secuencia de orientación mitocondrial , lo que conduce a la expresión de isoformas con y sin el MTS presente. Como resultado, la ARNasa H1 se localiza tanto en las mitocondrias como en el núcleo . En modelos de ratones knockout , los mutantes nulos de la ARNasa H1 son letales durante la embriogénesis debido a defectos en la replicación del ADN mitocondrial . [2] [24] [25] Los defectos en la replicación del ADN mitocondrial inducidos por la pérdida de la ARNasa H1 probablemente se deban a defectos en el procesamiento del bucle R. [22]

Ribonucleasa H2

Identificadores
SímboloARNasa HII
PfamPF01351
Clan PfamCL0219
InterprofesionalIPR024567
Estructuras de proteínas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
APPDB RCSB; PDBj
PDBsumaResumen de la estructura

En los procariotas, la ARNasa H2 es enzimáticamente activa como proteína monomérica. En los eucariotas, es un heterotrímero obligado compuesto por una subunidad catalítica A y subunidades estructurales B y C. Mientras que la subunidad A es estrechamente homóloga a la ARNasa H2 procariota, las subunidades B y C no tienen homólogos aparentes en los procariotas y están poco conservadas a nivel de secuencia incluso entre los eucariotas. [26] [27] La ​​subunidad B media las interacciones proteína-proteína entre el complejo H2 y PCNA , que localiza H2 en focos de replicación . [28]

Tanto las enzimas procariotas como las eucariotas H2 pueden escindir ribonucleótidos individuales en una hebra. [2] Sin embargo, tienen patrones de escisión y preferencias de sustrato ligeramente diferentes: las enzimas procariotas tienen menor procesividad e hidrolizan ribonucleótidos sucesivos de manera más eficiente que los ribonucleótidos con un desoxirribonucleótido 5' , mientras que las enzimas eucariotas son más procesivas e hidrolizan ambos tipos de sustrato con una eficiencia similar. [2] [27] La ​​especificidad del sustrato de la ARNasa H2 le otorga un papel en la reparación por escisión de ribonucleótidos , eliminando ribonucleótidos mal incorporados del ADN, además del procesamiento del bucle R. [29] [30] [28] Aunque tanto H1 como H2 están presentes en el núcleo de la célula de los mamíferos , H2 es la fuente dominante de actividad de la ARNasa H allí y es importante para mantener la estabilidad del genoma. [28]

Algunos procariotas poseen un gen adicional de tipo H2 denominado ARNasa HIII en la nomenclatura de números romanos utilizada para los genes procariotas. Las proteínas HIII están más estrechamente relacionadas con el grupo H2 por identidad de secuencia y similitud estructural, pero tienen preferencias de sustrato que se asemejan más a las H1. [7] [31] A diferencia de HI y HII, que están ampliamente distribuidas entre los procariotas, HIII se encuentra solo en unos pocos organismos con una distribución taxonómica dispersa; es algo más común en las arqueas y rara vez o nunca se encuentra en el mismo genoma procariota que HI. [32]

Mecanismo

Mecanismo de reacción de la ARNasa H
Mecanismo de reacción para la catálisis de la ARNasa H utilizando dos iones metálicos en el dominio de la ARNasa H del VIH-1

El sitio activo de casi todas las ARNasas H contiene cuatro residuos de aminoácidos cargados negativamente, conocidos como motivo DEDD; a menudo también está presente una histidina, por ejemplo, en el VIH-1, el ser humano o E. coli. [2] [7]

Los residuos cargados se unen a dos iones metálicos que son necesarios para la catálisis; en condiciones fisiológicas, estos son iones de magnesio , pero el manganeso también suele favorecer la actividad enzimática, [2] [7] mientras que el calcio o una alta concentración de Mg2+ inhibe la actividad. [11] [33] [34]

Basándose en evidencia experimental y simulaciones por computadora, la enzima activa una molécula de agua unida a uno de los iones metálicos con la histidina conservada. [33] [35] El estado de transición es asociativo por naturaleza [17] y forma un intermedio con fosfato protonado y grupo saliente alcóxido desprotonado. [35] El grupo saliente se protona a través del glutamato que tiene un pKa elevado y es probable que esté protonado. El mecanismo es similar al de la ARNasa T y la subunidad RuvC en la enzima Cas9 , que también utilizan un mecanismo de histidina y dos iones metálicos.

El mecanismo de liberación del producto escindido aún no se ha resuelto. La evidencia experimental obtenida mediante cristalografía con resolución temporal y nucleasas similares apunta a un papel de un tercer ion en la reacción reclutado en el sitio activo. [36] [37]

En biología humana

El genoma humano contiene cuatro genes que codifican la ARNasa H:

  • RNASEH1 , un ejemplo del subtipo H1 (monomérico)
  • RNASEH2A , la subunidad catalítica del complejo trimérico H2
  • RNASEH2B , una subunidad estructural del complejo trimérico H2
  • RNASEH2C , una subunidad estructural del complejo trimérico H2

Además, el material genético de origen retroviral aparece con frecuencia en el genoma, lo que refleja la integración de los genomas de los retrovirus endógenos humanos . Dichos eventos de integración dan como resultado la presencia de genes que codifican la transcriptasa inversa retroviral , que incluye un dominio de ARNasa H. Un ejemplo es ERVK6 . [38] Los retrotransposones de repetición terminal larga (LTR) y de repetición terminal no larga (no LTR) también son comunes en el genoma y a menudo incluyen sus propios dominios de ARNasa H, con una historia evolutiva compleja. [39] [40] [41]

Papel en la enfermedad

La estructura del complejo trimérico humano H2, con la subunidad catalítica A en azul, la subunidad estructural B en marrón y la subunidad estructural C en rosa. Aunque las subunidades B y C no interactúan con el sitio activo, son necesarias para la actividad. Los residuos catalíticos en el sitio activo se muestran en magenta. Las posiciones que se muestran en amarillo son aquellas con mutaciones AGS conocidas. La mutación AGS más común ( alanina a treonina en la posición 177 de la subunidad B) se muestra como una esfera verde. Muchas de estas mutaciones no alteran la actividad catalítica in vitro , pero sí desestabilizan el complejo o interfieren con las interacciones proteína-proteína con otras proteínas en la célula. [42]

En estudios pequeños, las mutaciones en la ARNasa H1 humana se han asociado con oftalmoplejía externa progresiva crónica , una característica común de la enfermedad mitocondrial . [25]

Las mutaciones en cualquiera de las tres subunidades de la ARNasa H2 están bien establecidas como causas de un trastorno genético raro conocido como síndrome de Aicardi-Goutières (AGS), [3] que se manifiesta como síntomas neurológicos y dermatológicos a una edad temprana. [43] Los síntomas del AGS se parecen mucho a los de la infección viral congénita y están asociados con una regulación positiva inapropiada del interferón tipo I. El AGS también puede ser causado por mutaciones en otros genes: TREX1 , SAMHD1 , ADAR y MDA5 /IFIH1, todos los cuales están involucrados en el procesamiento de ácidos nucleicos. [44] La caracterización de la distribución mutacional en una población de pacientes con AGS encontró un 5% de todas las mutaciones de AGS en RNASEH2A, un 36% en 2B y un 12% en 2C. [45] Las mutaciones en 2B se han asociado con un deterioro neurológico algo más leve [46] y con una ausencia de regulación positiva de genes inducida por interferón que se puede detectar en pacientes con otros genotipos asociados a AGS. [44]

En los virus

Estructura cristalina del heterodímero de la transcriptasa inversa del VIH (amarillo y verde), con el dominio H de la ARNasa mostrado en azul (sitio activo en esferas magenta). La hebra de ácido nucleico naranja es ARN, la hebra roja es ADN. [47]

Dos grupos de virus utilizan la transcripción inversa como parte de sus ciclos de vida: los retrovirus , que codifican sus genomas en ARN monocatenario y se replican a través de un intermediario de ADN bicatenario; y los virus dsDNA-RT , que replican sus genomas de ADN bicatenario a través de un intermediario de ARN "pregenoma". Los ejemplos patógenos incluyen el virus de la inmunodeficiencia humana y el virus de la hepatitis B , respectivamente. Ambos codifican grandes proteínas multifuncionales de transcriptasa inversa (RT) que contienen dominios de ARNasa H. [48] [49]

Las proteínas RT retrovirales del VIH-1 y del virus de la leucemia murina son los miembros de la familia mejor estudiados. [50] [51] La RT retroviral es responsable de convertir el genoma de ARN monocatenario del virus en ADN bicatenario. Este proceso requiere tres pasos: primero, la actividad de la ADN polimerasa dependiente del ARN produce ADN de cadena negativa a partir de la plantilla de ARN de cadena positiva, generando un intermedio híbrido ARN:ADN; segundo, se destruye la cadena de ARN; y tercero, la actividad de la ADN polimerasa dependiente del ADN sintetiza ADN de cadena positiva, generando ADN bicatenario como producto final. El segundo paso de este proceso lo lleva a cabo un dominio H de la ARNasa ubicado en el extremo C de la proteína RT. [5] [6] [52] [53]

La ARNasa H realiza tres tipos de acciones de escisión: degradación no específica del genoma de ARN de cadena positiva, eliminación específica del cebador de ARNt de cadena negativa y eliminación del cebador del tracto de polipurina (PPT) rico en purina de cadena positiva. [54] La ARNasa H desempeña un papel en la preparación de la cadena positiva, pero no en el método convencional de sintetizar una nueva secuencia de cebador. En cambio, la ARNasa H crea un "cebador" a partir del PPT que es resistente a la escisión de la ARNasa H. Al eliminar todas las bases excepto el PPT, el PPT se utiliza como marcador para el final de la región U3 de su repetición terminal larga . [53]

Debido a que la actividad de la ARNasa H es necesaria para la proliferación viral, este dominio se ha considerado un objetivo farmacológico para el desarrollo de fármacos antirretrovirales utilizados en el tratamiento del VIH/SIDA y otras afecciones causadas por retrovirus. Se han identificado inhibidores de la ARNasa H retroviral de varios quimiotipos diferentes, muchos de los cuales tienen un mecanismo de acción basado en la quelación de los cationes del sitio activo. [55] Los inhibidores de la transcriptasa inversa que inhiben específicamente la función de la polimerasa de la RT se utilizan ampliamente en la clínica, pero no los inhibidores de la función de la ARNasa H; es la única función enzimática codificada por el VIH que aún no es el objetivo de los fármacos en uso clínico. [52] [56]

Evolución

Las ARNasas H están ampliamente distribuidas y se encuentran en todos los dominios de la vida . La familia pertenece a una superfamilia más grande de enzimas nucleasas [8] [9] y se considera evolutivamente antigua. [57] En los genomas procariotas, a menudo están presentes múltiples genes de ARNasa H, pero hay poca correlación entre la aparición de genes HI, HII y HIII y las relaciones filogenéticas generales , lo que sugiere que la transferencia horizontal de genes puede haber jugado un papel en el establecimiento de la distribución de estas enzimas. Las ARNasas HI y HIII rara vez o nunca aparecen en el mismo genoma procariota. Cuando el genoma de un organismo contiene más de un gen de ARNasa H, a veces tienen diferencias significativas en el nivel de actividad. Se ha sugerido que estas observaciones reflejan un patrón evolutivo que minimiza la redundancia funcional entre los genes de ARNasa H. [7] [32] La ARNasa HIII, que es exclusiva de los procariotas, tiene una distribución taxonómica dispersa y se encuentra tanto en bacterias como en arqueas ; [32] Se cree que se separó de HII bastante temprano. [58]

La trayectoria evolutiva de la ARNasa H2 en eucariotas, especialmente el mecanismo por el cual los homólogos eucariotas se convirtieron en heterotrímeros obligados, no está clara; las subunidades B y C no tienen homólogos aparentes en procariotas. [2] [27]

Aplicaciones

Debido a que la ARNasa H degrada específicamente solo el ARN en híbridos ARN:ADN de doble cadena, se utiliza comúnmente como reactivo de laboratorio en biología molecular . Las preparaciones purificadas de ARNasa HI y HII de E. coli están disponibles comercialmente. La ARNasa HI se utiliza a menudo para destruir la plantilla de ARN después de la síntesis de ADN complementario de primera cadena (ADNc) por transcripción inversa . También se puede utilizar para escindir secuencias de ARN específicas en presencia de segmentos complementarios cortos de ADN. [59] Se pueden utilizar técnicas altamente sensibles como la resonancia de plasmón de superficie para la detección. [60] [61] La ARNasa HII se puede utilizar para degradar el componente cebador de ARN de un fragmento de Okazaki o para introducir mellas monocatenarias en posiciones que contienen un ribonucleótido. [59] Se ha descrito una variante de PCR de inicio en caliente , conocida como PCR dependiente de ARNasa H o rhPCR, que utiliza una ARNasa HII termoestable de la arquea hipertermófila Pyrococcus abyssi . [62] Cabe destacar que la proteína inhibidora de ribonucleasa comúnmente utilizada como reactivo no es eficaz para inhibir la actividad de HI o HII. [59]

Historia

Las ribonucleasas H se descubrieron por primera vez en el laboratorio de Peter Hausen cuando los investigadores encontraron actividad endonucleasa híbrida ARN:ADN en timo de ternera en 1969 y le dieron el nombre de "ribonucleasa H " para designar su especificidad híbrida . [26] [63] [64] La actividad de la ARNasa H se descubrió posteriormente en E. coli [65] y en una muestra de oncovirus con genomas de ARN durante los primeros estudios de transcripción inversa viral . [66] [67] Más tarde quedó claro que el extracto de timo de ternera contenía más de una proteína con actividad de ARNasa H [68] y que E. coli contenía dos genes de ARNasa H. [69] [70] Originalmente, la enzima ahora conocida como ARNasa H2 en eucariotas se designaba H1 y viceversa, pero los nombres de las enzimas eucariotas se cambiaron para que coincidieran con los de E. coli para facilitar el análisis comparativo, lo que produjo la nomenclatura moderna en la que las enzimas procariotas se designan con números romanos y las enzimas eucariotas con números arábigos. [2] [26] [31] [71] La ARNasa HIII procariota, informada en 1999, fue el último subtipo de ARNasa H en ser identificado. [31]

La caracterización de la ARNasa H2 eucariota ha sido históricamente un desafío, en parte debido a su baja abundancia. [2] Los esfuerzos cuidadosos de purificación de la enzima sugirieron que, a diferencia de la ARNasa H2 de E. coli , la enzima eucariota tenía múltiples subunidades. [72] El homólogo de S. cerevisiae de la proteína de E. coli (es decir, la subunidad H2A) fue fácilmente identificable por bioinformática cuando se secuenció el genoma de la levadura, [73] pero se encontró que la proteína correspondiente no tenía actividad enzimática de forma aislada. [2] [23] Finalmente, las subunidades B y C de la levadura se aislaron por copurificación y se encontró que eran necesarias para la actividad enzimática. [74] Sin embargo, las subunidades B y C de la levadura tienen una identidad de secuencia muy baja con sus homólogos en otros organismos, y las proteínas humanas correspondientes se identificaron de manera concluyente solo después de que se encontró que las mutaciones en las tres causaban el síndrome de Aicardi-Goutières . [2] [3]

Referencias

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