Investigadores de la Universidad Estatal de Georgia, la Universidad de California en Berkeley y la Universidad Northwestern han proporcionado una visión molecular sin precedentes de los primeros eventos críticos en la expresión génica, un proceso esencial para toda la vida.
La microscopía crioelectrónica cryo-EM, una técnica que estudia muestras a temperaturas criogénicas, combinada con modelos computacionales de última generación, permitió a los investigadores visualizar grandes complejos de preiniciación de transcripción PIC en condiciones casi atómicas.resolución. El PIC es un conjunto de proteínas que posiciona la enzima ARN polimerasa para que pueda comenzar la transcripción.
Las nuevas estructuras arrojan luz sobre los cambios conformacionales secuenciales en el PIC a lo largo del proceso de inicio de la transcripción, incluido el reconocimiento de la región promotora del ADN donde comienza la transcripción de un gen, abriendo esta región promotora e iniciando la transcripción. El estudio fue publicado en la revista Naturaleza .
Los genes están formados por ADN, que sirve como depósito de toda nuestra información genética. Para usar la información codificada en un gen, la ARN polimerasa debe hacer una copia en forma de ARN mensajero. El proceso de copia, llamado transcripción, esUna de las actividades centrales necesarias para la vida.
Al comienzo de este proceso estrictamente controlado, las proteínas de ARN polimerasa y del factor de transcripción general se ensamblan en un sitio específico a lo largo del ADN para formar un PIC. El ensamblaje de PIC se requiere para abrir la hélice de ADN bicatenario del promotor, colocando elADN en el sitio activo de la ARN polimerasa e inicio del proceso de transcripción. Las transcripciones de ARN mensajero se utilizan para producir proteínas, los componentes básicos de los cuerpos humanos.
"Este documento proporciona información estructural detallada sobre los complejos que participan en las primeras etapas del proceso de transcripción", dijo Ivaylo Ivanov, profesor asociado de química en el estado de Georgia. "Exploramos los pasos que toman la ARN polimerasa y los factores de transcripción generales enpara abrir la burbuja de transcripción y comenzar el proceso de transcripción. Este es un sistema muy importante al que antes no se podía acceder por cristalografía ni por ningún otro método estructural. Esta es la primera reconstrucción Cryo-EM casi atómica del PIC humanomontaje."
La reticulación química y la cristalografía habían proporcionado vislumbres de complejos parciales de ARN polimerasa de organismos eucariotas como la levadura, pero estas técnicas no podían resolver la estructura de todo el complejo PIC. Los eventos y procesos que conducen al desenrollamiento del ADN por el PIC y ella formación de una burbuja de transcripción, una estructura molecular que ocurre durante la transcripción cuando una porción de la doble cadena de ADN se desenrolla, no se entendió lo suficiente.
Para construir modelos atómicos detallados del complejo PIC, Ivanov y su equipo aplicaron técnicas integrales de modelado molecular. Los cálculos se basaron en la moderna tecnología de supercomputación disponible a través del programa de Ciencia Extrema e Ingeniería de Descubrimiento de la Fundación Nacional de Ciencias y el Centro de Computación Científica de Investigación de Energía NacionalLos investigadores mostraron que la combinación juiciosa de técnicas complementarias ajuste flexible de dinámica molecular y refinamiento de coordenadas atómicas con el paquete de software de cristalografía Phenix condujo a modelos comparables en calidad a estructuras cristalinas en el mismo rango de resolución.
Los investigadores capturaron el PIC humano en tres estados funcionales diferentes: 1 un estado cerrado conectado con la doble hélice de ADN de la región promotora, 2 un estado abierto conectado con la burbuja de transcripción y 3 un complejo de transcripción inicial listo para transportarfuera la química de la síntesis de ARN mensajero.También pudieron visualizar numerosos componentes previamente no determinados del ensamblaje PIC humano.Los hallazgos revelaron la organización completa de la subunidad de un factor de transcripción llamado TFIIH, que tiene un papel crítico en la apertura de la región promotora.TFIIH demostró ser una de las piezas más difíciles de resolver del ensamblaje PIC.
"Tenemos muchos elementos estructurales recientemente visualizados que nunca antes se habían establecido para el complejo humano", dijo Ivanov.
Las comparaciones entre los estados de transcripción cerrados, abiertos e iniciales del PIC proporcionan nuevas perspectivas mecanicistas sobre los procesos de compromiso del ADN, fusión del promotor y estabilización de la burbuja de transcripción.
"Nada de esto hubiera sido posible sin avances en microscopía electrónica EM y sin avances recientes en el modelado computacional integrador", dijo Ivanov. "La capacidad de obtener estructuras EM de resolución casi atómica solo ha sucedido recientemente mediante la combinación detecnología de detector de electrones y nuevos algoritmos informáticos potentes para analizar las imágenes.
"En los últimos años, Cryo-EM ha experimentado una revolución que hace posible por primera vez lograr una resolución comparable a la cristalografía. Esto abre enormes oportunidades para el campo de la biología estructural para estudiar grandes complejos macromoleculares en detalle atómico sinnecesita producir cristales de proteínas ".
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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