Riboswitches regulados por metales pesados específicos

Este artículo es la continuación de un trabajo publicado en 2010 por el mismo grupo en el cual se hace una búsqueda masiva de RNAs no codificantes con estructura. En este trabajo previo se analizaron todos los genomas de bacteria y todos los metagenomas secuenciados hasta el momento. Se buscaron regiones intergénicas conservadas y posteriormente se buscaron posibles interacciones estructurales entre nucleótidos por medio de análisis de covarianza. Los alineamientos candidato se evaluaron manualmente y finalmente se reportaron 104 RNAs no codificantes estructurales que pudieran estar llevando a cabo alguna función biológica. Sin embargo, los autores señalaron que algunos RNAs adicionales permanecieron fuera de la publicación por su posible importancia biológica. En este trabajo, 5 años después, los autores reportan un posible riboswitch de bacterias Clostridiales que se encuentra comúnmente río arriba del gen czcD, el cual codifica para un transportador CDF, el cual está involucrado en el eflujo de cationes divalentes de metales pesados. Un detalle importante es que el ligando que regula la función de este riboswitch es un catión metálico, que puede ser cobalto o níquel y aunque ya se había reportado un riboswitch que responde a magnesio, este riboswitch NiCo es altamente específico. La estructura consta de 4 regiones de pareo con covarianzas conservadas. Furukawa y compañía demostraron la especificidad a Co y Ni con tratamientos de distintos metales en ensayos de sondeo en línea. Por el otro lado las constantes de disociación fueron menores para Cu y Ni y se encontraron pruebas de que la unión a ligando no es uno a uno, sino que se trata de una acumulación cooperativa de varios iones por molécula de RNA. Por medio de cristalografía por rayos X, se determinó que el RNA forma una conformación en forma de H y se encontraron los nucleótidos que se asocian con los cationes metálicos, además se descubrió que iones de K y Mg tienen un papel auxiliar. Finalmente se demostró que la unión del RNA con los cationes específicos da lugar a la transcripción completa y expresión del gen río abajo (que podría ser la bomba de eflujo de protones czcD) por medio de la inhibición de la formación de un hairpin de terminación. Este trabajo nos revela la utilidad de estudios informáticos a gran escala y la fina regulación de la homeostasis de metales pesados en algunos grupos de bacteria.

Control of Gene Expression by a NiCo Riboswitch (A) Sequence and predicted secondary structure of the E. bacterium NiCo RNA. Nucleotides in P4 and downstream of NiCo (gray shading) can form an altered base paired terminator structure as shown. (B) In vitro transcription in increasing metal concentrations reveals a Ni2+- and Co2+-dependent increase in antiterminated full-length (FL) RNA transcript and a corresponding decrease in terminated (T) product. M3 mutation that disrupts Co2+ binding exhibits loss of antitermination. (C) Plot of the yield of full-length transcripts versus Co2+ or Ni2+ concentration for WT and M3 templates. The metal ion concentrations at which elongation efficiency of WT is half-maximal (T50) are indicated with dashed lines. The R2 values for the curve fitting analyses are 0.981 and 0.987 for Co2+ or Ni2+ with WT templates, respectively. (D) Ni2+-induced expression of a gene associated with a NiCo riboswitch in Clostridium scindens. Changes in mRNA level of COG0053 and GAPDH genes in cells exposed to various concentrations of NiCl2 were measured. MDH mRNA levels, which are expected to be unchanged by Ni2+ addition, were used to normalize. Each symbol represents the mean of three independent replicates, and error bars represent SEM. GAPDH, predicted glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase gene. MDH, predicted malate dehydrogenase gene. Also see Figure S6 for additional in vitro transcription data.

Furukawa, K., Ramesh, A., Zhou, Z., Weinberg, Z., Vallery, T., Winkler, W. C., & Breaker, R. R. (2015). Bacterial riboswitches cooperatively bind Ni 2+ or Co 2+ ions and control expression of heavy metal transporters. Molecular cell, 57(6), 1088-1098.