Identifican propiedades de un tipo de moléculas que son claves en la regulación de la expresión genética
CONICET/DICYT Mediante la realización de estudios en cultivos celulares, investigadores del CONICET analizaron un rol clave de unas moléculas descubiertas hace unos pocos años, llamadas “ARNs circulares”, en la regulación de la expresión genética. El estudio, publicado en la prestigiosa revista Nucleic Acids Research, contribuye a entender cómo esas estructuras intracelulares se diferencian de los ARNs lineales más “tradicionales”, lo cual podría aprovecharse en el futuro en el desarrollo de vacunas o para corregir alteraciones genéticas que ocurren en diversas enfermedades del sistema nervioso central, infecciosas o tumorales.
“Nuestro trabajo forma parte de una línea de investigación básica. Sin embargo, como frecuentemente ocurre en este tipo de proyectos riesgosos y financiados por los Estados, estudios de investigación básica pueden dar lugar, inclusive de forma inesperada, a tecnologías terapéuticas muy valiosas. La pandemia de COVID-19 nos ha enseñado muchas cosas, entre otras que la tecnología del ARN – que permitió desarrollar muchas vacunas (que rindieron billones de dólares a las empresas que los desarrollaron) – será una herramienta biológica fundamental en la salud humana y animal en los años por venir”, afirma Manuel de la Mata, uno de los directores del estudio, investigador del CONICET en el Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIBYNE, UBA–CONICET) y docente de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires (FCEyN).
En esa línea, Damián Refojo, también director del avance e investigador del CONICET en el Instituto de Investigación en Biomedicina de Buenos Aires (IBioBA, dependiente del CONICET y asociado a la Sociedad Max Planck de Alemania), indica que “quienes manejen esas tecnologías, serán quienes podrán adaptarse mejor a las nuevas terapias e incluso lograr desarrollar nuevas estrategias terapéuticas y con los consecuentes beneficios en salud humana o animal, pero también productivos y comerciales”.
ARNs circulares
En la década de 1960 se descubrió el ácido ribonucleico (ARN) codificante conocido como ARN mensajero (ARNm) que actúa como intermediario entre el ADN y su producto final, las proteínas, que son cruciales para la estructura y funciones celulares.
La información genética “fluye” del ADN hacia la fabricación de proteínas: el ADN primero se “transcribe” en forma de ARNm y este luego se “traduce” en forma de proteínas. Existe una gran diversidad de ARNs codificantes que se traducen en las distintas proteínas de las células. Sin embargo, a partir del año 2000 se descubrió que existe un vasto y complejo mundo de moléculas de ARN que no se traducen en proteínas, pero que también poseen funciones esenciales para la célula. Estos son los denominados ARNs no codificantes, los cuales pueden ser moléculas lineales cortas, largas o especies más raras como los ARNs circulares que por el momento son los menos entendidos.
¿Cuál es la característica de los ARN circulares que les confiere sus propiedades únicas y qué funciones cumplen? Éstas y otras preguntas se plantearon comenzar a responder de la Mata y Refojo y para ello decidieron realizar un estudio conjunto.
En el año 2015, el laboratorio de Refojo publicó un estudio colaborativo en la revista Molecular Cell, dirigido por el doctor Nikolaus Rajewsky del Max Delbruck Center de Berlín, en Alemania, dónde se describió por primera vez que este tipo de ARNs circulares están altamente expresados en el cerebro de distintos animales e incluso en humanos.
“Aunque se desconoce la función de la mayoría de estos ARNs circulares, los mismos representan un campo fértil de estudio. Hoy ya sabemos que los ARNs circulares son más estables en comparación a los ARNs lineales y que algunos en particular cumplen importantes funciones en distintos tipos celulares y tejidos del organismo. No obstante, los mecanismos por los cuales estos ARNs circulares ejercen su función están lejos de ser comprendidos”, afirma Refojo.
Por otra parte, los investigadores querían recabar datos sobre la interacción entre los ARN circulares y otros tipos de ARNs no codificantes llamados microARNs. “Los microARNs son moléculas pequeñas que juegan un papel crucial en la regulación de la expresión de los genes. Se los conoce como ‘silenciadores’ de la expresión génica. Funcionan pegándose a secuencias afines en los extremos de los ARN mensajeros (ARNm), inhibiendo su traducción a proteínas o promoviendo su degradación”, explica de la Mata. Y continúa: “La función de ‘apagar’ genes específicos es necesario para el normal funcionamiento y desarrollo de los organismos. De lo contrario se producen alteraciones que pueden conducir a enfermedades”.
Asimismo, un normal funcionamiento de las células y del organismo requiere que en determinado momento los microARNs deban ser eliminados una vez que cumplen su función mediante un proceso llamado TDMD (del inglés “Target-directed microRNA degradation“).
En ese sentido, de la Mata contribuyó de manera substancial a describir el fenómeno de la TDMD durante su posdoctorado en el Instituto Friedrich Miescher Institute (FMI) de Basilea, en Suiza, originando un artículo científico en la revista EMBO Reports (2015) y otros trabajos relacionados. “El TDMD es un proceso celular muy relevante porque al controlar las cantidades de microARNs también controla la abundancia de los ARNm y en última instancia de las proteínas presentes en la célula”, explica el investigador del CONICET.
ARN circulares y expresión genética
La interacción entre los ARNs circulares y los microARNs “es un área de investigación particularmente intrigante”, indica de la Mata. Y agrega: “Algunos ARNs circulares pueden secuestrar microARNs, neutralizando su capacidad de regular otros ARN mensajeros y, por lo tanto, afectando la red de regulación genética. Este mecanismo puede tener implicaciones significativas en diversos procesos biológicos y enfermedades”.
Para revelar información acerca de cómo es la interacción entre los ARNs circulares y los microARNs, los autores del estudio realizaron experimentos en neuronas obtenidas del cerebro de embriones de ratón y líneas celulares humanas. Mediante la utilización de métodos de ingeniería genética y análisis bioinformáticos, los investigadores del CONICET descubrieron que múltiples ARNs circulares influyen en la estabilidad de diferentes microARNs. “Nuestros resultados respaldan la noción de que los ARNs circulares influyen en el TDMD, es decir en el proceso de degradación de microARNs específicos. En algunos casos mejora ese proceso de eliminación y en otros lo inhibe. Pero un punto central de nuestro trabajo fue demostrar que dos ARNs que tienen la misma composición (es decir la misma secuencia de nucleótidos o ‘letras’) y que solo difieren en que uno es lineal y otro circular, pueden tener efectos distintos sobre el TDMD, es decir que la circularidad en sí misma puede cambiar la función de estos ARNs”, indica de la Mata.
“A la luz de estos resultados, comenzaremos a explorar potenciales usos terapéuticos de estos ARN circulares en diversas enfermedades infecciosas, tumorales o del sistema nervioso central”, agrega Refojo.
“Entender mejor este tipo de moléculas (los ARNs circulares y los microARNs) tiene, en mi opinión, dos posibles ramificaciones con enorme potencial. La primera es su utilización como herramientas en las industrias biotecnológica y farmacéutica; el interés en encontrar aplicaciones para ambos tipos de ARNs ha explotado en los últimos años, yendo desde proyectos de vacunas de ARN circular hasta tratamientos para ciertos tipos de cáncer basados en microARNs. La segunda tiene que ver con mejorar la forma en la que entendemos la regulación de la expresión de los genes en las células, cuyas potenciales utilidades son infinitas”, señala Federico Fuchs, uno de los primeros autores del estudio que participó del trabajo mientras era becario doctoral del CONICET en el grupo encabezado por de la Mata y que ahora trabaja en el Departamento de Microbiología de la Escuela de Medicina de Harvard, en Boston, Estados Unidos. Y agrega. “Solamente podemos ‘arreglar’ aquellas cosas que entendemos, por lo que conocer en mayor detalle nuevos tipos de regulaciones nos puede permitir desde encontrar la causa de enfermedades hasta ahora esquivas, hasta elegir nuevas estrategias para desarrollar tratamientos”.
“Entender la regulación de la expresión génica es fundamental para entender los sistemas biológicos. En este escenario, los ARNs circulares están dando cada vez más que hablar, especialmente por su abundancia y su rol en el cerebro. Profundizar en su estudio, nos permite entender más detalles del funcionamiento de las neuronas, el cerebro y encontrar pistas sobre diversas enfermedades”, afirma Jerónimo Lukin, también primer autor del trabajo mientras se desempeñaba como becario doctoral del CONICET en el laboratorio de Refojo y ahora científico de la Facultad Icahn de Medicina en Mount Sinaí, Nueva York, Estados Unidos.
“Ya se ha comenzado a explorar el desarrollo de vacunas basadas en ARNs circulares y la posibilidad de detectar esas moléculas en sangre y orina como sistema de diagnóstico precoz para enfermedades neurodegenerativas y cáncer, por lo tanto entender bien cuáles son las propiedades que la circularidad les confiere a dichos ARNs nos permitirá en un futuro manipular mejor estas herramientas moleculares”, concluye de la Mata.
El estudio contó con las colaboraciones de los laboratorios de Jeremy Wilusz, del Baylor College of Medicine de Estados Unidos, y de Gerhard Schratt del ETH-Zurich, Suiza. Con este último laboratorio, de la Mata y Refojo han obtenido financiamiento de la Fundación Nacional Suiza (SNSF) para continuar con esta línea de investigación.