A lo largo de la historia del ARN han emergido descubrimientos clave en la Biología a través del estudio del ARN (ácido ribonucleico), incluyendo trabajos únicos en las áreas de bioquímica, genética, microbiología, biología molecular, evolución molecular y biología estructural. Para el año de 2010, 30 científicos habían recibido el Premio Nobel por sus trabajos experimentales que incluían al ARN. En este artículo se analizan descubrimientos específicos de alta importancia biológica.
Para información relacionaba, vea los artículos de Historia de la Biología Molecular y la Historia de la Genética. Para información previa revise los artículos de ARN y ácidos nucleicos. Mmgv
1930–1950
El ARN y el ADN tienen propiedades químicas distintivas Las diferencias químicas y biológicas entre el ADN y el ARN no eran aparentes cuando se estudiaron por primera vez a inicios de los años 1900, y fueron nombrados a partir de los materiales de donde eran extraídos; el ARN era conocido inicialmente como "ácido nucleico de levadura" y el ADN era conocido como "ácido nucleico del timo".Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology. "Thymus Nucleic Acid", Oxford Reference. Retrieved on 21 October 2015. Usando pruebas de diagnóstico químicas, químicos de los carbohidratos demostraron que los dos ácidos nucleicos tenían diferentes grupos azúcar, por lo que a partir de ese momento el nombre común para el ARN se convirtió en "ácido nucleico de ribosa". Otros estudios bioquímicos iniciales mostraron que el ARN se degradaba a pH alto, mientras que el ADN era estable(a pesar de su desnaturalización) en soluciones alcalinas. El análisis de composición nucleosídico mostraron por primera vez que el ARN contenía nucleobases similares al ADN, con uracilo en lugar de timina, y que el ARN contenía un componente menor de nucleobases, por ejemplo pequeñas cantidades de pseudouridina y dimetilguanina.
1951–1965
El RNA mensajero (RNAm) contiene la información genética que dirige la síntesis de proteínas El concepto del ARN mensajero emergió a finales de la década de 1950, y se asocia con la descripción de Crick' de su "Dogma Central de la Biología Molecular", la cual establece que el ADN contiene la información para la formación de ARN, que a su vez dirige la formación de proteínas. A inicios de la década de 1960, se realizaron análisis sofisticados de mutaciones en operón lac de E. coli y en el locus rII del bacteriófago T4, dichos análisis fueron esenciales para definir la naturaleza del ARN mensajero y del código genético. Este tipo de ARN de corta duración, junto con la naturaleza compleja de las poblaciones de ARN celulares, hicieron la extracción del ARNm una tarea muy difícil. Este problema se solucionó en 1960 con el uso de reticulocitos en los vertebrados, los cuales producen grandes cantidades de ARNm que están altamente enriquecidos con ARN que codifican para la alfa-beta-globulina (las dos proteínas más importantes de hemoglobina).
Los ribosomas como lugar de síntesis de proteínas En la década de 1950, como resultado de experimentos de marcaje en hígados de ratón, se demostró que los aminoácidos radioactivos estaban asociados con "microsomas" (después denominados ribosomas), y dichos aminoácidos podían verse de manera instantánea después de la administración del marcaje y antes de que éstos se ensamblaran para la formación de proteínas.Los ribosomas fueron visualizados por primera vez utilizando un microscopio electrónico, y los componentes de ribonucleoproteína fueron identificados utilizando métodos biofísicos, principalmente con análisis de sedimentación con ultracentrífugas capaces de generar aceleraciones muy altas (equivalentes a 100 o mil veces la aceleración de la gravedad). Los polisomas (múltiples ribosomas que se mueven a lo largo de la molécula del ARNm,) fueron identificados a inicios de la década de 1960, y su estudio llevó al entendimiento de la forma en la que los ribosomas llevan a cabo la lectura del ARNm en la dirección de 5´a 3´, generando así cadenas proteicas.
El RNA de Transferencia (ARNt) es la unión física entre el ARN y las proteínas Los experimentos de fraccionación Bioquímica mostraron que los aminoácidos radioactivos se incorporaban rápidamente a moléculas de ARN que se encontraban solubles en condiciones donde partículas que contienen grandes cantidades de ARN tienden a precipitarse. Estas moléculas fueron denominadas como solubles (ARNs) y fueron nombradas después como ARN de transferencia (ARNt). Estudios subsecuentes demostraron que (i) cada célula tenía múltiples especies de ARNt, cada uno asociado a un aminoácido específico, (ii) que hay un conjunto de enzimas que se complementan responsables de unir a los ARNt con el aminoácido correcto, y (iii) que cada secuencia del anticodón del ARNt forma una interacción específica con los codones del ARNm.
El código genético se resuelve El código genético consiste en la traducción de secuencias de nucleótidos en proteínas (polipéptidos). La posibilidad de vislumbrar el código genético se debió a la convergencia de tres áreas de estudio diferentes: (i) nuevos métodos para generar ARN sintético de composición definida que pudieran servir como ARNm sintético, (ii) el desarrollo de sistemas de traslación in vitro que pueda ser usado para traducir el ARNm sintético en proteínas, y (iii) trabajo teórico y experimental en genética que establecía que el código estaba escrito en palabras de tres letras (codones). Hoy en día, nuestro entendimiento del código genético permite la predicción de la secuencia de aminoácidos del producto proteico de los cientos o miles de genes cuya secuencia es determinada por estudios genómicos.
Se purifica la ARN polimerasa La purificación y caracterización bioquímica de la ARN polimerasa de la bacteria Escherichia coli facilitó la comprensión de los mecanismos a través de los cuales la RNA polimerasa inicia y termina los procesos de transcripción, y cómo estos procesos están regulados para ellos a su vez regular la expresión génica (por ejemplo el encendido y apagado de ciertos genes). Después del aislamiento de la ARN polimerasa de E. coli RNA, se identificaron las tres polimerasas del núcleo de las eucariotas, así como aquellas asociadas a virus y organelos. Algunos estudios de transcripción también llevaron a la identificación de muchos factores proteicos que influyen en la transcripción, incluyendo represores, activadores y potenciadores. La habilidad para purificar mezclas o preparaciones de la ARN polimerasa permitió a los investigadores desarrollar una gran variedad de métodos novedosos para el estudio del ARN en tubos de ensayo, y llevó directamente a descubrimientos clave en la biología del ARN.
1966–1975
La primera secuencia completa de nucleótidos de una molécula nucleica biológica A pesar de que la determinación de la secuencia de proteínas se había vuelto un procedimiento de rutina, los métodos para la secuenciación de ácidos nucleicos no se desarrolló si no hasta la mitad de la década de 1960. En este trabajo experimental, se purificó un ARNt específico en cantidades sustanciales, las cuales fueron sobrelapadas usando ribonucleasas. El análisis de la composición nucleotídica detallada de cada fragmento estableció la información necesaria para deducir la secuencia del ARNt.Hoy en día, el análisis de la secuencia de los ácidos nucleicos está altamente automatizado y es mucho más rápido.
Variaciones Evolutivas de secuencias de ARN homólogas revelan patrones de plegamiento Una vez que se purificaron y secuenciaron moléculas adicionales de ARNt, se realizó el primer análisis comparativo de las secuencias mostró que las secuencias han variado a través de la evolución de tal forma que todos los ARNt puedan plegarse en estructuras secundarias muy similares (estructuras en dos dimensiones) y tienen secuencias idénticas en posiciones numerosas (por ejemplo CCA en el extremo 3´). La estructura radial de cuatro brazos del RNAt se le conoce como una "estructura de hoja de trébol", la cual resultó de la evolución de secuencias con ancestros en común y funciones biológicas comunes. Desde el descubrimiento del RNAt en forma de hoja de trébol, el análisis comparativo de otras moléculas de ARN homólogas ha llevado a la identificación de secuencias en común y patrones de plegamiento.
La primera secuenciación de nucleótidos genómica completa La secuencia de 3569 nucleótidos de todos los genes del ARN del bacteriófago MS2 fue determinada por un equipo grande de investigadores a lo largo de varios años, y se reportó en una serie de artículos científicos. Estos resultados permitieron el análisis del primer genoma completo, a pesar de que el tamaño es muy pequeño con los estándares actuales. Al realizar esta secuenciación, se encontraron propiedades completamente nuevas, incluyendo genes que se sobrelapan parcialmente uno sobre otro y las primeras pistas de que diversos organismos podían tener diferentes patrones en el uso de los codones.
La transcriptasa reversa puede copiar ARN a ADN Se encontró que los retrovirus muestran que tienen un genoma de ARN de cadena simple que puede ser replicado por intermediarios de ADN, lo reverso de la ruta conocida de la transcripción de ADN-ARN. Dichos virus codifican una ADN polimerasa dependiente de ARN (transcripción reversa), lo que es esencial para este proceso. Algunos retrovirus pueden causar enfermedades, incluyendo algunas que se asocian con cáncer, VIH-1 lo que cause SIDA. La transcripción reversa ha sido usado ampliamente como herramienta experimental para el análisis de ARN en laboratorios, particularmente la conversión de moléculas de ARN a ADN antes de la clonación molecular y/o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
Los replicones de ARN evolucionan rápidamente Análisis bioquímicos y genéticos mostraron que el sistema enzimático que replican las moléculas de ARN virales (transcriptasas reversa y ARN replicasas) carece de su actividad de lectura de prueba (actividad como exonucleasa de 3´-5´), y que las secuencias de ARN no se benefician de los sistemas extensivos de reparación homólogos, es decir los mecanismos de reparación y mantenimiento del ADN. De manera consecuente, el genoma del ARN es muy susceptible a mutaciones en comparación con el ADN. Por ejemplo, las mutaciones en VIH-1 que conllevan a la formación de mutantes de alta viralidad que son insensibles a los medicamentos comunes, son mutaciones que involucran terapias médicas muy retadoras.
Las secuencias del ARN ribosomal (ARNr) proveen una evidencia de historia evolutiva en todas las formas de vida El análisis de las secuencias del ARN ribosomal de un gran número de organismos demostró que todas las extensiones de las formas de vida en la tierra comparten características estructurales y secuenciales en el ARN ribosomal, lo que refleja un ancestro común. Al realizar el mapeo de las similitudes y diferencias entre las moléculas de ARNr de orígenes diferentes, provee información clara y cuantitativa acerca de las relaciones filogenéticas (por ejemplo, evolucionaria) entre organismos. El análisis de las moléculas de ARNr llevaron a la identificación de un tercer reino de los organismos, el reino archaea, en adición a los procariontes y eucariontes.
Algunos nucleótidos no codificantes se añaden a los extremos de las moléculas de ARN El análisis molecular de las moléculas de RNAm mostraron, después de la transcripción, que los RNAm tienen nucleótidos no codificantes en ambos extremos (5´ y 3´, capuchas de guanosina y una cola poli-A, respectivamente). Además, se identificaron enzimas que añaden y mantienen las secuencias universales CCA en el extremo 3' de las moléculas de ARNt. Estos eventos son los primeros ejemplos del procesamiento del ARN, una serie de reacciones complejas que son necesarias para convertir los transcriptos primarios en moléculas de ARN biológicamente activas.
1976–1985