miniatura|O motivo de RNA , com a sequência Shine-Dalgarno destacada. Um termômetro de RNA (ou termossensor de RNA) é uma molécula de RNA não codificante sensível à temperatura, que regula a expressão gênica. Sua característica única é que não requer proteínas ou metabólitos para funcionar, respondendo apenas a mudanças de temperatura. Frequentemente, termômetros de RNA regulam genes necessários durante respostas ao choque térmico ou ao , mas também estão implicados em outros papéis regulatórios, como em patogenicidade e inanição.

De modo geral, os termômetros de RNA operam alterando sua estrutura secundária e estrutura terciária em resposta a flutuações de temperatura. Essa transição estrutural pode expor ou ocultar regiões importantes do RNA, como o sítio de ligação ao ribossomo, afetando a taxa de tradução de um gene codificador de proteína próximo.

Termômetros de RNA, juntamente com riboswitches, são usados como exemplos em apoio à hipótese do mundo de RNA. Essa teoria propõe que o RNA foi, outrora, o único ácido nucleico presente nas células, sendo posteriormente substituído pelo atual sistema DNA → RNA → proteína.

Exemplos de termômetros de RNA incluem o , o , o , o , e o .

Descoberta O primeiro elemento de RNA sensível à temperatura foi relatado em 1989. Antes dessa pesquisa, mutações a montante do sítio de início de transcrição em um cIII mRNA foram encontradas afetando o nível de tradução da proteína cIII. Essa proteína está envolvida na escolha entre um ciclo lítico ou lisogênico no fago λ, com altas concentrações de cIII promovendo a lisogenia. Estudos adicionais dessa região de RNA a montante identificaram duas estruturas secundárias alternativas; estudos experimentais descobriram que as estruturas são intercambiáveis e dependem da concentração de e da temperatura. Esse termômetro de RNA agora é considerado como incentivador da entrada em um ciclo lítico sob estresse térmico, permitindo que o bacteriófago se replique rapidamente e escape da célula hospedeira.

O termo "termômetro de RNA" foi cunhado apenas em 1999, quando foi aplicado ao elemento de RNA rpoH identificado em Escherichia coli. Mais recentemente, buscas bioinformáticas foram empregadas para descobrir vários candidatos a termômetros de RNA. No entanto, buscas baseadas em sequências tradicionais são ineficientes, pois a estrutura secundária do elemento é muito mais conservada do que a sequência de ácido nucleico.

Reações biológicas e organismos são sensíveis à temperatura para o funcionamento celular. Termômetros de RNA são uma forma eficiente de responder à temperatura, pois permitem que as células monitorem e detectem mudanças para manter a célula viva e estável. Mecanismos induzidos por DNA, RNA ou proteínas evitam pequenas mudanças, pois detectam alterações externas.

Bactérias utilizam termômetros de RNA para entrar e sobreviver em seus hospedeiros, fixando-se a eles e causando flutuações em sua temperatura. As bactérias podem responder rapidamente contra condições de choque térmico e frio, uma vez que os termômetros de RNA controlam a expressão gênica em nível traducional.

O primeiro termômetro de RNA descoberto no cloroplasto de Chlamydomonas reinhardtii, encontrado na 5’-UTR do mRNA psaA, tem uma função distinta, especialmente por ser considerado ausente. Possui uma estrutura secundária do tipo grampo que protege a sequência Shine-Dalgarno em baixas temperaturas, mas, ao ocorrer uma mudança de temperatura, ela se desfaz, ativando a produção de proteínas. A pesquisa sobre o termômetro de RNA de C. reinhardtii é uma porta de entrada para observar o cloroplasto de organismos fotossintéticos para a regulação gênica e como isso pode ser usado na agricultura no futuro, ajudando as plantas a se adaptarem a temperaturas externas.

Distribuição A maioria dos termômetros de RNA conhecidos está localizada na (UTR) de RNAs mensageiros que codificam proteínas de choque térmico — embora tenha sido sugerido que esse fato pode ser devido, em parte, a viés de amostragem e às dificuldades inerentes de detectar sequências curtas e não conservadas de RNA em dados genômicos.

Embora predominantemente encontrados em procariotos, um potencial termômetro de RNA foi identificado em mamíferos, incluindo humanos. O candidato a termossensor, RNA de choque térmico-1 (HSR1), ativa o fator de transcrição de choque térmico 1 (HSF1) e induz proteínas protetoras quando a temperatura celular excede 37 °C (), prevenindo o superaquecimento das células.

Os elementos ROSE, uma classe de termômetros de RNA bacterianos, regulam a ativação de genes que possuem pequenas proteínas de choque térmico. Eles derretem moderadamente conforme a temperatura do ambiente aumenta. Quando completamente derretidos a uma alta temperatura de cerca de 42 °C, liberam a sequência Shine-Dalgarno e o códon de início AUG. Termômetros de RNA também podem ser encontrados em alguns simbiontes ou patógenos de plantas, que utilizam esses termômetros para regular a expressão gênica das plantas. Uma bactéria simbiótica bem estudada é da família Rhizobiaceae. Na maioria das espécies rizobiais, elementos ROSE (cis-atuantes) foram observados controlando genes de choque térmico.

Estrutura miniatura|Representação 3D da estrutura do termômetro de RNA . Os termômetros de RNA são estruturalmente simples e podem ser formados por sequências curtas de RNA; o menor possui apenas 44 nucleotídeos e é encontrado no mRNA de uma proteína de choque térmico, hsp17, em espécies de , . Geralmente, esses elementos de RNA variam de 60 a 110 nucleotídeos de comprimento e tipicamente contêm um grampo com um pequeno número de pares de bases não correspondentes, o que reduz a estabilidade da estrutura, facilitando o desdobramento em resposta a um aumento de temperatura.

A análise estrutural detalhada do termômetro de RNA ROSE revelou que as bases não correspondentes estão, na verdade, envolvidas em pareamentos não padrão que preservam a estrutura helicoidal do RNA (veja a figura). Os pareamentos incomuns consistem em pares G-G, U-U e UC-U. Como esses pares de bases não canônicos são relativamente instáveis, o aumento da temperatura causa o derretimento local da estrutura do RNA nessa região, expondo a sequência Shine-Dalgarno.

Alguns termômetros de RNA são significativamente mais complexos do que um único grampo, como no caso de uma região encontrada no , que se acredita conter um , além de múltiplos grampos.

Termômetros de RNA sintéticos foram projetados com uma estrutura simples de grampo único. No entanto, a estrutura secundária de termômetros de RNA curtos pode ser sensível a mutações, pois uma única mudança de base pode tornar o grampo inativo in vivo.

Mecanismo miniatura|Um grampo estável (esquerda) se desfaz em temperaturas mais altas (direita). A sequência Shine-Dalgarno destacada fica exposta, permitindo a ligação da subunidade ribossômica 30S. Os termômetros de RNA estão localizados na 5' UTR de RNA mensageiro, a montante de um gene codificador de proteína. Aqui, eles podem ocultar o sítio de ligação ao ribossomo (RBS) e impedir a tradução do mRNA em proteína. Com o aumento da temperatura, a estrutura em grampo pode "derreter", expondo o RBS ou a sequência Shine-Dalgarno, permitindo a ligação da subunidade ribossômica pequena (30S), que então monta a maquinaria de tradução. O códon de início, geralmente encontrado 8 nucleotídeos a jusante da sequência Shine-Dalgarno, sinaliza o início de um gene codificador de proteína, que é então traduzido em um produto peptídeo pelo ribossomo. Além desse mecanismo , um único exemplo de termômetro de RNA foi encontrado no , onde se acredita estar envolvido na resposta à inanição.

Um exemplo específico de motivo de termômetro de RNA é o termômetro FourU encontrado em Salmonella enterica. Quando exposto a temperaturas acima de 45 °C, o grampo que forma pares de bases opostos à sequência Shine-Dalgarno se desfaz, permitindo que o mRNA entre no ribossomo para a tradução ocorrer. A concentração de íons Mg2+ também demonstrou afetar a estabilidade do FourU. O termômetro de RNA mais bem estudado é encontrado no gene rpoH em Escherichia coli. Esse termossensor regula positivamente proteínas de choque térmico em altas temperaturas por meio de σ32, um fator sigma especializado em choque térmico.

Embora tipicamente associados à expressão de proteínas induzida por calor, os termômetros de RNA também podem regular proteínas de choque frio. Por exemplo, a expressão de duas proteínas de 7 kDa é regulada por um termômetro de RNA na bactéria termofílica Thermus thermophilus e um mecanismo semelhante foi identificado em .

Termômetros de RNA sensíveis a temperaturas de 37 °C podem ser usados por patógenos para ativar genes específicos de infecção. Por exemplo, a regulação positiva de prfA, que codifica um regulador transcricional chave de genes de virulência em Listeria monocytogenes, foi demonstrada pela fusão do ao gene da proteína fluorescente verde; a fusão gênica foi então transcrita a partir do promotor T7 em E. coli, e a fluorescência foi observada a 37 °C, mas não a 30 °C.

Implicações para a hipótese do mundo de RNA

A hipótese do mundo de RNA afirma que o RNA foi, outrora, tanto o portador de informação hereditária quanto enzimaticamente ativo, com diferentes sequências atuando como biocatalisadores, reguladores e sensores. A hipótese propõe então que a vida moderna baseada em DNA, RNA e proteína evoluiu, e a seleção substituiu a maioria dos papéis do RNA por outras biomoléculas.

Termômetros de RNA e riboswitches são considerados evolutivamente antigos devido à sua ampla distribuição em organismos distantemente relacionados. Foi proposto que, no mundo de RNA, os termossensores de RNA teriam sido responsáveis pela regulação dependente de temperatura de outras moléculas de RNA. Termômetros de RNA em organismos modernos podem ser fósseis moleculares, sugerindo uma importância anteriormente mais ampla em um mundo de RNA.

Outros exemplos regula em Drosophila, aumentando a taxa de tradução da proteína de choque térmico em altas temperaturas. O operon ibpAB de E. coli é previsto para conter dois termômetros de RNA cooperativos: um e o . são encontrados em e Agrobacterium tumefaciens, respectivamente. Eles existem na 5’ UTR do mRNA HspA, e reprimem a tradução de proteínas de choque térmico em temperaturas fisiológicas.

Referências

Categoria:ARN não-codificante Categoria:RNA Categoria:Biologia química