RETROTRANSCRIPCION DE LOS RETROVIRUS

RETROTRANSCRIPCION DE LOS RETROVIRUS: Es un proceso de la biología molecular que implica la generación de una cadena de ácido desoxirribonucleico (ADN) de doble cadena a partir de un ácido ribonucleico (ARN) de cadena simple.

DESCRIPCIÓN

Dicha actividad está mediada por varias enzimas e incluso por proteínas estructurales de la cápside, si bien la clave es la transcriptasa inversa o retrotranscriptasa. Descrita por vez primera en virus de la familia Retroviridae de forma independiente por los investigadores Howard Temin y David Baltimore en 1970,2 3 su descubrimiento suposo la primera evidencia de la falsedad del dogma central de la biología molecular.

El fundamento molecular de la retrotranscripción en retrovirus implica la conversión de dos ARNs de cadena simple con sentido positivo en una molécula de ADN ligeramente más larga que el ARN original debido a la repetición directa de las secuencias colindantes a los fragmentos originales (denominadas LTRs, del inglés, long terminal repeats).

El descubrimiento de la retrotranscriptasa rompió el esquema de la biología molecular según el cual la información genética iba siempre en este sentido ADN-ARN-proteína.

Las retrotranscriptasas asociadas a ciertos virus tumorales, llamados retrovirus, catalizan el proceso ARN-ADN que es inverso al de la transcripción del ADN en ARN.

La mayoría de los retrovirus y otros elementos no patógenos se hallan asociados al cromosoma de células tanto de animales como de plantas, de manera que la retrotranscripción de ARN ha contribuido a modificar la composición del cromosoma celular. Se ha investigado que la información contenida en los cromosomas pudo derivarse de replicones autónomos como es el caso de los retrotransposones, los cuáles son elementos móviles que se desplazan de un sitio a otro del genoma, donde se sitúan aleatóriamente y pueden causar mutaciones e incrementar la variabilidad genética.

Las mutaciones inducidas por estos elementos no persistirían en genomas sometidos a selección natural. Sino que ocuparían un lugar en la parte oscura del genoma sin una función clara o, en todo caso, negativa.

Otros defienden que los elementos móviles actuarían como parásitos o partículas autónomas sin ninguna misión en el genoma donde se insertan, vendrían a ser formas de virus que se han adaptado a la vida intracelular, o bien formas degeneradas de virus que han perdido la capacidad de infectar nuevas células.

Este enriquecimiento de información hubiera sido posible mediante la retrotranscripción seguida de integración del ADN producto en el cromosoma.

BARBARA McCLINTOCK (1902-1992): Genetista norteamericana, Premio Nobel en Medicina y Fisiología en 1983 por su descubrimiento de los "transposomas" o "genes saltadores", genes que pueden cambiar de lugar dentro de los cromosomas. En la conferencia que dio al recibir el Premio Nobel ("The Significance of Responses of the Genome to Challenge"), McClintock explicó cómo las células pueden responder a la presión ambiental a la que se ven sometidos los organismos vivos mediante una reestructuración de su genoma; estos mecanismos explicarían la formación de nuevas especies, y serían la base de los cambios evolutivos. McClintock realizó sus estudios genéticos fundamentalmente con maíz, realizando numerosas hibridaciones entre diferentes variedades, lo que le permitió asimismo describir la historia evolutiva y origen de esta planta.

Barbara McClintock estudió en la Cornell University en Ithaca (NY) en la década de 1920, terminando su doctorado en 1927. En el departamento de genética de esta universidad, dirigido por R. A. Emerson y el citólogo L. W. Sharps, hubo numerosos estudiantes que llegaron a ser genetistas distinguidos, como George Beadle, Marcus Rhoades y la misma Barbara McClintock. Mientras realizaba su tesis doctoral trabajó como Instructora de Botánica en la misma universidad. Cuando T. H. Morgan visitó la Cornell en 1931, se quedó tan impresionado con los descubrimientos de McClintock que le insistió para que los publicara cuanto antes: en ellos se probaba que el intercambio cromosómico de material genético producía nuevas variedades de maíz. Poco después de que su trabajo fuera publicado, el genetista alemán Curt Stern publicó descubrimientos similares en las moscas de la fruta (Drosophila). Marcus Rhoades, que presentó en 1933 la tesis doctoral, realizada bajo la dirección de T. H. Morgan, sobre la esterilidad masculina en el maíz híbrido, se unió al proyecto de McClintock de elaborar el mapa genético de la planta de maíz. En 1935 Rhoades pasó a ser investigador de genética en Iowa y participó en el establecimiento del "Iowa Corn Field Test"; su trabajo estuvo en relación con el de Barbara McClintock.

En 1936, McClintock era profesora asistente en el departamento de botánica de la Universidad de Missouri y vicepresidenta de la Sociedad Americana de Genética. En 1941 dejó la Universidad de Missouri y se unió al grupo de genetistas de Cold Spring Harbor, donde obtuvo el apoyo financiero permanente de la Carnegie Institution de Washington. Fue en Cold Spring Harbor donde hizo su descubrimiento de la transposición genética, las partes móviles de los cromosomas que más tarde se llamarían "transposomas" o "genes saltadores". Trabajando con plantas de maíz, más complejas, McClintock había identificado estos elementos genéticos veinte años antes que los biólogos moleculares que estaban trabajando con formas de vida mucho más simples. Los científicos que habían sido escépticos con sus descubrimientos tuvieron ahora que admitir que el dogma central del ADN (es decir, ADN ® ARN ® proteínas) ya no estaba fijado inmutablemente. Además podían ver que su propia investigación confirmaba los hallazgos de ella sobre la existencia de elementos genéticos transponibles. El genetista James Shapiro resumió acertadamente la resistencia a veces agria que McClintock había encontrado:

"Los elementos transponibles son un ejemplo de cómo las nuevas ideas son aceptadas fríamente por la comunidad científica. Si ella dice que algo ha ocurrido, ella lo ha visto en docenas y cientos de casos. Una razón de que la gente no lea sus papeles es porque la documentación es enormemente densa. Así pues, primero dijeron que estaba loca; después dijeron que ello era peculiar del maíz; luego dijeron que se daba en todas partes pero no tenía significado; y entonces, finalmente, se dieron cuenta de su significado."

En el último cuarto de su vida, McClintock fue honrada con muchas medallas y títulos honorarios en reconocimiento por la gran importancia de su trabajo. Entre estos títulos se encuentran los de las universidades de Harvard y Rockefeller, la beca indefinida MacArthur Laureate Award, el Lasker Award de Investigación Médica Básica y el Wolf Foundation Awar.

TRANSPOSONES: es una secuencia de ADN que puede moverse de manera autosuficiente a diferentes partes del genoma de una célula, un fenómeno conocido como transposición. En este proceso, se pueden causar mutaciones y cambio en la cantidad de ADN del genoma. Anteriormente fueron conocidos como "genes saltarines" y son ejemplos de elementos genéticos móviles.

Los transposones son fragmentos de DNA que pueden pasar de un cromosoma a otro sin una etapa de existencia independiente.

Cuando cambian de posición y abandonan el lugar en el que estaban, en ese sitio, se produce un deleción o pérdida de bases. Si el elemento transponible estaba insertado en el interior de un gen, puede que se recupere la función de dicho gen.

De igual forma, si el elemento genético móvil al cambiar de posición se inserta dentro de un gen se produce una adición de una gran cantidad de nucleótidos que tendrá como consecuencia la pérdida de la función de dicho gen.

Por consiguiente, los elementos genéticos transponibles producen mutaciones.El transposón modifica el ADN de sus inmediaciones, ya sea arrastrando un gen codificador de un cromosoma a otro, rompiéndolo por la mitad o haciendo que desaparezca del todo. En algunas especies, la mayor parte del ADN basura (hasta un 50% del total del genoma) corresponde a transposones.

A diferencia de los provirus, los transposones se integran en el ADN celular en lugares bien determinados. Su existencia fue propuesta por Barbara McClintock en el maíz, sin embargo, su existencia no se demostró hasta mucho más tarde en bacterias. Por ello fue laureada con el Premio Nobel en 1983.

CLASIFICACIÓN

Existe una amplia diversidad de elementos genéticos móviles y pueden ser clasificados en base a su contenido y su estrategia y mecanismo de transposición.

Según contenido

• Transposón simple, secuencia de inserción o elemento de inserción (IS): contienen una secuencia central con información para la transposasa, una enzima necesaria para la transposición, y en los extremos una secuencia repetida en orden inverso. Esta secuencia repetida en orden inverso no es necesariamente idéntica, aunque muy parecida. Cuando un transposón simple se integra en un determinado punto del ADN aparece una repetición directa de la secuencia diana (5-12 pb).

• Transposón compuesto (Tn): contienen un elemento de inserción (IS) en cada extremo en orden directo o inverso y una región central con la transposasa que además suele contener información de otro tipo. Por ejemplo, los factores de transferencia de resistencia (RTF), poseen información en la zona central para resistencia a antibióticos como el cloranfenicol, la kanamicina, la tetraciclina, dándole una ventaja selectiva a las bacterias que lo posean.

Según estrategia de transposición

• Clase I o retrotransposones: se mueven en el genoma siendo transcritos a ARN y después en ADN por retrotranscriptasa. A su vez, se clasifican en los de origen retroviral (retrotransposones con LTR) y de origen no retroviral (retrotransposones sin LTR).

• Clase II o DNA transposones: se mueven directamente de una posición a otra en el genoma usando una transposasa para cortar y pegarse en otro locus del mismo.

• Clase III o MITE, por sus siglas en inglés "Miniature Inverted-repeats Transposable Elements".

Según mecanismo de transposición

• Transposición conservativa: el transposón sale de la sede donadora que queda vacía y se incorpora en una nueva sede (sede receptora). No aumenta el número de copias del transposón en el interior de la célula.

Se expresa la transposasa, y realiza dos cortes de doble cadena a la misma altura en el genoma donante, dejando aislado el transposón. A continuación localiza una secuencia diana (pongamos, ATGCA) en el genoma aceptor, y realiza un corte cohesivo. Tras eso une los extremos a los del transposón aislado, y la ADN Polimerasa de la célula rellena las zonas de cadena sencilla dejadas en la secuencia señal tras el corte cohesivo. Debido a esto, la secuencia señal queda duplicada. Queda, sin embargo, un hueco en el genoma donante, que puede ser letal si no se repara. Realmente, en este caso se habla más de recombinación que de transposición.

• Transposición no conservativa: en este caso la transposasa realiza un corte cohesivo no solo en la secuencia diana, sino también en el genoma donante, dejando un corte a cada lado del transposón. A continuación integra todo el genoma donante con el aceptor, mediante un curioso mecanismo que forma un intermediario llamado “estructura entrecruzada”. Esta estructura es resuelta por un segundo enzima, la resolvasa, que según cómo lo resuelva dará lugar a una de las siguientes transposiciones:

o Transposición no replicativa: el genoma donante se libera, dejando el integrón en el genoma receptor. Al igual que en la transposición conservativa, queda un hueco en el genoma donante, que puede ser letal si no se repara.

o Transposición replicativa: se produce una replicación desde los extremos 3’ del genoma aceptor, lo que acaba por duplicar el transposón, y produciendo un genoma mixto llamado “cointegrado”. A continuación la resolvasa rompe el cointegrado mediante una recombinación recíproca, que une los extremos del ADN aceptor original (ahora con una de las copias del integrón) y libera el genoma donante de nuevo con su transposón.

RETROPOSON: Elemento transponible que se mueve por transcripción inversa, pero que carece de las secuencias de repetición terminal largas necesarias para la transposición autónoma. Gran parte del ADN repetitivo, que constituye una elevada proporción del genoma en eucariotas, está formado por retroposones silenciados (p. ej., inactivados). Son los precursores de los retrotransposones.

RETROTRANSPOSONES: son elementos genéticos que pueden amplificar a sí mismos en un genoma y son ubicuos componentes del ADN de muchos organismos eucariotas.

Ellos son una subclase de transposón, y son particularmente abundantes en las plantas, donde a menudo es un componente principal de ADN nuclear.

- En las plantas: en el maíz, 49-78% del genoma se compone de retrotransposones. En el trigo, aproximadamente el 90% del genoma consiste en secuencias repetidas y el 68% de elementos transponibles. 2

- En los animales: en mamíferos, casi la mitad del genoma (del 45% al 48%) comprende transposones o restos de transposones. Alrededor de 42% del genoma humano está compuesto de retrotransposones, mientras que los transposones de ADN representan aproximadamente el 2-3%. 3

Muchos presentan largas repeticiones terminales (LTRs: Long Terminal Repeats) de hasta 1000 pares de bases cada una. Suponen el 40% del genoma humano. Existen dos grandes grupos de retrotransposones en humanos: las secuencias LINE (Long Interpersed Nuclear Elements) y las SINE (Short Interpersed Nuclear Elements). La mayoría de los retrotransposones presentes en el genoma humano son de tipo LINE que incluyen en su secuencia un gen que codifica una transcriptasa inversa. Presentan una gran diversidad en su secuencia que permite utilizarlas como “fingerprint” (huella dactilar) de especie. Los elementos LINE pueden jugar un importante papel en la regulación de la transcripción de numerosos genes. Las secuencias SINE son otro tipo de retrotransposones de secuencia más corta (de unas 100 a 400 pares de bases). Los elementos SINE son transcritos por la ARN polimerasa III y en el genoma humano representan el 11% del genoma.

RETROVIRUS: Son virus con envoltura que presentan un genoma de ARN monocatenario de polaridad + y se replican de manera inusual a través de una forma intermedia de ADN bicatenario. Este proceso se lleva a cabo mediante una enzima: la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, que dirige la síntesis de ADN a través de ARN y posee una importancia extraordinaria en la manipulación genética. Una vez que se ha pasado de ARN monocatenario a ADN, se inserta dentro del ADN propio de la célula infectada donde se comporta como un gen más (véase Ciclo reproductivo de los virus). Por tanto, se incluyen en el Grupo VI de la Clasificación de Baltimore.

Los retrovirus son responsables de muchas enfermedades, incluyendo algunos cánceres y el sida (VIH). Existen diversos grupos de investigación que han intentado modificar genéticamente los retrovirus para usarlos en terapia génica como vectores, pero se han encontrado con diversos problemas.

CLASIFICACIÓN

La familia incluye los siguientes géneros:

• Género Alpharetrovirus; especie tipo: Virus de la leucosis aviar.

• Género Betaretrovirus; especie tipo: Virus del tumor mamario del ratón.

• Género Gammaretrovirus; especie tipo: Virus de la leucemia murina; otra: Virus de la leucemia felina.

• Género Deltaretrovirus; especie tipo: Virus de la leucemia bovina; otra: Virus linfotrópico T humano, causante de cáncer.

• Género Epsilonretrovirus; especie tipo: Virus del sarcoma cutáneo del Walleye, que afecta a peces.

• Género Lentivirus; especie tipo: Virus de la inmunodeficiencia humana 1; otras: Virus de inmunodeficiencia en simios, Virus de la inmunodeficiencia felina.

• Género Spumavirus; especie tipo: Virus espumoso del chimpance.

ESTRUCTURA GENÉTICA

El genoma del virus toma la forma de un ARNm de polaridad positiva, incluida la cap 5' y la poly-A 3' dentro del virión. Una vez dentro de la célula del huésped, la cadena de ARN se somete a la transcripción inversa en el citosol y es integrado en el genoma del huésped, momento en que el ADN retroviral se denomina provirus.

En el caso del VIH, el genoma consta de dos moléculas de ARN de cadena simple y polaridad positiva. Las moléculas de ARN están físicamente unidas mediante puentes de hidrógeno en sus extremos 5', lo que hace que sea difícil la encapsidación de más de 2 moléculas en un provirus.

La organización genómica es siempre la misma, 5'-Gag-Pol-env-3', y además dependiendo del tipo de retrovirus, hay genes accesorios que se solapan con los genes principales.

A pesar de la inmensa variabilidad entre los distintos tipos de retrovirus, podemos decir que la partícula viral se compone de:

• Envoltura formada por una glicoproteína de superficie (SU) y una proteína de transmembrana (TM).

• Cápside viral o core que incluye las proteínas de la matriz (MA), cápside (CA) y nucleocápside (NC).

• Enzimas como la transcriptasa inversa (RT), proteasa (PR), integrasa (IN), que son muy importantes para la replicación del virus.

• Otras proteínas no esenciales para el virus.

CICLO DE REPLICACIÓN

El ciclo de replicación comprende varias etapas comunes a todos los retrovirus. En una fase inicial o temprana, el virus se une a receptores específicos de la célula gracias a la glicoproteína de superficie. Las membranas vírica y celular se fusionan y la cápside viral entre en la célula.

Las enzimas víricas permanecen asociadas al ARN genómico formando una complejo nucleoproteico. La síntesis de ADN vírico, incluyendo las LTR (Long Terminal Repeat;Repetición Terminal Larga) , se produce en el citoplasma a través de la Transcriptasa reversaRT. La actividad ARNasa H de la RT degrada la hebra de ARN y casi simultáneamente emplea la del ADNc como molde para sintetizar una segunda hebra de ADN, convirtiéndolo en bicatenario. Este permanece unido al complejo nucleoproteico, con el que pasa al núcleo celular y, mediante la Integrasa (IN), el ADN viral se integra (provirus) en el genoma celular, donde puede permanecer por un tiempo indefinido (en ocasiones luego de esta fase, puede pasar a transformarse en un retrovirus endógeno si logra infectar una célula germinal).

Luego viene la fase de trascripción de los genes, originando ARN que sirven como genoma del nuevo virión y ARN mensajeros para las poliproteínas. Las proteínas de gag y pol se asocian con el ARN viral formando un “core” intracelular, mientras que las proteínas de env se insertan en la membrana plasmática de la célula.

Tras el ensamblaje, se produce la salida de la célula por gemación, durante la cual el virus adquiere la doble capa lipídica de su envoltura. Estudios recientes sugieren que la salida de la partícula viral se produce en lugares determinados de la célula. Parece ser que Gag migraría hacia zonas de la membrana ricas en determinados lípidos; son las llamadas balsas o raft. Las proteínas asociadas a estos raft que se incorporan a la envuelta del virus desempeñarían también un papel importante en la replicación viral.

Finalmente se produce la maduración de las partículas gemadas mediante el procesamiento de las poliproteínas por la Proteasa (PR) viral que corta las poliproteínas precursoras. Los principales productos son las proteínas de la matriz (p17), cápside (p24), nucleocápside (p7) y la p6 (proteína). La proteasa es solamente activa dentro del virión. La maduración del VIH constituye un mecanismo importante para el diseño de antirretrovirales.

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