El bestiario del ARN no codificante

Por Guillermo Peris Ripollés, el 21 noviembre, 2022. Categoría(s): Genética
Bodleian Library, MS. Bodley 764, folio 50r (c 1225-50).

¿Quién no se ha sentido alguna vez fascinado por las imágenes medievales de animales como la que encabeza este artículo? Estas ilustraciones aparecen en los conocidos como bestiarios, auténticas recopilaciones medievales de animales reales o mitológicos que, en un contexto religioso, pretendían dar al creyente cristiano una guía moral a través de las características específicas de cada animal.

Un ejemplo de esta simbología sería el unicornio. En los bestiarios medievales el unicornio suele aparecer en el regazo de una doncella mientras es atacado por cazadores. En esta representación, el unicornio simboliza a Cristo nacido del vientre de la Virgen María (la doncella) y tras el nacimiento en su forma humana es vulnerable y puede ser asesinado por los cazadores, en una alegoría de la crucifixión de Cristo. Además, el cuerno del animal representaría la unidad de Dios y Cristo.

Bayerische Staatsbibliothek, Gall.16 (Psalter of Isabelle of France), folio 14r (1303-1308).

Los bestiarios han trascendido la época medieval y su intención evangelizadora, llegando hasta nuestros días en distintos formatos. Por ejemplo, en literatura tenemos como ejemplos las obras «De algunos animales: Bestiario ilustrado» de Rafael Sánchez Ferlosio, «El libro de los seres imaginarios» de José Luis Borges o «Bestiario» de Julio Cortázar. En general, se denominan bestiarios descripciones de listados de objetos o personas con características comunes.

En esta línea, este artículo pretende enumerar algunos de los tipos de ARN que pululan por nuestras células, acompañándolos de animales de bestiarios medievales que ilustran su función o estructura. Y para ello quiero centrarme en el menos conocido ARN no codificante.

Seguro que ya habéis leído en diversas ocasiones que en el ADN tenemos secuencias conocidas como genes que contienen la información para fabricar proteínas, pasando por un paso intermedio de ARN mensajero. Pero estos genes sólo ocupan en torno al 2 % del genoma; ¿qué ocurre con el resto? Pues otras partes del genoma también se transcriben a ARN, pero estas secuencias no contienen información para fabricar proteínas, por lo que se conocen como ARN no codificante (las secuencias de ADN del que provienen también recibe la denominación de genes no codificantes). No obstante, que no sirvan para fabricar proteínas no significa que no tengan una función importante en la célula. (Aviso para puristas: en este texto usaré indistintamente la versión española (ARN) y la inglesa (RNA) para referirme al producto de la transcripción del ADN).

Imagen modificada de esta fuente.

Y es que el funcionamiento de nuestras células no depende únicamente de las proteínas que se fabrican a partir del ADN codificante; si sólo dependiera de eso, todas las células de nuestro cuerpo serían iguales, ya que en todas se fabricarían las mismas proteínas en la misma cantidad. En realidad, en cada tipo celular se regula qué proteínas se fabrican y cuáles no, y en qué cantidad se fabrican. Y es en esta regulación donde interviene en gran medida el ARN no codificante.

En la última década ha aumentado enormemente nuestro conocimiento sobre este ARN no codificante, hasta el punto de que ya sabemos que juega un papel esencial en el funcionamiento normal de nuestras células y en el desarrollo de patologías. Es más que probable que en noticias científicas de medios de comunicación se empiece a hablar de miRNA, piRNA, lncRNA, lincRNA… por lo que he creído conveniente crear esta pequeña guía.

Quiero aclarar que este bestiario no pretende ser un compendio de todos los tipos de ARN no codificante: no están todos los que son, pero sí son todos los que están. Me vais a permitir que esté sesgado hacia aquellas secuencias que tienen un papel más relevante en mi investigación, que son los que mejor conozco. Esta selección también dirigirá mi elección de los animales representativos de bestiarios medievales, que únicamente pretenden ser un acompañamiento que haga menos árida la lectura y, quién sabe, acaso tengan un uso mnemotécnico. Todas las imágenes de este tipo que aparecen en el artículo han sido obtenidas de la maravillosa página web (que os animo a visitar) The Medieval Bestiary: Animals in the middle ages.

microRNA (hormigas)

Bestiario de Guillaume le Clerc. Bibliothèque Nationale de France, Paris, France (S. XIII).

Las hormigas son, si no el que más, uno de los animales más pequeños que aparecen en los bestiarios medievales. Suelen representarse como puntos poco detallados, en grupos, y recogiendo grano. Acostumbraban a utilizarse como alegorías del trabajo en equipo, como un modelo de unidad. Su trabajo de separar el grano de la paja también se presentaba como un ejemplo de cómo leer la Biblia, separando la interpretación literal de los significados espirituales; los verdaderos cristianos deben rechazar la herejía («la paja») en su camino a la salvación eterna.

Las hormigas de nuestras células serían las secuencias de microARN (o miRNA, para abreviar), las más pequeñas de este bestiario de ARN. La longitud de los miRNA se sitúa en torno a los 22 nucleótidos, algo insignificante si la comparamos con genes que pueden tener cientos de miles de nucleótidos o incluso llegar a millones. Por ejemplo, el miRNA let-7 humano tendría esta corta secuencia de letras.

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Pero no os dejéis engañar por esta secuencia tan corta; el papel de los miRNA en las células es absolutamente fundamental, hasta el punto de que una pequeña variación de su cantidad puede ocasionar trastornos del desarrollo y enfermedades.

De Natura animalium, Bibliothèque Municipale de Douai, Ms. 711 (1270-1275)

Los miRNAs, pese a ser tan sumamente pequeños, como hormiguitas, son capaces de bloquear la fabricación de proteínas a partir de ARN mensajero, impidiendo la traducción de estos. De esta forma, actúan como reguladores de las proteínas que se fabrican en cada célula. Para ello, se pegan como lapas a los ARN mensajeros acabados de salir del horno y con las instrucciones precisas para fabricar una proteína, de forma que ésta no puede producirse. Es más, una secuencia concreta de miRNA puede interactuar con cientos e incluso miles de ARNs mensajeros de genes distintos. Se estima que los miRNAs regulan la traducción del 60 % de los genes codificantes.

En esta imagen se representa cómo una secuencia de microARN se une a una hebra de ARN mensajero e impide que un ribosoma la traduzca a proteína. Imagen modificada de Wikipedia Commons (fuente).

Este papel de regulación celular es sumamente importante, sobre todo en el desarrollo embrionario, hasta el punto de que cualquier desequilibrio en la cantidad de miRNAs en los primeros pasos del desarrollo produce enfermedades importantes.

Por ejemplo, se sabe que las cantidades de miRNAs que se expresan en un tejido sano versus un tejido tumoral cambian enormemente. De hecho, algunos miRNAs pueden actuar tanto como oncogenes, promoviendo que se forme un tumor, como protegiendo a la célula ejerciendo de supresores de tumores.

Y no sólo en tumores; los perfiles de expresión de los miRNAs son distintos en células de pacientes aquejados de enfermedades neurodegenerativas, inflamatorias y cardiovasculares. No todos los miRNAs se encuentran presentes en todas las células pero, curiosamente, en torno al 75 % se expresan en distintos tipos de células del cerebro, e incluso muchos son específicos de neuronas.

piRNA (abejas)

Bodleian Library, MS. Ashmole 1511 (The Ashmole Bestiary), folio 75v (S. XIII).

En los bestiarios medievales las abejas tenían una simbología variada. Por un lado, representaban el trabajo en equipo y la laboriosidad. Además, para el clero aludía al voto de castidad ya que las abejas obreras no se aparean. Si también consideramos la colmena, esta sería un símbolo de la iglesia, siendo las abejas los cristianos.

He elegido las abejas para representar a los piRNAs (de PIWI-interacting RNAs, siendo PIWI una familia de proteínas a las que se asocian los piRNAs) porque son de pequeño tamaño como los miRNAs, pero algo mayores que las hormigas; los piRNAs tienen una longitud de 24 a 30 nucleótidos, cuando los miRNAs se componen de unos 22. Y, pese a tener en común con ellos su pequeño tamaño, algunas sutiles pero importantes diferencias hacen que se les considere una clase distinta.

Los piRNA, además de bloquear los ARNm transcritos desde el ADN (como vimos que hacían los miRNAs), también impiden directamente que la transcripción tenga lugar «silenciando» secuencias de ADN mediante mecanismos epigenéticos como la metilación y la modificación de histonas (esto os lo contaré otro día).

Los piRNAs actúan epigenéticamente para silenciar la transcripción de elementos genéticos móviles mediante la modificación de histonas y metilación de islas CpG. No os preocupéis si no entendéis esto; espero explicarlo en otro momento (fuente).

Pero no bloquean cualquier tipo de secuencia: los piRNAs se han especializado en silenciar a los elementos genéticos móviles o transposones (también conocidos como «genes saltarines»), secuencias genómicas que son capaces de «saltar» de su posición e insertarse en una nueva, lo cual podría provocar graves problemas (ya he hablado de los transposones en este artículo de Naukas).

De Natura animalium, Bibliothèque Municipale de Douai, Ms. 711 (1270-1275)

En concreto, los piRNAs evitan que estas secuencias saltarinas se muevan en los genomas de las células germinales (las que se convertirán en óvulos o espermatozoides). Cuando los piRNAs no llevan a cabo correctamente su función (por ejemplo, porque han sufrido alguna mutación), se puede producir una inestabilidad genómica que puede dar lugar a problemas de infertilidad.

lncRNA (serpientes)

British Library, Harley MS 3244, folio 59r.

Vamos a cambiar radicalmente de animales, pasando de las pequeñas hormigas y abejas a un animal de mayor tamaño y, sobre todo, de mayor longitud: la serpiente. La simbología religiosa de la serpiente nos remite directamente al conocido mito de Adán y Eva. De hecho, en muchas ilustraciones aparece este animal junto a un hombre desnudo simbolizando la pureza perdida cuando, tras ser tentados por la serpiente y expulsados del paraíso, se vistieron tras avergonzarse de su desnudez. Además, el hecho de que la serpiente mude de piel invita a los creyentes a deshacerse de su antiguo yo para seguir a Cristo; y el veneno que escupe sería un recordatorio para abandonar todo lo malo antes de entrar en la iglesia.

Biblioteca Nazionale Marciana, MS gr. IV. 35 (Greek Physiologus), folio 56v.

Como ya he comentado, nuestra serpiente va a representar ARNs de mucho mayor tamaño que los miRNAs y piRNAs: van a ser los conocidos por ello como ARN no codificante de cadena larga (lncRNA, del inglés long non-coding RNA), por ser estos fragmentos de una longitud considerable como el cuerpo fino y alargado de los ofidios.

En general, se consideran lncRNAs todos aquellas secuencias de ARN no codificante de longitud mayor que 200 nucleótidos. ¿Por qué precisamente este número? Pues debido a que los protocolos específicos de laboratorio utilizados para eliminar secuencias pequeñas filtran por debajo de esa cantidad. Eso hace que exista una gran cantidad de lncRNA y una gran variedad de tamaños y funciones. Se estima que podría haber más de 30 000 lncRNAs de los cuales unos 20 000 tendrían alguna función y unos 2 000 estarían asociados a enfermedades.

Uno de los lncRNA más estudiados es el conocido como XIST, que es el responsable de desactivar los genes de uno de los cromosomas X en mujeres para evitar un exceso en la fabricación de proteínas asociadas en los genes de dicho cromosoma. Al principio del desarrollo embrionario, XIST silencia la transcripción de los genes de uno de los dos cromosomas X. Un mal funcionamiento de este lncRNA está asociado a tumores en mujeres y cáncer testicular en hombres. De hecho, un estudio muy reciente también lo relaciona con otros tipos de tumores en hombres.

Pese a esta relación con enfermedades, la expresión de lncRNA suele ser fundamental para el buen funcionamiento celular; por ejemplo, un retrovirus endógeno (un virus presente en nuestro genoma por una invasión de hace millones de años) resulta fundamental para nuestro desarrollo embrionario.

ARN de doble hebra (serpientes entrelazadas)

British Library, Royal MS 12 C XIX, folio 63v (c. 1200-1210).

Y seguimos con el mismo animal, aunque en este caso en una representación de dos serpientes entrelazadas. Este tipo de imágenes ya era común en el arte sumerio y babilonio, siendo un símbolo de fertilidad y sabiduría. De hecho, las serpientes entrelazadas aparecen en el caduceo que llevaba el dios griego Hermes. Es la representación más adecuada que he encontrado en el bestiario para explicar el ARN de doble hebra.

El ARN de doble hebra estaría formado por dos cadenas de ARN entrelazadas. Este tipo de ARN es común en muchos virus, por lo que nuestras células han desarrollado sistemas para detectarlo y activar mecanismos de defensa antivírica en caso de aparecer en la célula.

Representación de una doble hebra de ARN. En ocasiones, esta doble hebra se forma mediante un bucle en una cadena simple (fuente).

El problema es que nuestras células fabrican sus propias cadenas de ARN de doble cadena que no son reconocidas como propias por nuestras células, lo cual puede desencadenar una respuesta antiviral pese a no existir ninguna infección. Algunas enfermedades autoinmunes o neurodegenerativas como lupus, parkinson o huntington presentan acumulación celular de ARN de doble hebra. Puedes encontrar más información sobre este tipo de ARN en este artículo que escribí para Naukas.

The Northumberland Bestiary, Getty Museum, MS. 100, folio 55r (1250-1260).

ARN circular (anfisbena)

Harley Bestiary, British Library, Harley MS 4751, folio 62r (1230-1240).

La anfisbena es un animal mitológico que representa una serpiente con dos cabezas, aunque presenta variaciones en las que parece un dragón con una cabeza adicional al final de su cola. En muchas ocasiones aparece representada en los bestiarios con una estructura circular en la que una cabeza muerde a la otra. Una de sus primeras referencias en la literatura aparece en el libro Naturalis Historia de Plinio el Viejo (siglo I a.C.). En este artículo la usaremos como referencia (quizás un tanto forzada) para el ARN circular.

Los ARN circulares (circRNA) serían secuencias de ARN que, tras transcribirse de forma lineal desde el genoma, unirían sus extremos dando lugar a una molécula circular, sin principio ni fin, que resultaría tener más estabilidad frente a la degradación.

Distintos tipos de ARN circular según estén compuestos sólo por exones (EcircRNA), por exones e intrones (ElciRNA) o sólo por intrones (ciRNA). Fuente de la imagen.

Este tipo de ARN es conocido desde hace pocos años y todavía no se conoce demasiado sobre sus posibles funciones en la célula. Sí que sabemos que algunos de estos circRNAs actúan como «esponjas» de microARNs y ayudándoles en su regulación de la expresión, disminuyendo su efecto.

Los circRNAs pueden «absorber» miRNAs y con ello evitar que afecten a la traducción de un mRNA a proteína (fuente).

Poco a poco también vamos conociendo los posibles efectos sobre nuestra salud. Por ejemplo, en un estudio de 2019 se ha observado que los pacientes de lupus, una enfermedad autoinmune, tienen niveles de circRNAs más bajos que en personas sanas. De hecho, cuando se aumenta artificialmente el nivel normal de circRNAs en células de enfermos de lupus in vitro, disminuye la respuesta autoinmune. Y no es la única patología asociada a niveles bajos de circRNAs: en un estudio de 2020 se observó que las células del córtex prefrontal de pacientes con esquizofrenia o trastorno bipolar también tienen disminuida la expresión de los circRNAs. Además, como prácticamente todos los tipos de ARN que hemos estado viendo, también parece tener una cierta influencia en el desarrollo de tumores.

The Worksop Bestiary, Morgan Library, MS M.81 folio 85v (c. 1185).

Conclusión

Como ya avisaba al principio del artículo, dejo por describir un gran número de ARNs, como los snRNAs (small nuclear RNAs), snoRNAs (small nucleolar RNAs), tRNAs (transfer RNAs), rRNAs (ribosomal RNAs)… básicamente porque no están tan relacionados con mi investigación y no soy un experto en ellos; y también para no extender mucho más un artículo que no pretendía ser más que una breve introducción al mundo de los ARNs no codificantes.

Y para terminar, y dado que es lo que triunfa en internet, mejor lo hacemos tal y como empezamos: con una imagen de gatos medievales haciendo cosas de gatos.

Bodleian Library, MS. Ashmole 1511 (The Ashmole Bestiary), folio 35v (S. XIII).

Referencias



Por Guillermo Peris Ripollés, publicado el 21 noviembre, 2022
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