Nuestras células producen diversas proteínas, cada una con una función específica que, en muchos casos, implica que deben estar en una parte específica de la célula donde se requiere dicha función. Una de las maneras en que las células garantizan que ciertas proteínas lleguen al lugar correcto en el momento oportuno es mediante la traducción localizada, un proceso que garantiza que las proteínas se produzcan (o traduzcan) cerca de donde se necesitarán. Jonathan Weissman, profesor de biología del MIT y miembro del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica, y sus colegas han estudiado la traducción localizada para comprender cómo afecta las funciones celulares y permite que las células respondan rápidamente a las condiciones cambiantes.

Ahora, Weissman, también investigador del Instituto Médico Howard Hughes, y Jingchuan Luo, investigador posdoctoral en su laboratorio, han ampliado nuestro conocimiento sobre la traducción localizada en las mitocondrias, estructuras que generan energía para la célula. En un artículo de acceso abierto publicado hoy en Cell, comparten una nueva herramienta, LOCL-TL, para estudiar la traducción localizada en detalle y describen los descubrimientos que ha permitido sobre dos clases de proteínas que se traducen localmente en las mitocondrias.

La importancia de la traducción localizada en las mitocondrias se relaciona con su origen inusual. Las mitocondrias alguna vez fueron bacterias que vivían dentro de las células de nuestros ancestros. Con el tiempo, las bacterias perdieron su autonomía y se convirtieron en parte de las células más grandes, lo que incluyó la migración de la mayoría de sus genes al genoma de la célula más grande en el núcleo. Las células desarrollaron procesos para asegurar que las proteínas que necesitan las mitocondrias y que están codificadas en genes en el genoma de la célula más grande se transporten a las mitocondrias. Las mitocondrias retienen algunos genes en su propio genoma, por lo que la producción de proteínas del genoma mitocondrial y la del genoma de la célula más grande deben coordinarse para evitar la producción despareja de partes mitocondriales. La traducción localizada puede ayudar a las células a gestionar la interacción entre la producción de proteínas mitocondriales y nucleares, entre otros propósitos.

Cómo detectar la producción local de proteínas

Para que se produzca una proteína, el código genético almacenado en el ADN se lee en el ARN, y luego el ARN es leído o traducido por un ribosoma, una máquina celular que construye una proteína según el código del ARN. El laboratorio de Weissman desarrolló previamente un método para estudiar la traducción localizada mediante el marcado de ribosomas cerca de una estructura de interés, la captura de los ribosomas marcados en acción y la observación de las proteínas que están produciendo. Este enfoque, denominado perfilado de ribosomas específico por proximidad, permite a los investigadores ver qué proteínas se están produciendo en cada parte de la célula. El reto al que se enfrentó Luo fue cómo ajustar este método para capturar únicamente los ribosomas que trabajan cerca de las mitocondrias.

Los ribosomas funcionan con rapidez, por lo que un ribosoma que se marca mientras produce una proteína en la mitocondria puede pasar a producir otras proteínas en otras partes de la célula en cuestión de minutos. La única manera en que los investigadores pueden garantizar que los ribosomas que capturan sigan trabajando en las proteínas producidas cerca de la mitocondria es si el experimento se realiza muy rápidamente.

Weissman y sus colegas habían resuelto previamente este problema de sensibilidad temporal en células de levadura con una herramienta de marcado de ribosomas llamada BirA, que se activa con la presencia de la molécula biotina. BirA se fusiona a la estructura celular de interés y marca los ribosomas que puede tocar, pero solo una vez activado. Los investigadores mantienen la célula sin biotina hasta que estén listos para capturar los ribosomas, para limitar el tiempo de marcado. Sin embargo, este método no funciona con las mitocondrias de las células de mamíferos, ya que necesitan biotina para funcionar con normalidad, por lo que no se puede agotar.

Luo y Weissman adaptaron la herramienta existente para que respondiera a la luz azul en lugar de a la biotina. La nueva herramienta, LOV-BirA, se fusiona a la membrana externa de la mitocondria. Las células se mantienen en la oscuridad hasta que los investigadores estén listos. Luego, las exponen a la luz azul, activando LOV-BirA para marcar los ribosomas. La dejan actuar unos minutos y luego extraen rápidamente los ribosomas. Este método demostró ser muy preciso al capturar únicamente los ribosomas que actúan en la mitocondria.

Los investigadores utilizaron un método desarrollado originalmente por el laboratorio de Weissman para extraer las secciones de ARN del interior de los ribosomas. Esto les permite observar con exactitud en qué punto del proceso de producción de una proteína se encuentra el ribosoma al ser capturado, lo que puede revelar si la proteína completa se produce en la mitocondria o si se produce parcialmente en otro lugar y solo se completa en la mitocondria.

“Una ventaja de nuestra herramienta es la granularidad que proporciona”, afirma Luo. “Poder ver qué sección de la proteína se traduce localmente nos ayuda a comprender mejor cómo se regula la traducción localizada, lo que a su vez nos permitirá comprender su desregulación en enfermedades y controlar la traducción localizada en futuros estudios”.

En las mitocondrias se producen dos grupos de proteínas.

Utilizando estos enfoques, los investigadores descubrieron que aproximadamente el 20 % de los genes necesarios para las mitocondrias, ubicados en el genoma celular principal, se traducen localmente en ellas. Estas proteínas pueden dividirse en dos grupos distintos con diferentes historias evolutivas y mecanismos de traducción local.

Un grupo consiste en proteínas relativamente largas, cada una con más de 400 aminoácidos o componentes básicos de las proteínas. Estas proteínas suelen ser de origen bacteriano (presentes en el ancestro de las mitocondrias) y se traducen localmente tanto en células de mamíferos como de levaduras, lo que sugiere que su traducción localizada se ha mantenido a lo largo de una larga historia evolutiva.

Al igual que muchas proteínas mitocondriales codificadas en el núcleo, estas proteínas contienen una secuencia de direccionamiento mitocondrial (MTS), un código postal que indica a la célula dónde transportarlas. Los investigadores descubrieron que la mayoría de las proteínas que contienen una MTS también contienen una secuencia inhibidora cercana que impide su transporte hasta que terminan de sintetizarse. Este grupo de proteínas traducidas localmente carece de la secuencia inhibidora, por lo que son transportadas a la mitocondria durante su producción.

La producción de estas proteínas más largas comienza en cualquier parte de la célula y, tras la síntesis de aproximadamente los primeros 250 aminoácidos, estos se transportan a la mitocondria. Mientras se sintetiza el resto de la proteína, se introduce simultáneamente en un canal que la transporta al interior de la mitocondria. Esto obstruye el canal durante un tiempo prolongado, limitando la importación de otras proteínas, de modo que las células solo pueden permitirse esta producción e importación simultánea de proteínas seleccionadas. Los investigadores plantean la hipótesis de que estas proteínas de origen bacteriano reciben prioridad como mecanismo ancestral para garantizar su correcta producción y distribución dentro de la mitocondria.

El segundo grupo de traducción local consiste en proteínas cortas, cada una de menos de 200 aminoácidos. Estas proteínas son de evolución más reciente y, en consecuencia, los investigadores descubrieron que el mecanismo de su traducción local no lo comparte la levadura. Su reclutamiento mitocondrial ocurre a nivel del ARN. Dos secuencias dentro de las secciones reguladoras de cada molécula de ARN que no codifican la proteína final, codifican, en cambio, la maquinaria celular para reclutar los ARN a la mitocondria.

Los investigadores buscaron moléculas que pudieran estar involucradas en este reclutamiento e identificaron la proteína de unión al ARN AKAP1, presente en las mitocondrias. Al eliminar AKAP1, las proteínas cortas se tradujeron indiscriminadamente en toda la célula. Esto brindó la oportunidad de comprender mejor los efectos de la traducción localizada, observando qué sucede en su ausencia. Cuando las proteínas cortas no se tradujeron localmente, se produjo la pérdida de diversas proteínas mitocondriales, incluyendo aquellas involucradas en la fosforilación oxidativa, la principal vía de generación de energía de nuestras células.

En futuras investigaciones, Weissman y Luo profundizarán en cómo la traducción localizada afecta la función y la disfunción mitocondrial en enfermedades. Los investigadores también pretenden utilizar LOCL-TL para estudiar la traducción localizada en otros procesos celulares, incluyendo su relación con el desarrollo embrionario, la plasticidad neuronal y las enfermedades.

“Este enfoque debería ser ampliamente aplicable a diferentes estructuras y tipos celulares, lo que ofrece numerosas oportunidades para comprender cómo la traducción localizada contribuye a los procesos biológicos”, afirma Weissman. “Nos interesa especialmente lo que podamos aprender sobre su posible papel en enfermedades como la neurodegeneración, las enfermedades cardiovasculares y el cáncer”.

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