Para que un gen o un conjunto de genes se expresen dentro de una célula se han desarrollado diversas estrategias a lo largo de la escala evolutiva. Una de las más comunes, pero también de las más finas, es la que se lleva a cabo al inicio de la expresión genética que posteriormente serán transformadas a proteínas, es decir, el paso de la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN, denominado transcripción.
Si bien es cierto, en los microorganismos, tales como las bacterias, existen otras estrategias por las cuales la célula echa mano para la modulación de su maquinaria genética, una de ella es la que se denomina regulación alostérica. En este proceso, diversas moléculas que se unen al complejo multimérico dedicado a la síntesis del ARN o polimerasa de ARN (RNAP, siglas en inglés), controlan la expresión de una gran cantidad de genes en diferentes condiciones ambientales y/o metabólicas.
Una de estas moléculas, es la denominada guanosin pentafosfato o tetrafosfato (p)ppGpp conocida como “magic spot”. Esta es sintetizada por los genes relA y spoT en la bacteria Escherichia coli K-12, y se expresa en respuesta a la limitación de aminoácidos y otros nutrientes y además en respuesta a diferentes condiciones de estrés (ilimitacion de fósforo, hierro, fuentes de carbono y ácidos grasos, entre otros), provocando transformaciones fisiológicas extensas.
Lo interesante de la ppGpp en el contexto de la regulación de la expresión genética, es su capacidad de unirse directamente a la RNAP afectando la expresión genética a nivel de la transcripción, en ausencia de proteínas reguladoras. Se ha descrito que uno de los efectos de ppGpp es la desestabilización de la unión RNAP-promotor (aquella región en el ADN donde inicia la síntesis del mensajero de ARN). Adicionalmente, el ppGpp redirige a la RNAP directamente al ADN y regula la actividad de una proteina de especificidad hacia el factor sigma. Este factor es parte de la RNAP; en Escherichia coli existen 7 diferentes y regulan la transcripción genética dependiendo de las condiciones de estrés en el medio. De hecho, ppGpp parece ser necesario para la función de muchos factores sigma alternativos.
Por otro lado, se ha descrito que este nucleótido redirige la transcripción para que, genes importantes para la resistencia a la virulencia y para la resistencia a la falta de alimentos, sean favorecidos a expensas de los necesarios para el crecimiento y proliferación. Así mismo, tiene un papel importante en la represión de la síntesis de ARN ribosomal, genes implicados en la propagación y el desarrollo celular, entre otros
En resumen, la molécula ppGpp coordina la fisiología bacteriana por una serie diversa e impresionante de mecanismos, entre las que destacan la modulación de la expresión genica, la estabilidad o la actividad de factores de transcripción y enzimas, entre otras. Todos estos cambios permiten a la bacteria cambiar su fisiología para ajustar su metabolismo hacia los nutrientes presentes en el medio.
Otras bellezas de ppGpp
El ppGpp presenta la habilidad de modificar el metabolismo celular global casi instantáneamente en respuesta a cambios en el ambiente externo, optimizando el crecimiento y asegurando la sobrevivencia. Modula la estabilidad genómica y la evolución de las bacterias en respuesta al stress. Es el regulador mejor conocido que contra la resistencia celular ya que redirige a la RNAP.
Las bacterias, plantas y metazoos también podrían requerir de ppGpp para variar la expresión, la estabilidad o la actividad de las proteínas. Asi, el ppGpp se distribuye ampliamente en las bacterias y también se encuentra en los cloroplastos, que evolucionaron a partir de las bacterias.
DksA: socio de ppGpp.
ppGpp tiene un cofactor en la bacteria E. coli y muchas otras especies bacterianas: la pequeña proteína DksA que se une al canal secundario de la RNAP y amplifica el impacto de la alarmona. Ambos inhiben y activan promotores directa o indirectamente. DksA no está tan ampliamente distribuida como la ppGpp, por lo que se ha observado que la ppGpp en algunos casos actúa solo y en otros en concierto con DksA. Se ha demostrado que los efectos negativos de ppGpp sobre la transcripción in vitro se amplifican por la presencia de la proteína DksA, el cual actúa como un coregulador. DksA tiene poco o ningún efecto sobre la acción de ppGpp en promotores RNA ribosomales in vivo.
Efectos específicos de ppGpp y DksA en la expresión genética
