ribosomas en el nucleo y en el citoplasma

RIBOSOMAS EN EL NUCLEO Y EN EL
CITOPLASMA
Arnulfo Bautista Santos y Samuel Zinker Ruzal
Un hecho indiscutible en Biología es que las células crecen y se dividen, con
sus excepciones claro está: algunas células crecen sin dividirse, como las
células nerviosas conocidas con el nombre de neuronas, o las células que se
convertirán en óvulos conocidas como oocitos, y otras células se dividen sin
crecer como las células en desarrollo que resultan de la fecundación y que
llevan el nombre de zigotos. Ambos fenómenos, el crecimiento y la división
celulares, están sujetos a mecanismos de regulación compleja, que hasta la
fecha no están totalmente entendidos, pero que sí se sabe que estos dos
fenómenos están estrechamente acoplados, acoplamiento que permite
mantener los límites del tamaño celular dentro de márgenes estrechos. Para
que se lleve a cabo el crecimiento celular es un requisito indispensable que la
célula sintetice proteínas y la síntesis de proteínas, a su vez, requiere
necesariamente de la presencia de partículas intracelulares muy
especializadas llamadas ribosomas. En última instancia se puede afirmar que
el control del tamaño celular depende del control de la síntesis de ribosomas.
Pero, qué son los ribosomas y que se sabe acerca de su biosíntesis? Los
ribosomas son partículas muy pequeñas que están en el citoplasma de todas
las células (Fig 1). No son visibles al microscopio óptico, pero sí se ven al
microscopio electrónico y miden alrededor de 32 nanometros (32
milmillonésimas de metro). Los ribosomas se forman por la interacción
estrecha de dos tipos de moléculas relativamente grandes: el primer tipo es el
de los ácidos ribonucléicos (rRNA’s) y el segundo tipo es un conjunto particular
de proteínas conocido con el nombre de proteínas ribosomales (PR). Las PR no
se unen al azar sobre cualquier región de los rRNA’s sino que tienen sitios bien
definidos a lo largo de los rRNA’s sobre los cuales interaccionan
específicamente.
Para que la célula sintetice ribosomas, se requiere inicialmente de tres
proteínas con actividad enzimática que se denominan polimerasas de RNA (se
abrevian Pol I, Pol II y Pol III). Estas enzimas tienen como peculiaridad, que el
aumento o la disminución en la actividad de Pol I influye sobre la actividad de
Pol II y Pol III directamente (este fenómeno se conoce como regulación
coordinada de las polimerasas de RNA). Cada una de estas tres polimerasas de
RNA sintetiza un ácido ribonucléico diferente. Así, Pol I sintetiza al RNA
ribosomal (rRNA), Pol II sintetiza a los RNA’s mensajeros (mRNAs), los cuales
actúan como superficie de templado y le dan un orden específico a los aminoácidos durante la síntesis de proteínas y Pol III sintetiza tanto al rRNA más
pequeño del ribosoma, el 5S, como a los RNA´s de transferencia (tRNAs),
llamados así debido a que son los que transfieren a los amino-ácidos a las
cadenas nacientes de las proteínas. El tamaño de las partículas formadas por
los rRNA´s, o por la interacción entre éstos y las PR’s, se denota en unidades
“S”. Estas unidades “S” representan a la velocidad con la que sedimentan en
una centrifuga que gira a altas velocidades. Por ejemplo, los rRNA’s recién
sintetizados sedimentan como partículas 35S.
El ensamble secuencial entre ambas moléculas, el rRNA 35S y las PR’s, se
conoce como biogénesis de los ribosomas y se lleva a cabo en un sólo sentido
dentro de las células que inicia en el nucleolo, prosigue en el nucloeplasma y
finaliza en el citoplasma (Fig. 1). Los cortes enzimáticos a los que está sujeto el
rRNA 35S, y que generan a los rRNA’s más pequeños, junto con las
modificaciones químicas de las PR’s se engloban dentro de un solo proceso
denominado “procesamiento y maduración” de los ribosomas. Los ribosomas
citoplasmáticos maduros sedimentan como partículas 80S (Fig. 1) y están
precedidos por toda una serie de partículas precursoras. El primer precursor de
los ribosomas se ensambla en el nucleolo y sedimenta en forma de una
partícula 90S (Fig. 1A). Ésta, contiene tanto al rRNA precursor 35S, como a las
78 PR y a los ~200 factores adicionales que se requieren para el correcto
ensamblaje y maduración del ribosoma (1-2). En seguida, el precursor 90S se
escinde en dos partículas desiguales que siguen caminos metabólicos distintos
y que son las precursoras de las subunidades ribosomales maduras 40S y 60S.
Una de esas partículas sedimenta a 43S y está formada por el rRNA precursor
20S (Fig. 1B) que se transporta de la parte soluble del nucleolo, llamada
nucleoplasma, al citoplasma. En el citoplasma el rRNA 20S se procesa por una
exonucleasa dando origen al rRNA 18S maduro de la subunidad ribosomal 40S
(Fig. 1C). La segunda partícula con un coeficiente de sedimentación de 66S,
contiene al rRNA precursor 27S (Fig. 1D), que en el interior del nucleoplasma
es sustrato de algunas nucleasas que lo convierten en rRNA’s 26S y 7S, los
cuales a su vez se procesan hasta partículas 25S y 6S (Fig. 1E). Finalmente el
rRNA 6S se convierte en rRNA 5.8S que junto con el rRNA 25S sale hacia el
citoplasma como subunidad ribosomal madura 60S (3).
Durante más de cuatro décadas se pensó que este era el esquema que
describía a la biogénesis de ribosomas en células eucariónticas, en donde la
maduración final de la subunidad ribosomal 40S se llevaba a cabo en el
citoplasma, en tanto que la maduración final de la subunidad ribosomal 60S se
daba en el nucleoplasma.
Figura 1. Biogénesis ribosomal en eucariontes.
Recientemente Kox y Tollervey analizaron nuevamente esta vía metabólica (4)
empleando cultivos celulares de levadura pequeños de manera que les
permitiera utilizar técnicas muy sensibles y precisas. Así, marcaron
simultáneamente al rRNA precursor 35S con isótopos radioactivos y con
moléculas fluorescentes, y extrajeron muestras del cultivo celular cada 30
segundos durante 2 minutos. Inmediatamente después, diluyeron tanto a los
isótopos radioactivos como a las moléculas fluorescentes para identificar, en el
transcurso de unos cuantos minutos más, adonde se habían incorporado. Por
las señales fluorescentes pudieron analizar los resultados directamente dentro
de las levaduras y por medio de la radioactividad pudieron detectar a qué
moléculas maduras se habían incorporado los precursores de los ácidos
nucléicos. Las células de levadura las iluminaron con luz adecuada para
resaltar la fluorescencia, lo que les permitió distinguir cuántas células tenían
moléculas híbridas entre las cadenas del RNA y del DNA. Toda la metodología
anterior la sometieron a análisis matemático de la cinética del flujo radioactivo
a tiempos muy cortos. Los resultados que obtuvieron indicaron que a
semejanza del lo que sucede con la subunidad ribosomal pequeña 40S, el paso
final del procesamiento y la maduración de la subunidad ribosomal grande 60S
también se lleva a cabo en el citoplasma, esto es, la subunidad ribosomal
grande sale hacia el citoplasma como partícula precursora de la subunidad
ribosomal 60S, y es en el citoplasma donde el rRNA precursor 6S se procesa
hasta rRNA 5.8S maduro (Fig. 1F) (4).
Entre las preguntas relevantes asociadas al trabajo de Kox y Tollervey están:
¿cuál es el significado funcional de estos resultados?; este fenómeno ¿es
exclusivo de las levaduras o se lleva a cabo en todas las células eucariónticas?
y si ¿la presencia de ribosomas maduros, o de sus precursores, en el núcleo de
la célula, es tóxica?
Lecturas recomendadas:
1. Jonathan R. Warner. TIBS 24:437-440, 1999.
2. Rodríguez-Mateos M, García-Gómez JJ, Francisco-Velilla R, Remacha M, de
la Cruz J, Ballesta JP. Nucleic Acids Res. 37:7519-32, 2009.
3. Vikram Govind Panse and Arlen W. Johnson. TIBS 35:260-266, 2010.
4. Emma Thomson and David Tollervey. Mol Cel Biol 30: 976-984, 2010.