La información genética del ADN se transcribe en ARN mensajero (ARNm) y se traduce en la secuencia de aminoácidos por el ARN de transferencia (ARNt) en el ribosoma.  Los nucleósidos modificados dentro del ARN participan en el mantenimiento y la regulación del sistema de síntesis de proteínas.  La arqueosina es un nucleósido modificado que se encuentra únicamente en los ARNt de las arqueas, el llamado tercer dominio de la vida, y contribuye al mantenimiento de la estructura tridimensional en forma de L del ARNt.  La síntesis de arqueosina implica múltiples pasos, siendo el primer paso la introducción de una base preQ₀ en el ARNt a través de ArcTGT.  En el segundo paso, ArcS transfiere un aminoácido, lisina, a la base preQ₀ en el ARNt y sintetiza preQ₀-Lys como intermedio.  La preQ₀-Lys resultante en el ARNt se convierte entonces en arqueosina por RaSEA, la enzima del tercer paso.

Esta vía de síntesis de arqueosina se elucidó en 2019 mediante un estudio colaborativo de la Universidad de Ehime y la Universidad de Gifu (Figura 1: Yokogawa et al., Nature Chem. Biol. (2019)). Sin embargo, la especificidad del sustrato de la enzima del segundo paso, ArcS, era previamente desconocida.

Para abordar esta cuestión, un grupo de investigación dirigido por el profesor Hiroyuki Hori, el profesor Dr. Ryota Yamagami y los estudiantes de posgrado Shu Fujita, Yuzuru Sugio y el Dr. Takuya Kawamura (actualmente en la Universidad Thomas Jefferson, EE. UU.) de la Escuela de Graduados de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Ehime, en colaboración con los profesores Takashi Yokogawa y Natsuhisa Oka de la Universidad de Gifu y el profesor asociado Akira Hirata de la Universidad de Tokushima, realizaron análisis bioquímicos.

La mayoría de las enzimas de modificación del ARN reconocen la estructura tridimensional alrededor del sitio diana del ARN y, rara vez, la propia secuencia del ARN.  Para investigar la especificidad del sustrato del ARN de ArcS, el ARNt modificado con preQ₀ se fragmentó utilizando ADNzimas, y se evaluó la transferencia de lisina para cada fragmento (Figura 2).  Sorprendentemente, ArcS transfirió lisina a todos los fragmentos de ARN que contenían preQ₀.  En el fragmento de ARN de 21 nucleótidos (21 nt), no solo se interrumpió la estructura completa del ARNt, sino también la estructura del brazo D.  Este resultado demuestra que ArcS no reconoce la estructura tridimensional del ARN sustrato. Para identificar el sustrato mínimo, se evaluó la transferencia de lisina utilizando la base preQ₀, el nucleósido preQ₀, el nucleótido preQ₀ fosforilado en 5′ y el nucleótido preQ₀ fosforilado en 3′ (Figura 3).  Se encontró que el sustrato mínimo era el nucleósido preQ₀, con un aumento de la eficiencia de la reacción cuando se unía un grupo fosfato a la posición 5′.   Por lo tanto, ArcS es una enzima de modificación del ARNt sin precedentes que puede actuar sobre un nucleósido como sustrato.

Con el desarrollo de las vacunas de ARNm para la COVID-19, los nucleósidos modificados como la pseudouridina y la 1-metilpseudouridina se utilizan eficazmente, y se están llevando a cabo investigaciones en todo el mundo sobre la introducción de diversas modificaciones en los ARN diana.  El descubrimiento de ArcS, que puede utilizar un nucleósido como sustrato mínimo, proporciona nuevos conocimientos sobre la síntesis de moléculas precursoras para estos nucleósidos modificados.

Los resultados de esta investigación se publicaron online en el Journal of Biological Chemistry el 27 de junio de 2024.