Análisis in silico de las secuencias de unión a ribosoma que definen el inicio de la traducción en procariontes

El inicio de la traducción en procariotas está principalmente definido, aunque no exclusivamente, por la interacción entre la secuencia anti-Shine-Dalgarno (antiSD), ubicada en el extremo 3’ del RNA ribosomal 16S, y una secuencia complementaria, el sitio de unión del ribosoma o Shine-Dalgarno (SD), ubicado río arriba del codón de inicio en los mRNA. El antiSD tiene un núcleo altamente conservado 5’-CCUCC-3’, pero se han encontrado variaciones entre especies con respecto a la participación de las bases adyacentes en la unión. Estas variaciones se han descrito en ciertas bacterias y, en menor medida, en algunas arqueas. Para analizar estas variaciones en nuestro estudio realizamos un análisis estadístico de las interacciones termodinámicas entre la región 5’ UTR del mRNA y las regiones del extremo 3’ del rRNA 16S de más de 6400 organismos, con el objetivo de identificar las secuencias antiSD y SD más probables en una amplia gama de procariontes, incluyendo un gran número de arqueas. En nuestro estudio identificamos 15 grupos de variantes de antiSD que se asocian significativamente con el origen filogenético de los organismos. Además, nuestros hallazgos revelaron que ciertos organismos exhiben variaciones en el propio núcleo del antiSD, destacando que un núcleo inalterado no es necesariamente requerido para la interacción entre el extremo 3’ del rRNA y la región que precede al AUG del mRNA. En nuestro estudio también clasificamos a los organismos en cuatro categorías distintas dependiendo de la conservación del núcleo y la evidencia de interacción : i) aquellos que poseen un núcleo conservado y muestran evidencia de unión; ii) aquellos con un núcleo conservado pero sin evidencia de unión; iii) aquellos que exhiben unión en ausencia de un núcleo conservado; y iv) aquellos que carecen tanto de un núcleo conservado como de evidencia de unión. Nuestros resultados indican que, independientemente de la conservación de la secuencia central 5’-CCUCC- 3’ (CCUCC) presente en el extremo 3’ del rRNA 16S, la posición y secuencia de la antiSD pueden variar dependiendo de los orígenes filogenéticos de los organismos. Estos hallazgos se discuten en términos de la evolución de la iniciación de la traducción en organismos procariotas.

The initiation of translation in prokaryotes is primarily defined, although not exclusively, by the interaction between the anti-Shine-Dalgarno sequence (antiSD), located at the 3’-terminus of the 16S ribosomal RNA, and a complementary sequence, the ribosome binding site, or Shine-Dalgarno (SD), located upstream of the start codon in mRNA. The antiSD has a highly conserved core 5’-CCUCC-3’, but variations have been found between species regarding the involvement of adjacent bases in binding. These variations have been described in certain bacteria and, to a lesser extent, in some arquea. To analyze these variations in our study, we conducted a statistical analysis of the thermodynamic interactions between the 5’ UTR region of mRNA and the 3’ end regions of 16S rRNA from 6400 organisms, with the aim of identifying the most probable antiSD and SD sequences across a wide range of prokaryotes, including a large number of arquea. In our study, we identified 15 groups of antiSD variants that are significantly associated with the phylogenetic origin of organisms. Furthermore, our findings revealed that certain organisms exhibit variations in the core of antiSD itself. Importantly, an unaltered core is not necessarily required for the interaction between the 3’ end of rRNA and the region preceding the AUG of mRNA. In our study, we also classified organisms into four distinct categories depending on the conservation of the core and evidence of interaction: i) those possessing a conserved core and showing evidence of binding; ii) those with a conserved core but no evidence of binding; iii) those exhibiting binding in the absence of a conserved core; and iv) those lacking both a conserved core and evidence of binding. Our results indicate that, regardless of the conservation of the central sequence 5’-CCUCC-3’ (CCUCC) present at the 3’ end of 16S rRNA, the position and sequence of antiSD can vary depending on the phylogenetic origins of organisms. These findings are discussed in terms of the evolution of translation initiation in prokaryotic organisms.