Evolución y conservación estructural de proteínas Dicer en hongos

Dra. Carol Fernanda Moraga Quinteros, investigadora del Centro UOH de Bioingeniería (CUBI), Universidad de O’Higgins. | Fotografía: Universidad de O’Higgins

Análisis proteómico revela plasticidad en la biogénesis de sRNA fúngico

Identificación de pliegues tipo PAZ y arquitecturas no canónicas mediante modelado estructural y perfiles HMM específicos

Por Arturo Rubio-Torres

Un análisis filogenómico a gran escala ha revelado que las proteínas Dicer en el reino Fungi mantienen su función esencial en la biogénesis de sRNA a través de una sorprendente conservación estructural, a pesar de presentar una divergencia de secuencia que las hace indetectables para los métodos de anotación tradicionales. El estudio demuestra que la arquitectura molecular en forma de "L" y los dominios de unión a ARN, como el PAZ fúngico (fPAZ), persisten como una "regla molecular" que garantiza la precisión del procesamiento de ARN de doble cadena. Este hallazgo redefine la comprensión de la evolución modular de las proteínas y ofrece nuevas herramientas bioinformáticas, como el perfil FPAZ-HMM, para identificar componentes clave en organismos evolutivamente distantes.

¿Cómo evolucionan las proteínas Dicer?

La investigación identificó una extraordinaria estructura molecular en las proteínas Dicer de los hongos, las cuales actúan como piezas centrales en la conservación estructural. Al analizar 1592 proteomas, los científicos descubrieron que la gran mayoría de estas proteínas (86.7 %) carecen de dominios canónicos identificables mediante modelos estándar, lo que sugería una pérdida de funcionalidad. Sin embargo, mediante el uso de inteligencia artificial para la predicción de estructuras, se demostró que estos dominios "perdidos" en realidad están presentes bajo formas estructuralmente conservadas pero con secuencias de aminoácidos muy divergentes. Este fenómeno permite que los hongos mantengan su capacidad de regular genes y defenderse de virus, adaptando su maquinaria molecular sin perder la arquitectura tridimensional necesaria para procesar el ARN. Por lo tanto, el hallazgo principal es que la forma de la proteína es más resiliente que su código genético.

¿Qué investigadores lideran el estudio?

Este avance científico fue liderado por un equipo multidisciplinario de investigadores chilenos, encabezado por Lorena Melet Alarcon, Nathan Robert Johnson y Elena Alejandra Vidal Olate. El estudio contó con la colaboración de expertos del Centro de Genómica y Bioinformática de la Universidad Mayor, así como integrantes del Instituto Milenio de Biología Integrativa (iBio) y el Núcleo Milenio Phytolearning. Participaron también especialistas de la Universidad de Chile y la Universidad de O'Higgins, integrando conocimientos en bioinformática, proteómica y filogenia fúngica. La diversidad del equipo permitió abordar el problema desde múltiples ángulos: desde el modelado estructural complejo hasta el análisis masivo de datos genómicos, logrando una visión holística de cómo los hongos han moldeado su maquinaria de biogénesis de sRNA a lo largo de millones de años de evolución independiente.

¿Dónde se realizó la investigación?

El núcleo de la investigación se desarrolló en diversas instituciones académicas de prestigio en Chile, principalmente en el Centro de Genómica y Bioinformática de la Universidad Mayor en Santiago. El soporte computacional fue fundamental, utilizando el Laboratorio de Computación de Alto Rendimiento de la Universidad de O'Higgins y la infraestructura del Centro iBio. Los datos analizados provienen de un esfuerzo global, recuperando proteomas de referencia de la base de datos del NCBI, lo que permitió un muestreo que abarca nueve filos fúngicos, incluyendo Ascomycota, Basidiomycota y grupos menos estudiados como Mucoromycota y Microsporidia. Esta escala geográfica virtual permitió a los investigadores chilenos mapear la diversidad molecular de hongos de todo el mundo, desde patógenos agrícolas hasta simbiontes mutualistas, sin salir del laboratorio, conectando la biodiversidad global con la biotecnología estructural avanzada.

¿Cuándo se publicaron los hallazgos?

Los resultados de esta investigación fueron compartidos con la comunidad científica internacional recientemente. El artículo fue recibido por la revista Computational and Structural Biotechnology Journal el 4 de septiembre de 2025. Tras un riguroso proceso de revisión por pares, el manuscrito fue aceptado en su forma definitiva el 4 de noviembre de 2025 y estuvo disponible en línea apenas dos días después, el 6 de noviembre. Este cronograma refleja la urgencia y relevancia del tema en el campo de la biología molecular contemporánea. Además, los autores han puesto a disposición pública todos los modelos estructurales y el nuevo perfil HMM a través de Figshare, facilitando que otros laboratorios comiencen a utilizar estas herramientas de inmediato para re-anotar genomas fúngicos y explorar la diversidad proteómica en otras ramas del árbol de la vida eucariota.

¿Por qué es crucial el dominio PAZ?

La importancia de este estudio radica en que desafía los paradigmas de la anotación genómica convencional. Durante años, se pensó que muchos hongos tenían sistemas de RNAi incompletos porque no se encontraban los "planos" (secuencias) de dominios vitales como el PAZ. Este dominio es crucial porque actúa como un ancla que sostiene el ARN mientras es cortado; sin él, la producción de sRNA sería imprecisa. Al demostrar que el dominio fPAZ existe y es funcional a pesar de su disfraz genético, el estudio aclara cómo los hongos patógenos logran comunicarse con sus huéspedes vegetales mediante sRNAs para suprimir su inmunidad. Esto abre la puerta al desarrollo de nuevas estrategias de control agrícola basadas en la interrupción específica de estas estructuras conservadas, protegiendo cultivos de enfermedades fúngicas devastadoras de manera más selectiva.

¿Para qué sirve el modelo FPAZ-HMM?

El propósito fundamental de este trabajo fue crear una herramienta capaz de "ver" lo que los algoritmos anteriores ignoraban. El desarrollo del perfil FPAZ-HMM (Fungal PAZ - Hidden Markov Model) permite a los investigadores identificar dominios PAZ en hongos con una sensibilidad del 97.9 %, frente al escaso 9 % que lograban los modelos basados en plantas y animales. Esta herramienta es esencial para la anotación de genomas de alta calidad, permitiendo una clasificación más precisa de las proteínas Dicer y evitando errores de interpretación sobre la pérdida de funciones biológicas. Además, el modelo es lo suficientemente robusto como para ser aplicado en otros linajes eucariotas divergentes, como protistas y parásitos, lo que lo convierte en un recurso invaluable para la genómica comparativa y el estudio de la evolución modular de las proteínas en todo el dominio eucariota.

¿Cómo se analizó el proteoma fúngico?

Para llegar a estas conclusiones, el equipo empleó un flujo de trabajo computacional sofisticado. Primero, filtraron más de 1500 proteomas fúngicos, evaluando su calidad con la herramienta BUSCO¹. Luego, utilizaron AlphaFold2 para predecir las estructuras tridimensionales de las proteínas Dicer identificadas, revelando los pliegues ocultos que la secuencia primaria no mostraba. Mediante redes de similitud estructural y análisis de dinámica molecular, simularon cómo estas proteínas "no canónicas" se unen físicamente al ARN, confirmando que los aminoácidos clave para la unión electrostática permanecen en las posiciones correctas para funcionar como una regla molecular. Finalmente, validaron sus predicciones comparándolas con datos experimentales de bibliotecas de sRNA-seq, demostrando que, en efecto, estas proteínas producen fragmentos de ARN de longitudes específicas, validando su función biológica in vivo.

¿Qué opinan los autores del estudio?

Los autores enfatizan que la evolución fúngica ha priorizado la arquitectura sobre la secuencia, permitiendo una adaptabilidad molecular única. A su vez en fatizan que: "Nuestros resultados indican una notable plasticidad evolutiva de Dicer en hongos, mostrando que las funciones esenciales de procesamiento de sRNA pueden retenerse mediante la conservación estructural. Esto resalta a los hongos como modelos para estudiar la evolución modular de la maquinaria de RNAi en eucariotas. La dificultad de los modelos basados en secuencias para detectar regiones tipo PAZ ejemplifica una limitación que puede llevar a subestimar la conservación funcional en linajes divergentes."

¿Qué sigue para la genómica fúngica?

El horizonte de esta investigación se centra en la validación experimental directa mediante ensayos de unión a ARN utilizando dominios fPAZ purificados para confirmar su afinidad química. Se planea realizar ensayos de procesamiento in vitro con proteínas Dicer fúngicas recombinantes que contengan estos dominios divergentes para verificar su eficiencia catalítica. Un paso crítico será la aplicación de mutagénesis dirigida en residuos clave, como la arginina (R) y la lisina (K), para evaluar su contribución específica al anclaje del sustrato de ARN. Además, la herramienta FPAZ-HMM se empleará para identificar componentes de la maquinaria de RNAi en otros linajes poco estudiados, como protistas, microalgas y parásitos eucariotas. Finalmente, estos hallazgos permitirán el desarrollo de herramientas de silenciamiento génico específicas para hongos, facilitando estrategias de protección de cultivos mediante RNAi entre especies contra patógenos agrícolas relevantes.

¿Cuál es el legado de este hallazgo?

Este análisis exhaustivo concluye que las proteínas Dicer en el reino Fungi poseen una estructura molecular excepcional, donde la arquitectura tridimensional prevalece sobre la identidad de la secuencia primaria. La preservación de la estructura molecular en forma de "L" actúa como una regla fundamental que garantiza la biogénesis de sRNA funcional, incluso tras millones de años de divergencia. Al proponer la nomenclatura sistemática Dcf (Hongos Dicer), el estudio ofrece un marco robusto para clasificar la diversidad fúngica en bases de datos públicas de manera coherente con su evolución estructural. En última instancia, este descubrimiento redefine nuestra comprensión de la evolución modular en eucariotas, demostrando que las interfaces funcionales son más resilientes de lo que sugieren los modelos bioinformáticos tradicionales. Este avance no solo enriquece la biología básica, sino que promete aplicaciones disruptivas en la biotecnología agrícola y la medicina molecular.

Equipo de Investigadores

• Lorena Melet

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Institute for Integrative Biology (iBio)
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Nucleus in Data Science for Plant Resilience (Phytolearning),

• Jonathan Canan

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Institute for Integrative Biology (iBio)
  • Instituto de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de O′Higgins
  • Centro UOH de Bioingeniería (CUBI), Universidad de O’Higgins

• Pablo Villalobos

  • Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile

• Boris Vidal-Veuthey

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor

• Fabián González-Toro

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor

• Ivana Orellana

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor

• J. Andrés Rivas-Pardo

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor

• Juan P. Cárdenas

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor

• Carol Moraga

  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Institute for Integrative Biology (iBio)
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Nucleus in Data Science for Plant Resilience (Phytolearning)
  • Instituto de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de O′Higgins
  • Centro UOH de Bioingeniería (CUBI), Universidad de O’Higgins

• Víctor Castro-Fernández

  • Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile

• Nathan R. Johnson

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Institute for Integrative Biology (iBio)

• Elena A. Vidal

  • Centro de Genómica y Bioinformática, Universidad Mayor
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Institute for Integrative Biology (iBio)
  • Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Millennium Science Initiative Program, Millennium Nucleus in Data Science for Plant Resilience (Phytolearning)

Tres Ideas Principales

¿Cómo mantiene Dicer su función sin dominios canónicos?

Las proteínas Dicer fúngicas preservan su capacidad operativa mediante una notable plasticidad evolutiva y estabilidad estructural, permitiendo que la función prevalezca incluso cuando la secuencia de aminoácidos diverge de los estándares conocidos.

Mediante el uso de AlphaFold, se ha demostrado que, aunque el 86.7 % de estas proteínas carecen de un dominio PAZ detectable por métodos de secuencia tradicionales, retienen un pliegue tipo PAZ funcional que actúa como una "regla molecular" esencial para la biogénesis de sRNA. Esta arquitectura tridimensional en forma de "L" asegura el anclaje y procesamiento preciso del ARN de doble cadena, garantizando la integridad de la maquinaria de RNAi en linajes divergentes.

¿Qué herramienta optimiza la detección de dominios PAZ?

El innovador perfil FPAZ-HMM revoluciona la identificación de componentes clave en hongos, alcanzando una sensibilidad del 97.9 % en la detección de dominios PAZ, en comparación con el 9 % de los modelos convencionales.

Esta herramienta de bioinformática estructural integra secuencias altamente divergentes para corregir errores históricos en la anotación de genomas, evitando la subestimación de la conservación funcional en organismos complejos. Al ser un modelo entrenado específicamente para Dicers, el FPAZ-HMM ofrece una precisión superior que excluye falsos positivos en otras proteínas como Argonaute, facilitando el estudio de la diversidad proteómica en protistas y parásitos eucariotas.

¿Por qué los hongos son modelos en la evolución de RNAi?

El reino Fungi funciona como un sistema biológico excepcional para comprender la evolución modular de la interferencia de ARN, revelando cómo procesos complejos pueden simplificarse o reconfigurarse sin perder su esencia biológica.

El análisis masivo de 1592 proteomas evidencia que, a diferencia de los patrones rígidos en metazoos y plantas, los hongos muestran una resiliencia única en su maquinaria de biogénesis de sRNA, adaptándose a presiones ecológicas y evolutivas extremas. Este hallazgo no solo expande la biología teórica, sino que permite el desarrollo de nuevas estrategias de control de patógenos agrícolas mediante el diseño de herramientas de silenciamiento génico altamente específicas.

Notas al pie de página

• [1] BUSCO (Benchmarking sets of Universal Single-Copy Orthologs) es un software que proporciona medidas para la evaluación cuantitativa del ensamblaje del genoma, el conjunto de genes y la integridad del transcriptoma basándose en expectativas informadas evolutivamente del contenido genético de ortólogos de copia única casi universales. Rosen Center for Advanced Computing. Pardue University ↩ Volver ↑↑

Referencias científicas

El artículo científico analizado en esta nota, Clade-wide fungal proteome analysis reveals structure-function conservation in divergent Dicer proteins , fue publicado en la revista revisada por pares Computational and Structural Biotechnology Journal (CSBJ) y se basa en un total de 87 referencias bibliográficas.

Como recordaba Isaac Newton, “si hemos llegado hasta aquí es porque hemos caminado sobre hombros de gigantes”, una idea que resume el carácter acumulativo del conocimiento científico y la importancia de reconocer los estudios previos en los que se basa cada nueva investigación.

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