Unidad 13 PARTE I explicada

Vista previa del material en texto

V.- EXPRESION Y VARIACION GENETICA
Unidad 13. Parte I: Transcripción. Procesamiento de los productos de transcripción. Gen: 
concepto. Alelismo.
En el núcleo de las células eucariontes se encuentran otros tipos de moléculas de ARN. Los
ARN nucleares pequeños se combinan con subunidades proteicas nucleares para formar las
ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snARN), conocidas como “snurps”. Algunos de
estos, participan en el procesamiento de los pre-ARNm para convertirse en ARNm. Los
ARN nucleolares pequeños (snoARN) intervienen en el procesamiento del ARNr. También
hay moléculas pequeñas de ARN en el citoplasma de las células eucariontes, conocidas
como ARN citoplasmático pequeño scARN. Otra clase de moléculas de ARN muy pequeñas
llamadas microARN (miARN) y ARN interferente pequeño (siARN) llevan a cabo la
interferencia del ARN, proceso en el cual estas pequeñas moléculas de ARN ayudan a
iniciar la degradación o la inhibición de la traducción de las moléculas de ARNm. Se ha
demostrado la existencia de unas nuevas moléculas de ARN, llamadas ARN asociadas con
Piwi (piARN), reciben el nombre por las proteínas Piwi con las que interactúan. Este tipo de
ARN es un tipo de ARN interferente que impide la expansión de los transposones.
La información escrita en el ADN debe transmitirse a las células hijas, lo que se consigue
mediante el mecanismo de replicación y además debe expresarse, lo que se consigue a
través de la transcripción del ADN para que finalmente, la información se transforme en
proteínas. Todos estos procesos implican flujo de información. La expresión de los genes
conduce a la síntesis de ARN a partir del molde de ADN.
Crick en 1970 basado en trabajos de Jacob, Monod y Benner propone un sistema
fundamental de mantenimiento y flujo de la información genética de los seres vivos que
denominó Dogma Central de la Biología Molecular.
La transcripción deben comenzar y terminar la lectura en lugares determinados al principio
y al final del gen y tiene las siguientes características:
1.- Complementariedad: la polimerasa sigue las reglas de complementariedad, toma como
molde el ADN para sintetizar ARN. Por ejemplo. A del ADN se aparea con U del ARN.
2.- Dirección: las ARN polimerasas sintetizan siempre en el sentido 5’ a 3’.
3.- Asimetría: se copia sólo una de las hebras de ADN, por lo que recibe el nombre de hélice
codificadora o codogénica, o cadena molde mientras que la otra hélice se denomina hélice
estabilizadora.
La transcripción está catalizada por la enzima ARN polimerasa. Las arqueobacterias tienen
una ARN polimerasa de estructura muy similar a la enzima de los eucariontes. La
polimerasa bacteriana es muy diferente y una única enzima media toda la síntesis del ARN
bacteriano. Se cree que de ésta única molécula han derivado durante la evolución, los tres
tipos presentes en los eucariontes.
Para una mejor comprensión, se procede a la descripción del mecanismo, en los procariontes
y en los eucariontes en forma paralela para establecer mejor las diferencias.
La ARN polimerasa de E. coli está formada por un núcleo central, que tiene dos cadenas
tipo α de PM 40.000 d, una β de 155.000 d, una β’ de 165.000d y una ω omega. La
subunidad omega no es fundamental para la transcripción, sólo contribuye a la
estabilización de la enzima. La enzima completa u holoenzima lleva un factor σ de 95.000d
reconoce el lugar de iniciación de la transcripción, se libera una vez iniciada y el núcleo
central continúa con la elongación. Una vez liberado el factor, puede unirse nuevamente a
otra enzima e iniciar un nuevo proceso La subunidad  tiene por función, unirse al
promotor, la  unirse al nucleótido que se va a incorporar a la molécula de ARN en
crecimiento, mientras que la ’, se une a la hélice de ADN que sirve de molde para la
transcripción (hélice molde, codificadora o codogénica).
En bacterias encontramos diferentes factores σ, los cuales están involucrados en el
reconocimiento de promotores específicos en circunstancia determinadas. Los cambios en
los factores σ suponen una reorganización de la transcripción en la célula, en respuesta a las
condiciones ambientales en que se encuentre el organismo, en un momento dado. El factor
σ32, reconoce promotores específicos para la transcripción de los llamados genes de choque
térmico, los cuales codifican para proteínas cuya función es proteger a la célula ante un
aumento de la temperatura. La presencia de proteínas desplegadas (señal de aumento de
temperatura), activa el gen que codifica para este factor. Este factor es inestable y compite
con σ70 por el núcleo de la RNA polimerasa, esto provoca una disminución de la síntesis de
las proteínas, que hasta ese momento tenían lugar y comienza la transcripción para las
nuevas proteínas que son necesarias en tales condiciones. Otro factor, σ54 está relacionado
con la transcripción de genes que codifican para proteínas que utilizan fuentes alternativas
de amonio, en respuesta a muy bajas concentraciones o ausencia de amonio en la
célula. Los genes que codifican proteínas involucradas en la quimiotaxis y estructuras
flagelares están controladas por otro factor sigma, σ F y está presente en pequeñas
cantidades en E.coli.
La transcripción en las células eucarióticas la producen tres tipos de ARN
polimerasas. La ARNpol I, que transcribe los genes ADNr que codifican para el ARN
ribosomal, la ARNpol II, que transcribe los genes que codifican proteínas, por lo tanto
sintetiza ARN heterogéneo nuclear precursor del ARNm y la ARNpol III, que
transcribe los genes que codifican el ARNt y el ARN 5S. Las tres polimerasas están
constituidas por 8 a 14 subunidades, totalizando un peso molecular superior a
500.000d.
Una unidad de transcripción es un tramo de ADN que codifica una molécula de ARN y las
secuencias necesarias para la transcripción. Dentro de la unidad de transcripción hay tres
sitios críticos: un promotor, la secuencia que codifica el ARN y un terminador. El promotor
es una secuencia de ADN que el aparato de transcripción reconoce y a la que se une. Indica
cuál de las dos cadenas de ADN debe ser leída como molde y la dirección de la
transcripción, también determina el sitio de inicio de la transcripción, el primer nucleótido
que será trancrito. En la mayoría de los casos el promotor se localiza cerca del sitio de
comienzo de la transcripción, pero no se transcribe a sí mismo. El segundo sitio es la región
codificante de ARN y el tercer lugar, el terminador, es la secuencia que señala el sitio en el
que debe finalizar la transcripción.
Los datos experimentales sugieren la presencia de las llamadas secuencia consenso o
secuencia canónica en la zona promotora de los procariontes. Hay dos zonas críticas de seis
nucleótidos, una ubicada a –35 y otra a –10 corrientes arriba del inicio de síntesis o sea de
la A o a veces G, que es la primera base del ARN.
Para iniciar la transcripción en procariontes, específicamente en bacterias, el reconocimiento
del promotor en las bacterias durante el inicio de la transcripción, se produce por interacción
entre la subunidad σ y la secuencia -35 que forman un complejo cerrado en el que la ARN
polimerasa abarca alrededor de 80 pb desde corriente arriba de la secuencia -35 hasta
corriente debajo de la secuencia -10
Para iniciar la transcripción en procariontes, específicamente en bacterias, el reconocimiento
del promotor en las bacterias durante el inicio de la transcripción, se produce por interacción
entre la subunidad σ y la secuencia -35 que forman un complejo cerrado en el que la ARN
polimerasa abarca alrededor de 80 pb desde corriente arriba de la secuencia -35 hasta
corriente debajo de la secuencia -10
En los eucariontes la estructura de la cromatina se modifica de modo tal, que el ADN se
encuentra en una configuración más laxa y resulta más accesible para la transcripción.
Numerosas proteínas cumplen diversos papeles en la modificación de la cromatina. Las
acetiltransferasas añaden grupos acetilos a los aminoácidos que se encuentran en los
extremosde las histonas, lo que desestabiliza la estructura del nucleosoma y torna más
accesible el ADN. Estas secuencias incluyen no sólo el promotor central en donde se
ensambla el complejo de iniciación, sino también uno o más elementos promotores
corrientes arriba. Cada una de las tres ARN polimerasas eucarionte, reconoce un tipo
diferente de secuencia promotora según el tipo de ARN que se sintetiza. Los promotores
para la ARNpol II son más variables que para ARN pol I y III, no obstante responden a una
estructura general.
Para la ARN polimerasa II el promotor mínimo se localiza corriente arriba del gen, es el 
lugar donde se une el aparato de transcripción basal. Incluye una o más secuencias 
consenso, donde la más común es la caja TATA localizada entre -25 y – 30 pb corriente 
arriba del sitio de inicio. En el promotor regulador para ARN pol II es posible encontrar 
diversas secuencias consenso que pueden estar mezcladas y apareadas en combinaciones 
diferentes. En el caso más generalizado se resaltan las secuencias denominadas caja CAAT, 
la caja GC y la caja OCT. El punto de iniciación de la transcripción suele ser una adenina. 
Las secuencias consenso críticas en dirección 5´ del punto de inicio son varias. El elemento
TATA que se encuentra precediendo el punto de inicio y parece ser el elemento que confiere
especificidad por el tipo de polimerasa. El reconocimiento de esta secuencia permite el
inicio de la transcripción, aunque la eficiencia de este evento puede estar aumentada por la
presencia de otros dos elementos que se encuentran más hacia la región 5´. Estos elementos
son las secuencias PSE (proximal secuence element) y OCT (elemento de 8 pb). Los
factores que se unen a estos elementos interactúan de forma cooperativa.
Los promotores para la ARNpol I son bipartitos, con una secuencia de unas 65 pb que
constituye el núcleo del promotor e incluye el punto de iniciación de la transcripción (-45 y
20 A) y un elemento de control corriente arriba UCE, determina la eficiencia del evento, se
ubica hacia el extremo 5´ entre -180 y -107. Estas secuencias son idénticas en un 85 % y
tienen la peculiar característica de ser ricas en G-C.
Los promotores para ARN pol III reconoce dos tipos de promotores:
Promotores internos: son promotores que se sitúan en dirección 3´ del punto de inicio. Estos
promotores se encuentran en los genes que codifican para el RNA 5S y para los RNA de
transferencia y en cada caso son diferentes (promotores internos de tipo 1 y promotores
internos de tipo 2).
Promotor interno de tipo 1: contiene una secuencia llamada caja A que se encuentra más
cercana al punto de inicio y una secuencia caja C separada de una secuencia variable. Se
encuentra en los genes que codifican para RNAr 5S.
Promotor interno de tipo 2: contiene una secuencia caja A separada de una caja B, la
distancia entre las secuencias puede variar mucho, pero por lo general no pueden estar muy
juntas ya que se anula la función del promotor. Se localizan en los genes de los RNAt.
Promotores 5´: son los promotores clásicos que se sitúan en dirección 5´ del punto de inicio.
Se encuentran en los genes que codifican para los RNAsn U6, el único gen transcrito por la
polimerasa III, todos los demás son sintetizados por pol II.
Resumen de todos los tipos de secuencias promotoras, para las tres polimerasas eucariontes, 
responsables de la transcripción.
La transcripción en los eucariotas difiere además, en dos aspectos fundamentales. La ARN
polimerasa no puede iniciar la transcripción por sí misma, requiere de una serie de proteínas
denominadas factores generales de la transcripción que se ensamblan al promotor. Además
hay muchas proteínas reguladoras, que pueden estar unidas al ADN a miles de nucleótidos
de distancia.
El aparato de transcripción basal está formado por una ARN polimerasa, una serie de
factores de transcripción general y un complejo de proteínas conocidas como mediador. Los
factores de transcripción general para ARN pol II se designan como TFII y una letra final
que los individualiza.
Para el caso de la ARNpol II, el proceso de ensamblaje se inicia cuando TFIID se une a la
secuencia TATA. TFIID está compuesta por 13 proteínas (TAF es la proteína asociadas a
TBP) y TBP responsable de reconocer la secuencia TATA. TBP se une a la secuencia TATA
a través TAF.
Una vez que TFIIP se une al ADN, se une TFIIB seguido por la ARNpol II acompañada de
TFIIF. A continuación TFIIE y TFIIH se unen al complejo. TFIIH tienen actividad de
helicasa. En presencia de ATP, TFIIH fosforila pol II con lo que se activa la enzima e inicia
la transcripción.
La ARNpol I y III también requieren una serie de factores generales de la transcripción,
aunque TBP es necesario para las tres polimerasas, los demás factores son diferentes de los
que se ensamblan en pol II y la unión de TBP no depende de una secuencia TATA en el
ADN.
El complejo de iniciación de la ARN polimerasa I está formado por cuatro complejos
proteicos, además de la polimerasa. Uno de ellos es UBF que se une al promotor central y al
elemento de control UCE. Los otros complejos proteicos son TFIA y TFIC. Estudios
recientes indican que la polimerasa I se une a los cuatro complejos (TBP, UBF, TIFIA,
TIFIC) antes de reconocer al promotor y todo el ensamblaje se une al ADN en un solo paso.
Los promotores para ARN III no hay uniformidad por lo tanto tampoco lo hay para la
iniciación del proceso. Uno de los TFIII es TFIIIB una de cuyas subunidades es TBP. En los
promotores de Pol III que residen dentro de los genes y que carecen de secuencia TATA, la
unión de TBP tiene lugar por la presencia de dos cofactores de ensamblaje. Estos factores
sólo sirven para el ensamble de TBP y no de la Pol III.
La mayoría de las proteínas reguladoras de la transcripción génica tiene dos dominios. Uno
de ellos es el dominio de unión al ADN y el otro es el dominio de activación, constituido por
un grupo de aa cargados negativamente. Estos activadores acídicos, aceleran el ensamblaje
de los factores generales de transcripción en el promotor.
ADN situado a miles de nucleótidos de distancia, puede activar la transcripción a través de
proteínas unidas a ellas. Estas secuencias llamadas incrementadoras o activadoras, actúan
como lugares de unión de proteínas reguladoras que activan o incrementan la transcripción.
Esta secuencia estimuladora, puede ejercer su influencia sobre varios promotores que estén
próximos a ellos, tanto secuencias aguas arriba como secuencias aguas abajo, incluso
aunque se localice a varios kpb de distancia. Este fenómeno puede ocurrir también en
procariontes, aunque con menor frecuencia. El ADN existente entre el incrementador y el
promotor, se doblaría permitiendo que las proteínas unidas al incrementador, interactuaran
directamente con uno de los factores generales de la transcripción o con la propia ARN
polimerasa.
Hay proteínas que actúan como proteínas represoras génicas impidiendo la transcripción,
muchas de estas proteínas no actúan compitiendo con la polimerasa por el acceso al ADN.
Los mecanismos no están muy claros, pero se describen tres maneras posibles de acción:
1.- Las proteínas activadoras y represoras compiten por la unión a la misma secuencia de
ADN regulador.
2.- Ambas proteínas pueden unirse al ADN, pero el represor forma un complejo con el
dominio de activación del activador, evitando que entre en contacto con la maquinaria de
transcripción.
3.- El represor interacciona con un complejo de factores generales de transcripción,
impidiendo que el proceso de ensamble continúe.
La transcripción no produce la separación total de las dos hélices del ADN, se supone que
únicamente se producen desenrrollamientos parciales dentro del ADN, de manera que una
vez realizada la transcripción, vuelven a quedar unidas ambas hélices. La velocidad de
transcripción en bacterias es de 2500 nucleótidos por minutos a 37ºC.
Al igual que en la transcripción bacteriana, la ARN polimerasa puede generar y liberar
moléculas cortas de ARN abortivas,antes de iniciar la síntesis de una molécula de ARN
completa. Después de unos 30 nucleótidos de ARN, la ARNpol abandona el promotor y
comienza la etapa de elongación de la transcripción. Varios de los factores de transcripción
son dejados atrás en el promotor y esto sirve para reiniciar rápidamente otro evento de
transcripción, con otra enzima ARN polimerasa.
Durante la elongación, la doble hélice ingresa por una hendidura de la polimerasa, las
cadenas se desenrollan y los nucleótidos de los ARN se agregan al extremo 3’ de la
molécula de ARN creciente. A medida que atraviesa la polimerasa, el híbrido ADN-ARN
choca contra una pared de aminoácidos y gira casi en ángulo recto; este giro coloca el
extremo del híbrido en el sitio activo de la polimerasa y se agregan nuevos nucleótidos al
extremo 3’ del ARN naciente. El ARN se separa del ADN y atraviesa otra ranura antes de
salir de la polimerasa.
La terminación de la transcripción presenta características diferentes en procariontes y
eucariontes.
En E coli existen dos mecanismos principales de terminación. En el primer caso, existen
unas secuencias terminadoras representadas por secuencias invertidas, rica en GC, seguida
de una sucesión de 6 a 8 uracilos. La secuencia GC forma una estructura secundaria en
horquilla de 7 a 20 b. La horquilla produciría la detención de la enzima permitiéndole al
ARN recién formado, disociarse del ADN molde con poco gasto de energía.
Para el segundo mecanismo, se necesita una proteína adicional llamada , capaz de
reconocer una región de 50 a 90 pb que precede a la de terminación. Los ARNm que
contienen señales de terminación dependientes de rho, carecen de los residuos uracilos al
final de la cadena. Rho es un hexámero, compuesto por seis subunidades que aprovecha la
hidrólisis de ATP a ADP y Pi, para desencadenar la reacción de terminación. El primer paso
es la unión de rho a un sitio específico del ARN, llamado rut. Al unirse al transcrito, se
desplaza a lo largo del ARN hacia la polimerasa. Si la enzima sigue sintetizando, rho la
persigue y en la señal de terminación no identificada aún, se detiene, Rho es una helicasa
que tira del ARN después de haber roto los puentes de H del híbrido ADN-ARN, hasta
soltarlo de la polimerasa.
En procariontes ocurre el fenómeno de antiterminación, en donde intervienen proteína
llamadas factores de la antiterminación que interaccionan con la ARN polimerasa, de
manera que al pasar por la secuencia de terminación no se detiene, realizando una lectura
corrida. La proteína antiterminadora se une al ADN cerca del comienzo del operón y luego
es transferida a la ARN polimerasa cuando ésta se desplaza por la región.
La terminación de la transcripción en eucariontes es diferente según el tipo de ARN
polimerasa La terminación de la transcripción para ARN pol II, no está señalizada por una
secuencia específica en el extremo 3'. En general la transcripción continúa más allá de la
secuencia codificante necesaria para producir ARNm. El extremo 3’ se corta es un sitio
específico indicado por una secuencia consenso, mientras la transcripción continúa
ocurriendo en el extremo 3’ de la molécula. Del corte del ARN pre-m surgen dos partes: el
ARNm y otro fragmento de ARN que tienen su extremo 5’ pendiendo de la ARN
polimerasa. Una enzima llamada Rat 1 se une al extremo 5’ de este ARN y se mueve hacia
el extremo 3’ donde la ARN polimerasa continúa con la transcripción. Rat es una
exonucleasa que actúa en dirección 5’ a 3’ capaz de degradar en este sentido. Cuando Rat
alcanza la maquinaria transcripcional, la transcripción termina.
En el caso de ARN pol I, la terminación involucra una proteína de unión al ADN a una
secuencia de reconocimiento, localizada de 12 a 20 pb corriente abajo del punto donde
termina la transcripción. No se sabe cómo se induce la terminación, pero se piensa que la
proteína unida al ADN bloquea a la polimerasa I y una segunda proteína, induce la
disociación de la polimerasa y el transcrito del ADN molde.
El proceso de terminación para pol III es parecido al de la polimerasa bacteriana, se puede
producir la terminación en la segunda posición de una secuencia de cuatro uracilos que está
precedida por una región G + C. Algunos autores desconocen este tipo de terminación y
niegan la existencia de la horquilla.
Estos mecanismos de síntesis del ARN o transcripción del ADN se producen y se debe tener
en cuenta que el ADN está empaquetado en nucleosomas.
En algunos casos las secuencias reguladoras de la transcripción, se encuentran en cortas
regiones libres de nucleosomas, de forma que no existe impedimento para la interacción con
el ADN. No se sabe cómo ciertas regiones permanecen libres, aunque se conoce que ciertos
segmentos de ADN son demasiado rígidos y no admiten la torsión necesaria para la
formación de nucleosomas. Sin embargo, en otros casos, la secuencia reguladora se
encuentra empaquetada en un nucleosoma, lo cual no impide que al menos algunas proteínas
activadoras puedan reconocerla y unirse a ella. Una vez unida la proteína reguladora parece
desestabilizar el nucleosoma, que entonces se desensambla al menos parcialmente.
En cambio, los factores generales de la transcripción parecen incapaces de ensamblarse
sobre un promotor empaquetado en un nucleosoma, asegurando de que no se produzca la
iniciación de la transcripción de una manera débil. Sin embargo, parece que la unión de una
proteína activadora a miles de nucleótidos de distancia, podría desplazar aparentemente un
nucleosoma del promotor y entonces sería posible el ensamblaje de los factores generales de
la transcripción. El desplazamiento podría ocurrir, como consecuencia de una actividad
distinta de la proteína activadora, o ser una consecuencia indirecta que la proteína
activadora establece con los factores generales de la transcripción. De esta manera una
proteína activadora unida, poseería una segunda actividad de eliminación de los
nucleosomas del promotor, exponiéndolo a los factores generales de la transcripción.
Los ARN que se sintetizan en las células eucariontes y en bacterias no lo hace en su forma
definitiva, sino que el producto transcrito constituye una ARN que tras una etapa de
procesamiento o maduración da lugar al ARN maduro. El producto del molde de ADN se
conoce como transcrito primario, mientras que el segmento de ADN transcrito, recibe el
nombre de unidad transcripcional.
Se ha demostrado que las moléculas de ARN son sintetizadas como precursores, que deben
ser procesados antes de que puedan cumplir sus funciones. El ARNm de las bacterias es la
excepción a esta regla: los transcritos iniciales son funcionales y pueden ser traducidos de
inmediato. Los ARNt y ARNr bacterianos son transcriptos como pre ARN que se vuelven
funcionales sólo después de una serie de cortes y modificaciones químicas. El ARN
precursor de ARNr tiene un coeficiente de sedimentación 30S e incluye información para el
ARN 16S, ARNt, ARNr 23S y el ARN 5S.
El precursor de ARNt es portador de información para dos ARNt, habiendo entre ellos una
región espaciadora, de manera que el precursor de ARN está formado por 5’ – ARNt1 ---
Esp ----ARNt2 ---3’ Otro ejemplo de maduración se presenta en un ARNt en E.coli. La
secuencia de ARNt, dentro de la molécula precursora adopta la estructura en hoja de trébol y
además se forman otras dos estructuras en horquilla una a cada lado del ARN.
El procesamiento comienza con el corte por la ribonucleica E o F que forma un nuevo
extremo 3’. La ribonucleasa D recorta siete nucleótidos de este extremo 3’y hace una pausa,
mientras la ribonucleasa P efectúa un corte en el inicio de la hoja de trébol, lo que crea el
extremo 5’ del ARNt maduro. Después la ribonucleasa D elimina dos nucleótidos más, lo
que forma el extremo 3’ de la molécula madura.
El último tipo de procesamiento que tiene lugar en el pre ARN es la modificación química
de los nucleótidos del transcrito, tanto en los pre-ARNr como ARNt. Se conocen más de 50
modificaciones distintas. Se cree que las modificacionesmedian el reconocimiento entre los
ARNt, lo que permite que un solo ARNt reconozca más de un codón.
En eucariontes la transcripción del ARNr se realiza casi en su totalidad en el nucléolo. Hay
cuatro tipos de ARNr: 28S con alrededor de 5000 nucleótidos, 5,8 S con 160 nucleótidos, 5
S con sólo 120 nucleótidos, en la subunidad grande del ribosoma y 18 S con 2000
nucleótidos, en la subunidad menor.
En humanos el tamaño del precursor es 45 S, en Xenopus 40S y en Drosophila 34 S. El
ARN 5 S, se sintetiza en sitios de los cromosomas, diferente al de las otras especies de
ARNr. El precursor de 45 S tiene aproximadamente 13.000 nucleótidos, cerca del doble del
que necesita para los tres productos finales. Aquellas regiones que no se convierten en partes
de los productos finales reciben el nombre de secuencias espaciadoras transcritas.
Los ARNr llevan a cabo una serie de modificaciones químicas, como metilaciones y
seudouridinilaciones. Moléculas cortas de ARN llamadas ARNnos, participan en el proceso
de modificación y se aparean en aquellas regiones que se deben metilar. El apareamiento
involucra sólo unos cuantos nucleótidos del ARNnos, los que siempre están ubicados
inmediatamente corrientes arriba de una secuencia conservada, denominada secuencia D. El
par de bases que involucra al nucleótido que será modificado está a 5 posiciones, de la
secuencia D. La hipótesis sostiene que D es la señal de reconocimiento para la enzima de
metilación que es dirigida por ende, hacia el nucleótido adecuado.
Al momento que los precursores 45 S se rompen por primera vez, más de 100 grupos metilo
se agregan a la molécula. Casi todas se agregan a la ribosa aunque unas cuantas son
colocados en las bases. Los nucleótidos metilados se conservan en los ARN maduros,
mientras que los no metilados se destruyen durante el proceso de maduración. Al parecer las
metilaciones protegen las regiones de la degradación enzimática ya sea directamente, o
como resultado de los cambios que se producen sobre la estructura secundaria de la
molécula. Todos los cambios que se producen no tiene lugar en el ARN nucleolar aislado,
sino que las moléculas se encuentran asociadas a proteínas y su relación se establece antes
que el precursor 45 S haya completado su transcripción. Estas proteínas sintetizadas en el
citoplasma, emigran hacia el núcleo y luego al nucléolo. Algunas de estas proteínas,
permanecen en la subunidad ribosomal. El ARN 18 S y sus proteínas asociadas es el primero
que sale del nucléolo mientras que la porción 28 S permanece en el núcleo por un período
adicional después que las especies 18 S han salido hacia el citoplasma. Algunas proteínas
precursoras se pierden durante el proceso de maduración y otras se agregan.
El transcrito primario del ARN 5S contiene las mismas terminales 5' que el ARN 5S
maduro, pero tiene unos cuantos nucleótidos extras en el extremo 3' que se eliminan en el
trayecto del procesamiento hasta su destino final en el ribosoma. No requiere otro tipo de
procesamiento
La primera molécula transcrita del ARNt es más larga que el producto final y se deben
eliminar segmentos laterales del extremo 5' y 3', así como deben modificarse cierta cantidad
de bases. Un gran segmento que contiene el anticodon, se elimina por medio del mecanismo
de corte y empalme. Posteriormente se añaden bases al extremo 3’, más las modificaciones
de las bases internas de la molécula.
La primera molécula transcrita del ARNt es más larga que el producto final y se deben
eliminar segmentos laterales del extremo 5' y 3', así como deben modificarse cierta cantidad
de bases. Un gran segmento que contiene el anticodon, se elimina por medio del mecanismo
de corte y empalme. Posteriormente se añaden bases al extremo 3’, más las modificaciones
de las bases internas de la molécula.
La transcripción realizada por la ARNpol II, produce la síntesis del transcrito primario que
reciben el nombre de ARN heterogéneo nuclear (ARNhn), por la gran variabilidad que
existe de tamaños del ARN.
En primer lugar, al extremo 5' de la molécula de ARN, se le añade una caperuza (cap)
mediante la adición de un nucleótido. Esta modificación ocurre casi inmediatamente
después de que se ha sintetizado tan solo unos 30 nucleótidos y se realiza por la
incorporación de una molécula de GTP, al extremo 5' del transcrito inicial, por acción de la
guaniltransferasa. Los caps responden a tres tipos: en cap 0, se añade GTP solamente al
extremo 5', cap I es el más común, tiene metilada la base de la segunda posición y cap 2,
tiene metilada también la base de la tercera posición. La función del cap, está relacionada
por un lado con la protección del ARNm de la degradación por su extremo 5' y además a él
se unen proteínas que son reconocidas por los ribosomas. Los ribosomas se unen a las
proteínas y se mueven en dirección 3’ hasta que llega al codón de iniciación de la
traducción. Además influye en la eliminación de los intrones.
En muchos transcritos ARNhn, el extremo 3' presenta la segunda modificación. En la
mayoría de los ARNm eucariontes hay una serie de hasta 250 nucleótidos en su extremo 3’.
Estas no están especificadas por el ADN, son agregadas al transcrito por una ARN
polimerasa denominada poli A. Esta no actúa en el extremo 3’ del transcrito, sino en un sitio
interno que es degradado para crear un nuevo extremo 3’, al que se añade la cola de poli A.
En los mamíferos la poliadenilación está dirigida por una secuencia señal AAUAAA en el
ARNm localizada entre 10 y 30 nucleótidos por delante del sitio de la poliadenilación, que
suele ser inmediatamente posterior al dinucleótido CA, seguido de 10 a 20 nucleótidos por
una región rica en GU. Tanto la secuencia de la señal poliA como la región rica en GU, son
sitios de unión a complejos proteicos de múltiples subunidades que son: factor de
especificidad de escisión y poliadenilación y el factor de estimulación de escisión. Para que
haya poliadenilación, la poli A y otros dos factores, se deben asociar para ayudar a la
polimerasa a agregar las adenosinas. Hasta hace poco se pensó que la poliadenilación era un
proceso postranscripcional, hoy se sabe que es un proceso inherente a la terminación de la
transcripción. El primer factor interactúa a TFIID y es reclutado al complejo de iniciación.
Avanza sobre el molde junto con pol II y al pasar por la secuencia señal de pol A, altera las
propiedades de elongación y favorece la terminación. En consecuencia la transcripción se
detiene poco después de que se transcribe, la secuencia de señal de poli A.
Hay evidencias de que el control de la poliadenilación del ADNm podría ser un mecanismo
regulador importante en los eucariontes. Muchos genes eucariontes tienen más de una
secuencia de señal de poliadenilación, esto significa que la terminación puede tener lugar en
distintas posiciones, lo que da como resultado ARNm con idénticas propiedades de
codificación, pero extremos 3’ distintos. Diferentes tejidos perecen utilizar distintas señales
de poliadenilación, lo que sugiere que la poliadenilación alternativa, podría ser un
mecanismo importante para establecer patrones de expresión del genoma específico de
tejido.
La cola de poli A parece tener varias funciones:
Colabora en la exportación del ARNm maduro hacia el citoplasma.
Se cree que influye en la estabilidad de algunos ARNm en el citoplasma
Parece servir como señal de reconocimiento del ribosoma, para una eficiente traducción
Algunas proteínas no tienen poliadenilación, como es el caso de las histonas. La generación
del extremo 3' depende de una secuencia consenso CAAGAAAGA precedida a 12
nucleótidos, de una corta secuencia palindrómica que forma una estructura en forma de
horquilla, constituida por 6 pb del tallo y 4 nucleótidos de bucle. Esta secuencia se aparea
por sus bases con una parte de otra molécula de ARN de pequeño tamaño, la ARNsn U7 de
56 b. El apareamiento es estabilizado por una proteína de unión a la horquilla y el corte se
practica 4 o 5 nucleótidos, corrientes abajo de ésta
Los transcritosprimarios de ARNm son inestables y por lo tanto de vida corta. En las células
eucariontes se comprobó que el ARNhn tenía secuencias que correspondían al ADN pero no
al del ARNm maduro por lo tanto contenían exones e intrones. Surge de este modo un
nuevo modelo de gen discontinuo o gen en piezas. En 1993, Sharp y Roberts recibían el
premio Nobel por el descubrimiento de los genes discontinuos.
Antes de explicar el mecanismo de eliminación de los intrones del ARNhn es necesario
realizar algunas consideraciones. Las reacciones de corte se deben realizar con profunda
precisión, ya que un error en un nucleótido haría variar la pauta de lectura de la secuencia
del ARNm, produciendo un mensaje sin sentido. En primer lugar en el intrón, muchos
comienzan con una secuencia dinucleotídica GU en su extremo 5’ denominada secuencia
donadora y termina con un dinucleótido AG en el extremo 3’ denominada secuencia
aceptora. En los eucariontes superiores, los intrones suelen tener un haz de polipirimidina
inmediatamente corriente arriba del extremo 3’ de la secuencia intrónica Otra secuencia
consenso es el punto de ramificación, que es un nucleótido de adenina entre los nucleótidos
18 y 40 en dirección 5’ con respecto al sitio de corte y empalme 3
Los transcritos primarios de ARNm son inestables y por lo tanto de vida corta. En las células
eucariontes se comprobó que el ARNhn tenía secuencias que correspondían al ADN pero no
al del ARNm maduro por lo tanto contenían exones e intrones. Surge de este modo un
nuevo modelo de gen discontinuo o gen en piezas. En 1993, Sharp y Roberts recibían el
premio Nobel por el descubrimiento de los genes discontinuos.
Antes de explicar el mecanismo de eliminación de los intrones del ARNhn es necesario
realizar algunas consideraciones. Las reacciones de corte se deben realizar con profunda
precisión, ya que un error en un nucleótido haría variar la pauta de lectura de la secuencia
del ARNm, produciendo un mensaje sin sentido. En primer lugar en el intrón, muchos
comienzan con una secuencia dinucleotídica GU en su extremo 5’ denominada secuencia
donadora y termina con un dinucleótido AG en el extremo 3’ denominada secuencia
aceptora. En los eucariontes superiores, los intrones suelen tener un haz de polipirimidina
inmediatamente corriente arriba del extremo 3’ de la secuencia intrónica Otra secuencia
consenso es el punto de ramificación, que es un nucleótido de adenina entre los nucleótidos
18 y 40 en dirección 5’ con respecto al sitio de corte y empalme 3
Los transcritos primarios de ARNm son inestables y por lo tanto de vida corta. En las células
eucariontes se comprobó que el ARNhn tenía secuencias que correspondían al ADN pero no
al del ARNm maduro por lo tanto contenían exones e intrones. Surge de este modo un
nuevo modelo de gen discontinuo o gen en piezas. En 1993, Sharp y Roberts recibían el
premio Nobel por el descubrimiento de los genes discontinuos.
Antes de explicar el mecanismo de eliminación de los intrones del ARNhn es necesario
realizar algunas consideraciones. Las reacciones de corte se deben realizar con profunda
precisión, ya que un error en un nucleótido haría variar la pauta de lectura de la secuencia
del ARNm, produciendo un mensaje sin sentido. En primer lugar en el intrón, muchos
comienzan con una secuencia dinucleotídica GU en su extremo 5’ denominada secuencia
donadora y termina con un dinucleótido AG en el extremo 3’ denominada secuencia
aceptora. En los eucariontes superiores, los intrones suelen tener un haz de polipirimidina
inmediatamente corriente arriba del extremo 3’ de la secuencia intrónica Otra secuencia
consenso es el punto de ramificación, que es un nucleótido de adenina entre los nucleótidos
18 y 40 en dirección 5’ con respecto al sitio de corte y empalme 3
Los transcritos primarios de ARNm son inestables y por lo tanto de vida corta. En las células
eucariontes se comprobó que el ARNhn tenía secuencias que correspondían al ADN pero no
al del ARNm maduro por lo tanto contenían exones e intrones. Surge de este modo un
nuevo modelo de gen discontinuo o gen en piezas. En 1993, Sharp y Roberts recibían el
premio Nobel por el descubrimiento de los genes discontinuos.
Antes de explicar el mecanismo de eliminación de los intrones del ARNhn es necesario
realizar algunas consideraciones. Las reacciones de corte se deben realizar con profunda
precisión, ya que un error en un nucleótido haría variar la pauta de lectura de la secuencia
del ARNm, produciendo un mensaje sin sentido. En primer lugar en el intrón, muchos
comienzan con una secuencia dinucleotídica GU en su extremo 5’ denominada secuencia
donadora y termina con un dinucleótido AG en el extremo 3’ denominada secuencia
aceptora. En los eucariontes superiores, los intrones suelen tener un haz de polipirimidina
inmediatamente corriente arriba del extremo 3’ de la secuencia intrónica Otra secuencia
consenso es el punto de ramificación, que es un nucleótido de adenina entre los nucleótidos
18 y 40 en dirección 5’ con respecto al sitio de corte y empalme 3
Basándose en los mecanismos de corte y empalme, hay cuatro grupos de intrones. En el
grupo I que incluyen a los que forman parte de los transcritos de los ARNr, no se precisan
componentes adicionales para la escisión del intrón. El intrón es en sí mismo, la fuente de
actividad enzimática necesaria para su propia eliminación. El propio ARN tienen actividad
enzimática y éste es el primer ejemplo de una enzima ARN o ribozima. El corte y empalme
ocurre dentro de una estructura conocida como empalmosoma. El empalmosoma consiste en
5 moléculas de ARN y casi 300 proteínas. Los ARN, son ARN pequeños nucleares, cuya
longitud oscilan entre 107 y 210 nucleótidos. Estos ARN se asocian a proteínas para formar
partículas ribonucleoproteicas pequeñas (snARP o snurps). Cada snARP contiene una única
molécula de snARN y múltiples proteínas. El empalmosoma está compuesto por cinco
snRNP, que reciben su nombre de los snARN que contienen (U1, U2, U4, U5, U6) y otras
proteínas que no están asociadas a los snARN. Estos snARN reciben esta denominación por
ser ricos en residuos de uridina. El snRNA U1, tiene una secuencia nucleotídica que es
complementaria a la del extremo donador 5’ del intrón al que se adhiere. Por otra parte U2,
se une al punto de ramificación. Después de la adición de U2 se agrega U4, U5 y U6 y
comienza el corte y empalme. El residuo A ataca el sitio 5’ y corta la cadena de ARN,
liberando el intrón 1 y posteriormente el extremo 5’ se liga a una adenina que se encuentra
en el punto de ramificación, lo que implica que el intrón se repliega sobre sí mismo para
formar una estructura en forma de lazo. En este proceso hay dos reacciones de
transesterificación (reacciones nucleofílicas).
La reacción incluye la interacción entre una guanosina, que actúa como cofactor y el sitio
activo del transcrito primario. La primera reacción nucleofílica se establece cuando se
transfiere el grupo OH al extremo 3’ del exón contiguo. La segunda reacción implica la
interacción del grupo OH recién adquirido y el nucleótido del extremo 3’ del intrón cortando
la molécula por el lugar de corte 3’. Las dos secuencia exónicas quedan unidas y el intrón se
libera en forma de lazo.
Uno de los eventos más importantes de los últimos tiempos es el descubrimiento de intrones
AU –AC identificados en 20 genes de organismos diversos como humanos, plantas y
Drosophila. Su vía de corte y empalme es muy similar a la anterior pero difieren por los
factores de corte y empalme: sólo participa U5; las funciones de U1 y U2 la llevan a cabo
U11 y U12
La autoescisión también parece controlar la eliminación de los intrones presentes en los
transcritos primarios de ARNm y ARNt producidos en las mitocondrias. Estos intrones son
de tipo II pero la guanosina no actúa de cofactor. Los intrones de ARNt encontrados en los
genes de ARNt utilizan otros mecanismos diferentes.
Los intrones tienen un tamaño que oscila entre 80 hasta más de 50.000 nucleótidos. El
tamaño y número de los introneses muy variable de gen a gen, así por ejemplo, el gen de la
β- globina del conejo y del ratón tiene tres exones y dos intrones, mientras que el gen de la
ovoalbúmina de pollo tiene 7 intrones y 7 exones. Por otro lado el tamaño de los intrones y
los exones y su proporcionalidad total dentro de un gen son muy variables, en el gen de la
ovoalbúmina de gallina, tiene un total de 7.700 b, de las que 5625 b corresponden a los 7
intrones. Por otra parte los intrones son menos comunes en los eucariontes inferiores: los
6000 genes del genoma de levadura, contienen sólo 239 intrones en total, mientras que
muchos genes individuales de mamíferos contienen 50 intrones o más.
La maduración tiene lugar en el núcleo y se exporta al citoplasma una vez que ha
completado el proceso de maduración. Si bien la inmensa mayoría de los genes eucarióticos
contienen intrones, hay varias excepciones. Por ejemplo los que codifican las histonas y el
interferón parece no contener intrones.
En otros casos, los intrones que hay en los pre-mARN derivados de un mismo gen son
cortados y empalmados de más de una manera diferente, produciendo así diferentes
colecciones de exones en el mRNA. Este proceso conocido como corte y empalme
alternativo (splicing alternativo), produce un grupo de ARNm que tras la traducción, da por
resultado una serie de proteínas relacionadas. El corte y empalme alternativo es infrecuente
en algunos organismos (levadura), pero su ocurrencia es mayor en eucariontes superiores.
Por ello en humanos se reconoció que en vez de tener de 80.000 a 100.000 genes, tienen
sólo 35.000 genes. Ahora se cree que por lo menos el 35% de los genes del genoma humano,
sufren corte y empalme alternativo. Asimismo, se ha desechado por completo el principio un
gen, una proteína.
En otros casos, los intrones que hay en los pre-mARN derivados de un mismo gen son
cortados y empalmados de más de una manera diferente, produciendo así diferentes
colecciones de exones en el mRNA. Este proceso conocido como corte y empalme
alternativo (splicing alternativo), produce un grupo de ARNm que tras la traducción, da por
resultado una serie de proteínas relacionadas. El corte y empalme alternativo es infrecuente
en algunos organismos (levadura), pero su ocurrencia es mayor en eucariontes superiores.
Por ello en humanos se reconoció que en vez de tener de 80.000 a 100.000 genes, tienen
sólo 35.000 genes. Ahora se cree que por lo menos el 35% de los genes del genoma humano,
sufren corte y empalme alternativo. Asimismo, se ha desechado por completo el principio un
gen, una proteína.
Un tipo de procesamiento alternativo, requiere el empleo de múltiples sitios de corte 3’ y
poliadenilación. Un ejemplo de ello se observa en el gen de la calcitonina de los mamíferos,
que contiene seis exones y cinco intrones Hay dos sitios de corte 3’ posibles. En las células
de la glándula tiroides, el corte 3’ y la poliadenilación se producen después del cuarto exón,
por lo tanto el ARNm maduro está formado por cuatro exones y se traduce a calcitonina. En
las células del cerebro, el ARN se procesa en forma distinta. El corte y empalme ocurre
después del sexto exón, pero el exón 4 se elimina junto con todos los intrones, de modo tal
que la molécula madura de ARNm sólo están presentes los exones 1, 2, 3, 5 y 6.
El gen humano slo, codifica una proteína de membrana que regula el ingreso y egreso de
iones K de la célula. El gen tiene 35 exones, 8 de los cuales participan en eventos de corte y
empalme alternativos. Se trata de diferentes combinaciones opcionales de los ocho exones,
lo que da lugar a 500 ARNm distintos, que especifican una proteína de membrana con
propiedades funcionales ligeramente diferentes.
Se ha observado que en diferentes tejidos de un mismo individuo o en un mismo tejido en
diferentes momentos del desarrollo, se pueden producir procesamientos distintos del mismo
ARNm. Como consecuencia en cada tejido o momento de desarrollo se produce un ARNm
maduro diferente que da lugar a un polipéptido distinto.