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Etapas de la Transcripción

La transcripción de la información genética es el primer paso de la expresión génica. La transcripción es el proceso por el cual el ADN se utiliza como molde para fabricar ARNm. Este proceso se divide en 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. La transcripción comienza en una región conocida como el promotor. Una enzima llamada ARN polimerasa "lee" la cadena molde de ADN y crea el ARNm. Para que la ARN polimerasa se una a la secuencia promotora en las eucariotas se necesitan otras proteínas, conocidas como factores de transcripción. Tras iniciar la transcripción, la ARN polimerasa alarga el ARNm recién formado hasta alcanzar una secuencia de terminación.

Última actualización: Sep 10, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Descripción General de la Expresión Génica

Definición

Dogma central: para expresar un gen, el ADN se transcribe en ARN, que luego se traduce en una proteína (o un fragmento de proteína conocido como polipéptido).

La transcripción es el proceso por el cual el ADN se utiliza como molde para fabricar ARNm.

ADN

El ADN es una molécula de doble hélice formada por 2 hebras antiparalelas. El ADN tiene una estructura que parece una escalera de caracol.

  • Los «lados» de cada escalera:
    • Están formados por una alternancia de desoxirribosa (un azúcar de 5 carbonos) y moléculas de fosfato
    • Los enlaces fosfodiéster enlazan el carbono 3′ de 1 azúcar con el carbono 5′ del siguiente.
  • Los “peldaños” de la escalera están formados por parejas de moléculas nitrogenadas llamadas nucleótidos, que suelen denominarse “bases”.
  • Pares de bases de ADN:
    • Guanina (G), citosina (C), adenina (A) y timina (T)
    • G se empareja con C (y viceversa) a través de 3 enlaces de hidrógeno.
    • A se empareja con T (y viceversa) a través de 2 enlaces de hidrógeno.
    • Estos pares de bases pueden “leerse” como una cadena de letras (e.g., GTATCGA).
    • Esta cadena de letras es el “código” o manual de instrucciones, que se utiliza en última instancia para crear proteínas.
  • Las hebras de ADN:
    • Debido a la orientación de los azúcares, 1 hebra va en dirección 5’ → 3’ mientras que la otra va en dirección 3’ → 5’.
    • Hebra codificante: la hebra que contiene el código genético primario
    • Hebra molde:
      • La hebra opuesta a la hebra codificante: contiene los pares de bases “opuestos” a los de la hebra codificante
      • Esta es la hebra que se lee durante la transcripción.
  • Surcos:
    • La hélice del ADN es asimétrica al rotar.
    • Esta rotación crea surcos mayores y menores entre los bucles.
    • El surco mayor es lo suficientemente amplio como para que muchas proteínas reguladoras puedan unirse directamente al ADN a través de este espacio.
  • El ADN está cargado negativamente (debido a las moléculas de fosfato).

ARN

Estructura general:

  • Una molécula monocatenaria formada por moléculas alternas de ribosa (un azúcar de 5 carbonos) y fosfato
  • Cada ribosa está unida a un nucleótido de ARN:
    • Guanina (G), citosina (C), adenina (A) y uracilo (U)
    • Obsérvese que, en lugar de la timina, A se une al U (y viceversa) mediante 2 enlaces de hidrógeno.

Tipos de ARN:

  • ARNm:
    • Se crea durante la transcripción a partir de la hebra molde del ADN en el núcleo
    • Se traslada al citosol para ser traducido en polipéptidos por los ribosomas
  • ARN ribosomal (ARNr): componente de los complejos ribosómicos responsables de la síntesis de proteínas
  • ARN de transferencia (ARNt): lleva los aminoácidos al ribosoma, donde se unen al ARNm, alineando los aminoácidos que se unirán para formar el polipéptido
La traducción y el papel del arnt

La interacción entre el ARNm, el ARNt y los aminoácidos durante la síntesis de péptidos (i.e., la traducción)

Imagen por Lecturio.

Inicio de la Transcripción

La transcripción comienza en una región conocida como el promotor. Una enzima llamada ARN polimerasa lee la hebra molde de ADN y crea el ARNm. Para que la ARN polimerasa se una a la secuencia promotora en las eucariotas se necesitan otras proteínas, conocidas como factores de transcripción.

Secuencias promotoras

Los promotores son regiones ricas en A y T, que señalan el punto de partida de la transcripción:

  • Generalmente, se encuentran justo antes del gen diana
  • Es el sitio de unión de la ARN polimerasa
    • Requiere múltiples factores de transcripción en las eucariotas
    • Solo requiere el factor sigma en procariotas
  • Permiten que la ARN polimerasa determine cuál hebra es la hebra codificante y cuál es la hebra molde en función de la orientación de la secuencia
  • Caja TATA: un promotor común
    • Los enlaces A-T son más débiles que los enlaces G-C.
    • Las regiones ricas en A-T se separan más fácilmente, permitiendo el acceso a la hebra molde.
  • Las mutaciones en el promotor conducen a una disminución de la transcripción.
Diagrama de una secuencia promotora

Diagrama de una secuencia promotora:
El -35 y el -10 indican que hay 35 y 10 bases, respectivamente, hasta el punto de partida.

Imagen por Lecturio.

ARN polimerasas

Las ARN polimerasas son enzimas que leen la hebra molde del ADN y crean una hebra de ARNm correspondiente. Se componen de múltiples subunidades.

Células procariotas:

  • Tienen solo 1 tipo de ARN polimerasa
  • Requieren una sola proteína, conocida como factor sigma, para unirse a la secuencia del promotor

Células eucariotas:

  • Hay 3 tipos:
    • La ARN polimerasa I (pol I) sintetiza el ARNr.
    • La ARN polimerasa II (pol II) sintetiza el ARNm.
    • La ARN polimerasa III (pol III) sintetiza el ARNt.
  • Se necesitan múltiples factores de transcripción para unirse al ADN en la secuencia promotora (la ARN pol II no puede unirse al ADN por sí sola).

Factores de transcripción

Los factores de transcripción son proteínas que se unen a la región promotora y son necesarios para que la ARN pol II se una al ADN en las eucariotas.

  • Cada factor de transcripción ayuda a regular la expresión de los genes.
  • Factor de transcripción TFIID:
    • Contiene la proteína de unión a la caja TATA
    • Entre los factores de transcripción más importantes requeridos para ensamblar el complejo de iniciación
  • Complejo de iniciación: el complejo de factores de transcripción y ARN pol II en la secuencia promotora
  • Una vez que el complejo de iniciación se ensambla en el promotor, la transcripción puede comenzar.
Ensamblaje del complejo de iniciación arn

Ensamblaje del complejo de iniciación:
Fijación de los factores de transcripción y de la ARN polimerasa II a la secuencia promotora. Otros factores de transcripción se unen para formar el complejo de iniciación. La ARN polimerasa II se une y comienza la transcripción.

Imagen por Lecturio.

Elongación de la Transcripción

Después de que el complejo de iniciación se ensambla en el promotor, la elongación de la transcripción puede comenzar. Esta es la fase durante la cual se crea el ARNm.

  • Se produce dentro de la burbuja de transcripción
  • Después de la iniciación, se reúnen otros factores de elongación:
    • Proteínas adicionales que ayudan a «empujar» la ARN pol II
    • Sitios adicionales de regulación transcripcional
  • Los nucleótidos coincidentes se introducen en la ARN polimerasa:
    • Traídos como trifosfatos de nucleótidos: ATP, UTP, GTP, CTP
    • Estos nucleótidos «traen consigo su propia energía».
  • La enzima construye una nueva hebra de ARNm creando enlaces fosfodiéster entre estos nucleótidos.
  • La ARN pol II lee el molde de ADN de 3’ a 5’ → produce ARNm de 5’ a 3’
  • El ARN se sintetiza según las reglas de emparejamiento de bases: las purinas se emparejan con las pirimidinas:
    • Adenina (purina) ↔ uracilo (pirimidina)
    • Guanina (purina) ↔ citosina (pirimidina)
  • Se forma una hélice híbrida temporal de ADN-ARN.
  • La ARN pol II continúa hasta que la maquinaria de transcripción encuentra una secuencia terminadora de ADN.
Proceso de transcripción y síntesis del arnm

La ARN polimerasa lee la hebra molde del ADN (azul claro)

Imagen por Lecturio.

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Terminación de la Transcripción

Terminación independiente del factor

La terminación independiente del factor se produce cuando la maquinaria de transcripción alcanza una secuencia de terminación.

  • Primero viene un palíndromo rico en GC:
    • Hace que el ARN recién producido forme un par de bases consigo mismo, creando una estructura de horquilla
    • La estructura de horquilla comienza a desestabilizar el complejo ADN-ARN.
  • Luego vienen 4 o más uracilos seguidos:
    • Los enlaces U-A son más débiles que los enlaces G-C
    • Estos enlaces son incapaces de mantener el ARN en el ADN → el ARNm se desprende
Formación de una estructura de horquilla al final de la transcripción

Formación de una estructura de horquilla al final de la transcripción:
La ARN polimerasa libera el ADN una vez que alcanza la secuencia terminadora. La horquilla está formada por una serie de pares de bases G-C seguidos de pares de bases A-T.

Imagen por Lecturio.

Terminación dependiente de Rho

  • La proteína Rho se une a la cola del nuevo ARN
  • Utilizando la energía de la hidrólisis del ATP, la proteína Rho “sube” por la cola más rápido de lo que se mueve la ARN polimerasa y “alcanza” a la ARN polimerasa en el momento adecuado.
  • Provoca la disociación del ARN y la ARN polimerasa del molde de ADN
  • Puede ocurrir además de la terminación causada por la secuencia terminadora

Modificación Post-transcripcional

Una vez que el ARNm se sintetiza en las eucariotas, se modifica para evitar su degradación inmediata. Estas modificaciones incluyen el empalme, la formación de la caperuza y la poliadenilación.

Empalme

  • Los intrones no codificantes son empalmados por los espliceosomas (complejos enzimáticos de ribonucleoproteínas)
  • A partir de un solo gen se pueden producir múltiples proteínas diferentes con el empalme diferencial

Formación de la caperuza

Durante la formación de la caperuza, se añade una guanosina metilada (m7G) al extremo 5′ del ARNm:

  • Impide que el ARNm se una a otras cadenas de ARN
  • Protege el ARNm de la degradación
  • Promueve la translocación del ARNm del núcleo al citoplasma
  • Facilita la unión del ARNm al ribosoma para iniciar la traducción

Poliadenilación

Durante la poliadenilación, se añade una cola de moléculas de adenina al extremo 3′ del ARNm:

  • Denominada «cola de poliA»
  • Estabiliza el ARNm

Relevancia Clínica

  • Intoxicación por hongo de la muerte: estos hongos contienen una toxina llamada α-amantina, que inhibe la función de la ARN polimerasa II. La intoxicación con α-amantina es mortal.
  • Análogos de los nucleósidos: inhibidores competitivos de los nucleósidos, que provocan la terminación de una cadena de nucleósidos en crecimiento cuando son incorporados por la polimerasa: los análogos de los nucleósidos se utilizan en el tratamiento del VIH (e.g., la azidotimidina) y en la quimioterapia.
  • Regulación de la transcripción: hay miles de factores de transcripción, cofactores y reguladores de la cromatina que participan en la regulación de la transcripción. Hay muchos trastornos asociados a la regulación anormal de la transcripción, como el cáncer, las enfermedades autoinmunes, los trastornos neurológicos, las enfermedades cardiovasculares y la obesidad, por nombrar algunos.

Referencias

  1. Griffiths AJF, Miller JH, Suzuki DT, et al. (2000). Transcription and RNA polymerase — an introduction to genetic analysis. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22085/
  2. Lee TI, Young RA. (2013). Transcriptional regulation and its misregulation in disease. Cell 152:1237–1251. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.02.014
  3. Christensen K, Hulick PJ. (2020). Basic genetics concepts: DNA regulation and gene expression. UpToDate. Retrieved April 15, 2021, from https://www.uptodate.com/contents/basic-genetics-concepts-dna-regulation-and-gene-expression 

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