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Modificaciones Postranscripcionales (Procesamiento del ARN)

Las modificaciones postranscripcionales son procesos que facilitan la generación de ácido ribonucleico (ARN) maduro y funcional. Estos mecanismos reguladores de rápida respuesta permiten que se produzcan diferentes proteínas a partir de un mismo gen y actúan como reguladores del fenotipo y de la tasa de proliferación. Estas modificaciones también desempeñan un papel en algunas formas de cáncer y enfermedades neurodegenerativas. El ARN pre-mensajero (ARNm), llamado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn), se modifica añadiendo una caperuza de 7-metilguanosina en 5' y una cola de poli-A (poliadenilato) 3' para su estabilidad y protección. Además, los ARNhn que contienen intrones (secuencias no codificantes) entre las secuencias expresadas o los exones se someten a empalme. Este proceso elimina los intrones para producir un ARNm maduro que lleva la secuencia codificante para la traducción. El empalme alternativo, por su parte, también excluye los intrones, pero se enlazan combinaciones variables de exones, produciendo proteínas diferentes del ARNm original. En la edición del ARN, la secuencia del ARNm se altera y difiere de la plantilla de ADN transcrita. El ARN de transferencia y el ARN ribosómico parten de moléculas precursoras más largas y pasan por etapas que incluyen la metilación, el recorte y la adición de nucleótidos.

Última actualización: 15 Mar, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Descripción General

Transcripción

La información genética del ácido desoxirribonucleico (ADN) se copia en el ARN mensajero (ARNm).

  • En este proceso, el ARNm se sintetiza desde el extremo 5′ hasta el extremo 3′.
  • El transcrito inicial se conoce como ARN heterogéneo nuclear (ARNhn) o pre-ARNm.
Expresión de genes a partir del adn

La expresión de los genes a partir del ADN, la secuencia genética, se transcribe en el ARN (transcripción):
La transcripción de la información genética es el primer paso en la expresión de los genes y es el proceso mediante el cual una región codificante del ADN (estructura de doble cadena) se utiliza como plantilla para la síntesis del ARN mensajero (ARNm). El ARNm maduro se traduce en aminoácidos, formando proteínas (traducción) con la ayuda del ARN ribosomal y el ARN de transferencia (ARNt). Esta imagen muestra la transcripción sin modificaciones post-transcripcionales del ARN.

Imagen por Lecturio.

Modificaciones

Los transcritos primarios, o productos inmediatos de la transcripción, sufren alteraciones para convertirse en biológicamente funcionales.

  • ARNm:
    • Procariotas: La mayoría de los ARNm primarios no tienen modificaciones.
    • Eucariotas: El transcrito sintetizado del ARNm (o ARNhn) se procesa antes de salir del núcleo.
      • Adición de la caperuza 5′
      • Adición de la cola de poli-A 3′
      • Empalme
    • La modificación del ARNhn produce un ARNm maduro, que es transportado al citoplasma a través de los poros nucleares.
    • En algunos casos, la edición del ARN se produce con sustituciones de bases, creando una secuencia diferente a la copiada del ADN.
    • Una secuencia diferente de ARNm produce una proteína diferente; esto varía de la antigua hipótesis de “un gen-un polipéptido”.
  • ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr):
    • Moléculas estructurales que no se traducen
    • Ambos tienen pre-ARNt y pre-ARNr que se procesan.
Resumen de las modificaciones post-transcripcionales del arnh

Resumen de las modificaciones post-transcripcionales del ARNhn en un ARNm maduro:
La adición de la caperuza 5′ y la cola de poli-A 3′ y el empalme (eliminación de las secuencias intermedias o intrones)

Imagen por Lecturio.

Adición de la Caperuza 5′ y la Cola de Poli-A 3′

Caperuza 5′

La 7-metilguanosina (residuo de guanilo metilado) se añade al extremo 5′ del ARNhn a través de:

  • Eliminación del grupo fosfato líder en la terminal 5′ por la ARN trifosfatasa
  • Transferencia del guanosin monofosfato (GMP, por sus siglas en inglés) del grupo guanosin trifosfato por la guanilil transferasa
  • Metilación de la guanina por la guanina-7-metiltransferasa (grupo metilo de la S-adenosilmetionina)

Funciones:

  • Evita la degradación de la exonucleasa
  • Secuencia de reconocimiento para la traducción

Cola de Poli-A 3′

De 50 a 250 residuos de adenilo adenosin monofosfato (AMP, por sus siglas en inglés) se añaden al extremo 3′ del ARNhn a través de:

  • Escisión de unos 20 nucleótidos a partir de una secuencia de reconocimiento de AAUAA
  • Adición (y extensión de hasta 250 nucleótidos) de la cola de poli-A (generada a partir de adenosin trifosfato (ATP, por sus siglas en inglés)) por la poli-A polimerasa

Función:

  • Evita la degradación en el citosol por las 3′ exoribonucleasas
  • Estabiliza el ARNm
Modificaciones post-transcripcionales del arn

Modificaciones post-transcripcionales del ARN:
Las modificaciones de la caperuza 5′ (7-metilguanosina) y la cola de poli-A 3′ impiden la degradación del ARNm en el citosol.

Imagen por Lecturio.

Empalme de ARN Heterogéneo Nuclear

Exones e intrones

El heterogéneo nuclear (pre-ARNm) contiene:

  • Secciones codificantes llamadas exones (secuencias expresadas)
  • Secciones no codificantes llamadas intrones (secuencias intermedias)

Procesamiento:

  • El ARNhn necesita ser procesado (empalme) para producir el ARNm que lleva las secuencias codificantes adecuadas.
  • Se encuentra en la mayoría de los genes eucariotas, más comúnmente en el ARNm
Exones e intrones del pre-arnm con una visión general del splicing

Exones e intrones del pre-ARNm con una visión general del empalme (de arriba a abajo):
El transcrito del pre-ARNm contiene exones e intrones. Las interacciones del transcrito con las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas y otras proteínas forman un espliceosoma en determinadas uniones del transcrito. Se realizan cortes en los sitios de empalme y se libera el intrón. El ARN empalmado ahora solo tiene exones, que contienen la secuencia codificante.

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Empalme

  • Eliminación de los intrones del ARNhn/pre-ARNm, mientras se unen los exones para formar el ARNm maduro
  • En el proceso intervienen el ARNhn y otros componentes adicionales:
    • Ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (que están formadas por ARN nuclear pequeño (ARNnp) y proteínas)
    • Otras proteínas de unión
  • Uniones donde se produce la reacción de empalme:
    • Sitios de empalme:
      • Zonas de corte entre el exón y el intrón
      • Las secuencias de bases identifican estos sitios, uno en el lado 5′ (comienzo del intrón) y el otro en el lado 3′ (final del intrón).
      • Sitio de empalme 5’/donador: GU invariable
      • Sitio de empalme 3’/aceptor: AG invariable
    • Sitio de ramificación: situado ascendente al sitio 3′
  • Mecanismo:
    1. Las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas reconocen los sitios de empalme y el sitio de ramificación debido a las secuencias de bases en el ARNhn.
    2. El ARNhn, las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas y otras proteínas se combinan para formar el espliceosoma.
    3. El complejo del espliceosoma realiza un corte en el sitio de empalme del donador 5′ (se produce a través de un ataque nucleofílico por un residuo de adenilo en el sitio de ramificación).
    4. El extremo 5′ del intrón, ahora libre, se une al sitio de ramificación, formando una estructura de bucle o lazo.
    5. Se reconoce el sitio de empalme 3′, y el segundo corte se produce allí. A continuación se libera el lazo, y los 2 exones se unen para formar el ARN maduro
  • Se produce simultáneamente con las modificaciones del ARNhn de la caperuza 5′ y de la cola de poli-A 3′
  • Afecciones relacionadas:
    • β-Talasemia:
      • Contiene defectos en el empalme del ARNm del gen de la β-globina
      • Las mutaciones homocigóticas significativas (talasemia mayor) provocan una anemia dependiente de las transfusiones
    • Atrofia muscular espinal:
      • Falta de funcionamiento del gen SMN1 debido a una mutación
      • El SMN2 restante es incapaz de compensar debido al defecto en el empalme del pre-ARNm (omisión del exón 7).
Aspectos técnicos del empalme

Aspectos técnicos del empalme:

El pre-ARNm/ARNhn está formado por exones e intrones. Las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas + otras proteínas reconocen el sitio de ramificación y las uniones exón–intrón donde cortar: el sitio donador 5′ (que contiene la secuencia invariable GU) y el sitio aceptor 3′ (que contiene la secuencia invariable AG). El transcrito del ARNhn + las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas + otras proteínas se combinan en estos sitios y forman el espliceosoma.
Imagen superior: Con la ayuda de las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNPs), el primer corte lo realiza el residuo adenil (en el sitio de ramificación) mediante un ataque nucleofílico en el sitio donador 5′.
Imagen central: El extremo 5′ libre forma entonces un enlace con el sitio de ramificación (formando la estructura de lazo).
Imagen inferior: El segundo corte se realiza en el sitio 3′ del intrón y los exones se unen.

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Empalme alternativo

  • Empalme diferencial de una secuencia de ARNhn
  • Mecanismos:
    • Los exones se incluyen o excluyen selectivamente.
    • Se utilizan sitios alternativos donador 5′ o aceptor 3′.
    • Los sitios de poliadenilación pueden ser diferentes.
  • Hasta el 95% de los genes de varios exones sufren empalme alternativo para codificar proteínas con diferentes funciones celulares.
  • El empalme alternativo es un paso de regulación de respuesta rápida, necesario para ajustar la síntesis de proteínas y, por tanto, determinar los fenotipos celulares y las tasas de proliferación.
  • Aproximadamente el 15% de las enfermedades hereditarias y los cánceres están asociados al empalme alternativo.
  • Diferentes combinaciones de exones pueden conducir a la creación de diferentes proteínas relacionadas a partir del mismo ARNhn:
    • Moléculas de inmunoglobulina (los genes de las cadenas pesadas tienen exones relacionados con los subtipos individuales)
    • Variantes de la tropomiosina en el músculo
    • Receptores de dopamina en el cerebro (receptores D2 con 2 isoformas)
Ejemplos de empalmes alternativos

Ejemplos de empalmes alternativos:
Proteína A: Los exones 1–5 se unieron tras el empalme de los intrones.
Proteínas B y C: Se excluyó selectivamente un exón para formar una proteína diferente.

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Edición de ARN

Generalmente, la secuencia de ADN se refleja en el ARNm maduro. La alteración de la secuencia o la edición del ARN es una excepción.

Definición

  • Un cambio en la información de codificación después de la transcripción hace que la secuencia de ARN difiera de la de su ADN original.
  • Se cree que contribuye a la regulación genética
  • Procesos:
    • Sustitución de bases
    • Deleción de bases
    • Inserción de bases

Sustitución de bases

Edición de C a U:

  • Gen de la apolipoproteína B (apoB): El mismo gen codifica la ApoB100 (sintetizada en el hígado) y la ApoB48 (sintetizada en el intestino).
  • En el intestino:
    • Desaminación de la citosina (a uracilo) catalizada por la enzima citidina deaminasa.
    • Codón CAA (citidina-adenina-adenina) (en el ARNm) → UAA (uridina-adenina-adenina), una señal de terminación o un codón de parada
  • Como resultado de esta edición:
    • La ApoB100 es una proteína de 100-kDa compuesta por 4536 aminoácidos.
    • La ApoB48 es una proteína acortada de 48-kDa compuesta por 2152 aminoácidos.
    • El cambio produce ApoB48, que carece del dominio C-terminal de ApoB100 (responsable de la unión al receptor de lipoproteínas de baja densidad (LDL, por sus siglas en inglés)).

Edición de A a I:

  • Afecta a sustratos de ARN de doble cadena
  • Desaminación de la adenina (a hipoxantina) catalizada por las ADAR (adenosina deaminasa que actúa sobre el ARN)
  • Las adenosinas se convierten en inosinas, lo que da lugar a sustituciones de base A a G
  • Genera sitios de empalme alternativos

Inserciones/deleciones

  • Ocurren en tripanosomas y protozoos relacionados, afectando al ARNm mitocondrial
  • Implica la adición o deleción de uridina

Procesamiento del ARN Ribosómico y del ARN de Transferencia

ARN ribosómico

  • En procariotas:
    • Como se ha estudiado en Escherichia coli, 3 tipos de ARNr (5S, 16S y 23S) tienen transcritos primarios policistrónicos.
    • Procesamiento inicial del transcrito mediante el corte endonucleolítico por las RNasas → pre-ARNr
    • Los extremos 5′ y 3′ del pre-ARNr son recortados por otro conjunto de RNasas.
    • La metilación se produce durante el ensamblaje de los ribosomas para protegerlos de la degradación.
  • En los eucariotas, el transcrito primario es una gran molécula precursora 45S:
    • Contiene moléculas de ARNr (28S, 18S y 5,8S) con secuencias espaciadoras entre ellas
    • Se procesa en el nucleolo:
      • Por metilación en numerosos sitios (facilitada por ARN nucleolares pequeños (ARNnop))
      • A continuación, mediante la escisión y el recorte del ARN
    • El cuarto tipo de ARNr, el 5S, se procesa por separado.
    • Los ARNr maduros resultantes, que se asocian con otras proteínas, se convierten en el andamio de las unidades ribosomales en el citoplasma.
  • Algunos ARNr eucariotas tienen intrones, y en ellos, los pre-ARNr se autoempalman (actúan como ribozimas).

ARN de transferencia

  • El ARN de transferencia es un polinucleótido único formado por una media de 75 nucleótidos con características únicas:
    • Debido a un plegado distinto, el extremo 5′ y el extremo 3′ forman el tallo aceptor.
    • El extremo 3′ también tiene una secuencia CCA (citosina-citosina-adenina).
    • Tiene bases modificadas como la inosina, la dihidrouridina y la pseudouridina
  • El ARNt precursor contiene:
    • Nucleótidos adicionales en los extremos 3′ y 5′
    • Intrones
  • El procesamiento implica:
    • Eliminación de los nucleótidos e intrones extra
    • Modificación de bases estándar (como la metilación y la desaminación)
    • Utiliza la RNasa P (una ribozima) para formar el extremo 5′
    • Adición de CCA en el extremo 3′ por la nucleotidiltransferasa del ARNt
Arn de transferencia (arnt)

Estructura secundaria del ARN de transferencia (ARNt). Observe que toda la secuencia puede ser vista, lo que indica su tamaño reducido.

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Referencias

  1. Helm M. (2006). Post-transcriptional nucleotide modification and alternative folding of RNA. Nucleic Acids Research 34(2):721–733. https://doi.org/10.1093/nar/gkj471
  2. Weil P. (2018). RNA synthesis, processing, & modification. Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil P (Eds.), Harper’s Illustrated Biochemistry, 31st ed. New York: McGraw-Hill.
  3. Jiang W, Chen L. (2020). Alternative splicing: human disease and quantitative analysis from high-throughput sequencing. Computational and Structural Biotechnology Journal 19:183–195. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.12.009
  4. Anna A, Monika G. (2018). Splicing mutations in human genetic disorders: examples, detection, and confirmation. Journal of Applied Genetics 59(3):253–268. https://doi.org/10.1007/s13353-018-0444-7

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