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Regulación de la Transcripción

La transcripción es el proceso por el cual el ácido desoxirribonucleico (ADN) se utiliza como plantilla para fabricar ácido ribonucleico mensajero (ARNm) mediante una enzima llamada ácido ribonucleico (ARN) polimerasa. La transcripción es un paso importante en la expresión de los genes y, como tal, está muy regulada. En los procariotas, los genes se agrupan en secuencias de ADN, conocidas como operones, que pueden ser inducidos o reprimidos para regular la expresión de estos genes juntos. La regulación en los eucariotas es mucho más complicada e implica una serie de factores de transcripción y secuencias reguladoras del ADN. Los mecanismos epigenéticos, incluido el modo de empaquetar el ADN, también desempeñan un papel en la regulación de la transcripción al controlar qué segmentos de ADN están disponibles para la ARN polimerasa.

Última actualización: 20 Abr, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Descripción General

Revisión de la transcripción

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 plantilla para fabricar ARNm.
  • ARN polimerasa: enzima que “lee” la cadena plantilla de ADN y crea el ARNm
  • Secuencia promotora: secuencias de ADN justo antes del gen objetivo que indican el lugar de inicio y la dirección del gen

ADN:

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

  • Los “lados” de cada escalera están formados por moléculas alternas de desoxirribosa (un azúcar de 5 carbonos) y de fosfato.
  • Los “peldaños” de la escalera están formados por moléculas pares que contienen nitrógeno, llamadas nucleótidos, y 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.
  • Surcos:
    • La hélice del ADN es asimétrica al girar.
    • Esta rotación crea surcos mayores y menores entre las espirales
    • El surco mayor es lo suficientemente ancho como para que muchas proteínas reguladoras pueden unirse directamente al ADN a través de este espacio.

ARN:

  • 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)
    • Observe que, en lugar de la timina, la A se une al U (y viceversa) mediante 2 enlaces de hidrógeno.
Transcripción ácidos nucleicos

Estructura del ARN y del ADN

Imagen por Lecturio.

Descripción general de la regulación de la transcripción

  • Muchos tipos diferentes de señales pueden influir en la transcripción o no de un determinado gen. Algunos ejemplos de estas señales son:
    • Hormonas
    • Enzimas
    • Agentes farmacéuticos
    • La presencia o ausencia de determinados nutrientes u otras moléculas (e.g., lactosa o triptófano)
  • Mecanismos de regulación de la transcripción:
    • Control del acceso de la polimerasa a la secuencia de ADN objetivo mediante:
      • Factores de transcripción
      • Potenciadores y represores
      • Empaquetamiento de ADN
    • Control de la elongación del ARN mediante factores/activadores de elongación
    • Control de la terminación de la polimerasa
  • Regulación positiva:
    • La expresión de los genes aumenta.
    • Utiliza reguladores positivos, activadores o potenciadores
  • Regulación negativa:
    • La expresión de los genes disminuye.
    • Utiliza reguladores negativos, represores o aislantes.

Proteínas Reguladoras

La regulación de la transcripción está mediada en parte por proteínas reguladoras que pueden unirse al ADN en su forma helicoidal (el desenrollado no es necesario) y regular la actividad transcripcional de la ARN polimerasa.

Descripción general de las proteínas reguladoras

  • Regulan la transcripción uniéndose a secuencias reguladoras del ADN:
    • Promotores
    • Secuencias potenciadoras
    • Secuencias aisladoras
  • Las proteínas reguladoras tienen diferentes dominios:
    • Dominio de unión al ADN: porción de la proteína que se une al ADN
    • Dominio funcional: porción de la proteína que interactúa con el ADN y/o con otras proteínas para llevar a cabo su función
  • Las proteínas reguladoras suelen contener 1 de los 3 principales motivos de unión al ADN:
    • Hélice–giro–hélice
    • Dedos de zinc
    • Cremalleras de leucina

Hélicegirohélice

Las proteínas reguladoras con el motivo de unión al ADN hélice–giro–hélice tienen las siguientes características:

  • Estructura: 2 segmentos helicoidales orientados perpendicularmente y conectados entre sí mediante un segmento de proteína en bucle
  • El segmento de bucle contiene el dominio funcional
  • Las proteínas se unen al ADN a través del surco principal
  • A menudo trabajan en pares
  • Un subgrupo de proteínas de hélice–giro–hélice se conoce como proteínas de homeodominio, que son proteínas reguladoras a menudo implicadas en el desarrollo.
2 proteínas reguladoras de hélice-giro unidas al adn en el surco mayor

2 proteínas reguladoras de hélice–giro–hélice unidas al ADN en el surco mayor

Imagen por Lecturio.

Dedo de zinc

  • 3 estructuras en forma de dedo interactúan con el ADN a través del surco principal.
  • Utiliza el zinc para asociarse estrechamente con el ADN
  • Este mismo motivo se observa en los receptores de esteroides, que contienen un dominio de dedos de zinc → permite que los receptores activados se unan directamente al ADN y afecten directamente a la transcripción
El motivo de unión del dedo de zinc

El motivo de unión de los dedos de zinc:
A menudo se utiliza en los mecanismos de unión de los receptores de esteroides

Imagen por Lecturio.

Cremallera de leucina

Las cremalleras de leucina están formadas por 2 proteínas, cada una de las cuales contiene una subunidad helicoidal y una subunidad hidrofóbica.

  • Las subunidades helicoidales:
    • Entran en el ADN a través del surco mayor
    • Se asocian con los extremos opuestos del ADN dentro del surco
  • Las subunidades hidrofóbicas:
    • Permanecen fuera del ADN (porque el ADN es hidrofílico)
    • Contienen moléculas de leucina que juntan las dos proteínas como una “cremallera”
  • Otras partes de las proteínas contienen dominios funcionales que pueden interactuar con el ADN o las proteínas circundantes.
El lema de unión de la leucina a la cremallera

El motivo de unión de la cremallera de leucina:
Tiene 2 subunidades que se cierran juntas

Imagen por Lecturio.

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Regulación de la Transcripción en Procariotas

Descripción general

  • La expresión de los genes procariotas se regula principalmente en la transcripción.
  • Los genes procariotas se organizan en grupos llamados operones.
  • La regulación de la transcripción se realiza principalmente mediante la inducción o la represión de los operones.
  • Los genes están siempre activados en ausencia de otros factores (e.g., represores)

Operones

Los operones son grupos de genes co-regulados más todos los componentes que se unen para regular esos genes. Los operones contienen 2 regiones primarias de secuencias de ADN:

  • La región reguladora contiene:
    • Promotor: se une al factor sigma y a la ARN polimerasa para iniciar la transcripción
    • Operador: una secuencia de ADN que puede unirse a un represor
      • Represor: proteínas que impiden que la ARN polimerasa se desplace hacia abajo del gen
      • La transcripción se inhibe cuando los represores se unen a sus operadores
    • Gen regulador: genes de una proteína activadora o represora
    • Promotor del gen regulador
  • Región de codificación:
    • A menudo contiene múltiples genes para varias proteínas diferentes
    • Estos genes están o todos activados o todos desactivados.
Example of a prokaryotic operon

Ejemplo de un operón procariota:
La expresión de los genes procariotas se regula principalmente en la transcripción.
Los operones son grupos de genes co-regulados en procariotas.

Image por Lecturio.

Operones inducibles

Los operones inducibles son operones que están apagados en el estado “normal” y se encienden bajo ciertas condiciones. Un ejemplo común es el operón lac de Escherichia coli. En circunstancias normales, E. coli utiliza la glucosa para obtener energía. Cuando la glucosa no está disponible y/o la lactosa está presente, la presencia de lactosa induce el operón lac:

  • Región codificante: contiene genes que participan en el metabolismo de la lactosa
  • La región reguladora codifica para:
    • Un represor
    • Un activador: proteína activadora por catabolitos
Operón lac

Operón Lac:
En presencia de lactosa, la expresión se activa.

Imagen por Lecturio.

Regulación génica a través del represor lac:

  • La lactosa impide la unión del represor a la secuencia del operador
  • En presencia de lactosa: el represor es incapaz de unirse → puede producirse la transcripción de los genes
  • Cuando no hay lactosa: el represor se une a la secuencia operadora → se inhibe la transcripción porque se bloquea la ARN polimerasa
  • Por lo tanto, la presencia de lactosa induce la transcripción de los genes del metabolismo de la lactosa

Regulación de genes a través de la proteína activadora por catabolitos:

  • Cuando la glucosa es baja: se produce la proteína activadora por catabolitos → se une a la región potenciadora (véase “Secuencias potenciadoras” más adelante) → activa/acelera la transcripción
  • Cuando la glucosa es abundante: no se produce la proteína activadora por catabolitos → no se potencia la transcripción

Operones reprimibles

Son operones que están encendidos en el estado “normal” y se apagan bajo ciertas condiciones. El operón trp es un ejemplo común:

  • La región de codificación contiene varios genes que codifican las enzimas necesarias para la síntesis del triptófano.
  • La región reguladora codifica un represor
    • El represor necesita triptófano para activarse.
    • Sin triptófano, el represor está inactivo.

El estado por defecto es que el operón esté activado y produciendo triptófano.

  • Cuando el triptófano está presente:
    • El triptófano se une a su represor → el represor se activa
    • El represor se une a su operador → impide la transcripción
    • Resultado: la presencia de triptófano desactiva los genes que producirían más triptófano.
  • Cuando el triptófano no está presente:
    • No hay triptófano que se una al represor → el represor está inactivo
    • El represor no puede unirse al operador → se produce la transcripción
    • Resultado: cuando no hay triptófano, se transcriben los genes que codifican las enzimas para sintetizar triptófano.
Operón trp

Operón trp: El triptófano activa el represor.

Imagen por Lecturio.

Regulación de la Transcripción en Eucariotas

Descripción general

  • La regulación de la transcripción en los eucariotas es más compleja que en los procariotas porque el desarrollo de los eucariotas es mucho más complicado.
  • Los genes eucariotas están siempre apagados en ausencia de una multitud de factores de transcripción que deben ser reclutados.
  • La expresión de los genes eucariotas se regula en cada paso de la vía:
    • Empaquetamiento del ADN en la cromatina
    • Transcripción
    • Modificación postranscripcional
    • Traducción
    • Modificación y degradación de proteínas
  • La transcripción está regulada principalmente por:
    • Factores de transcripción
    • Secuencias reguladoras del ADN

Factores de transcripción

Factor de transcripción es un término genérico para las proteínas necesarias para la transcripción. Cada uno de estos factores contribuye a regular la expresión de los genes.

  • Factores de transcripción generales:
    • Se unen a la secuencia promotora
    • Son necesarios para la unión de la ARN polimerasa II al ADN para iniciar la transcripción
  • Complejo de iniciación:
    • Cuando se unen el complejo de factores de transcripción y ARN polimerasa II en la secuencia promotora
    • Una vez que el complejo de iniciación se ensambla en el promotor, la transcripción puede comenzar.
  • Factores asociados a la transcripción: proteínas específicas que actúan de forma dependiente del tiempo o del tejido para iniciar la transcripción

Secuencias potenciadoras

Las secuencias potenciadoras del ADN ayudan a iniciar o aumentar la transcripción, lo que promueve aún más la expresión de los genes.

  • Estas secuencias pueden unirse a:
    • Proteínas activadoras:
      • Son tipos específicos de factores de transcripción que ayudan a ensamblar y/o interactuar con factores de transcripción en el promotor
      • Cuya función es activar o aumentar la transcripción
    • Proteínas represoras: reprimen la transcripción
  • Suelen estar situadas varios miles de pares de bases antes del gen objetivo
    • Crean un bucle en el ADN cuando interactúan con el promotor
    • Permiten un mayor ajuste de la regulación:
      • Una única secuencia potenciadora puede interactuar con múltiples promotores/genes.
      • Un mismo gen puede interactuar con múltiples secuencias potenciadoras.
  • Secuencias aisladoras: otras secuencias de ADN que pueden impedir que los potenciadores hagan un bucle para interactuar con la región promotora

Epigenética

La regulación epigenética es la regulación de la expresión de los genes que no implica alteraciones en la secuencia del ADN ni en ninguno de sus productos transcritos. La epigenética incluye:

  • Cuán accesible es el ADN para la ARN polimerasa según su empaquetamiento: el ADN se envuelve alrededor de un nucleosoma con una cola de histonas.
  • Modificación de las histonas vía:
    • Acetilación → “desempaca” el ADN y permite la transcripción
    • Metilación → protege las regiones inactivas y evita la transcripción accidental
  • Modificación del nucleosoma:
    • Puede deslizarse hacia arriba y hacia abajo del ADN, cambiando qué ADN es accesible para la transcripción
    • Se puede remodelar
    • Puede retirarse temporalmente

Referencias

  1. Cooper GM (Ed.). (2000). The cell: a molecular approach. In Regulation of Transcription in Eukaryotes, 2nd ed. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9904/
  2. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (Ed.) (2000). Molecular cell biology. In The Three Roles of RNA in Protein Synthesis, 4th ed. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21603/
  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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