6.2: La transcripción de ADN en ARN

La mayoría de los genes se expresan como las proteínas que codifican. El proceso se realiza en dos etapas:

• Transcripción = ADN → ARN
• Traducción = ARN → proteína

Figura 6.2.1: Aquí hay una visión general del dogma central.

Transcripción génica: ADN → ARN

El ADN sirve como molde para la síntesis de ARN tanto como lo hace para su propia replicación.

Los pasos de la transcripción

• Unos 50 factores de transcripción de proteínas diferentes se unen a sitios promotores, generalmente en el lado 5' del gen a transcribir.
• Una enzima, una ARN polimerasa, se une al complejo de factores de transcripción.
• Trabajando juntos, abren la doble hélice del ADN.
• La ARN polimerasa procede a leer una cadena moviéndose en su dirección 3'→ 5'.
• En los eucariotas, esto requiere —al menos para los genes que codifican proteínas— que se eliminen los nucleosomas frente a la ARN polimerasa que avanza (Pol II). Un complejo de proteínas es el responsable de ello. El mismo complejo reemplaza a los nucleosomas después de que el ADN ha sido transcrito y Pol II ha avanzado.
• A medida que la ARN polimerasa viaja a lo largo de la cadena de ADN, ensambla nucleótidos ribo (suministrados como trifosfatos, por ejemplo, ATP) en una cadena de ARN.
• Cada ribonucleótido se inserta en la cadena de ARN en crecimiento siguiendo las reglas de emparejamiento de bases. Así, por cada C que se encuentra en la cadena de ADN, se inserta una G en el ARN; para cada G, una C; y para cada T, una A. Sin embargo, cada A en el ADN guía la inserción del uracilo de pirimidina (U, de uridina trifosfato, UTP). No hay T en el ARN.

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• La síntesis del ARN procede en la dirección 5′ → 3′.
• A medida que se introduce cada trifosfato de nucleósido para agregarlo al extremo 3' de la cadena en crecimiento, se eliminan los dos fosfatos terminales.
• Cuando se completa la transcripción, el transcrito se libera de la polimerasa y, poco después, la polimerasa se libera del ADN.

Tenga en cuenta que en cualquier lugar de una molécula de ADN, cualquiera de las cadenas puede estar sirviendo como plantilla; es decir, algunos genes “corren” de una manera, de otra (y en algunos casos notables, ¡el mismo segmento de doble hélice contiene información genética sobre ambas hebras!). En todos los casos, sin embargo, la ARN polimerasa transcribe la cadena de ADN en su dirección 3'→ 5'.

Un reporte en la edición del 4 de enero de 2001 de Nature muestra que la ARN polimerasa en realidad rastrea alrededor de la doble hélice del ADN. In vitro, al menos, cuando se inmoviliza la ARN polimerasa, gira la molécula de ADN alrededor y alrededor a medida que se mueve a lo largo de la molécula. Queda por determinar si es la polimerasa o el ADN el que hace el hilado in vivo.

Tipos de ARN

Figura 6.2.1 Patrón de sedimentación del ARN

Patrón de sedimentación producido por centrifugación a alta velocidad de ARN extraído de los precursores de glóbulos rojos de conejo. Las bandas discretas representan clases particulares de ARN. La banda de ARN de transferencia a aproximadamente 4S. Los ARN ribosómicos de eucariotas se sedimentan a 5S, 5.8S, 18S y 28S. (Cuanto mayor es la unidad de sedimentación, S, mayor es la molécula, pero no proporcionalmente). El ARN que forma la banda a 9S es el ARN mensajero para la síntesis de hemoglobina, la principal proteína sintetizada en estas células. En la mayoría de los tipos de células, los ARN mensajeros son extremadamente heterogéneos, con pequeñas cantidades distribuidas de 6S a 25S.

En el núcleo de las células eucariotas se sintetizan varios tipos de ARN.

• ARN mensajero (ARNm)
• ARN ribosómico (ARNr)
• ARN de transferencia (ARNt)
• ARN nuclear pequeño (ARNsn)
• ARN nucleolar pequeño (SNORNa)
• MicroARN (miARN). Se trata de moléculas de ARN diminutas (~22 nucleótidos) que regulan la expresión de moléculas de ARN mensajero (ARNm).
• ARN largo no codificante (LncRNA)

ARN mensajero (ARNm)

El ARN mensajero se traducirá en un polipéptido. El ARN mensajero viene en una amplia gama de tamaños que reflejan el tamaño del polipéptido que codifica. La mayoría de las células producen pequeñas cantidades de miles de moléculas de ARNm diferentes, cada una para ser traducidas en un péptido que necesita la célula. Muchos ARNm son comunes a la mayoría de las células, codificando proteínas “constitutivas” que necesitan todas las células (por ejemplo, las enzimas de la glucólisis). Otros ARNm son específicos solo para ciertos tipos de células. Estos codifican proteínas necesarias para la función de esa célula en particular (por ejemplo, el ARNm para la hemoglobina en los precursores de los glóbulos rojos).

ARN ribosómico (ARNr)

Esto se utilizará en la construcción de ribosomas: maquinaria para sintetizar proteínas mediante la traducción de ARNm. Hay 4 tipos. En eucariotas, estos son

• ARNr 18S. Una de estas moléculas, junto con unas 30 moléculas de proteína diferentes, se utiliza para elaborar la subunidad pequeña del ribosoma.
• ARNr 28S, 5.8S y 5S. Una de cada una de estas moléculas, junto con unas 45 proteínas diferentes, se utilizan para elaborar la subunidad grande del ribosoma.

El número S dado cada tipo de ARNr refleja la velocidad a la que las moléculas se sedimentan en la ultracentrífuga. Cuanto mayor sea el número, mayor será la molécula (pero no proporcionalmente). Las moléculas 28S, 18S y 5.8S se producen mediante el procesamiento de un único transcrito primario a partir de un grupo de copias idénticas de un solo gen. Las moléculas 5S se producen a partir de un grupo diferente de genes idénticos.

ARN de transferencia (ARNt)

Estas son las moléculas de ARN que transportan aminoácidos al polipéptido en crecimiento. Hay unos 32 tipos diferentes de ARNt en una célula eucariota típica.

• Cada uno es el producto de un gen separado.
• Son pequeños (~4S), que contienen 73-93 nucleótidos.
• Muchas de las bases en la cadena se emparejan entre sí formando secciones de doble hélice.
• Las regiones desapareadas forman 3 bucles.
• Cada tipo de ARNt lleva (en su extremo 3') uno de los 20 aminoácidos (así la mayoría de los aminoácidos tienen más de un ARNt responsable de ellos).
• En un bucle, 3 bases desapareadas forman un anticodón.
• El emparejamiento de bases entre el anticodón y el codón complementario en una molécula de ARNm lleva el aminoácido correcto a la cadena polipeptídica en crecimiento.

ARN nuclear pequeño (ARNsn)

La transcripción de ADN de los genes para ARNm, ARNr y ARNt produce grandes moléculas precursoras (“transcritos primarios”) que deben procesarse dentro del núcleo para producir las moléculas funcionales para su exportación al citosol. Algunas de estas etapas de procesamiento están mediadas por ARNsn.

Se han identificado aproximadamente una docena de genes diferentes para ARNsn, cada uno presente en múltiples copias. Los ARNsn tienen diversos papeles en el procesamiento de las otras clases de ARN. Por ejemplo, varios ARNsn son parte de los spliceosomas que participan en la conversión del pre-ARNm en ARNm mediante la escisión de los intrones y el corte y empalme de los exones.

ARN nucleolar pequeño (SNORNa)

Como su nombre indica, estos ARN pequeños (60-300 nucleótidos) se encuentran en el nucleolo donde son responsables de varias funciones:

• Algunos participan en la fabricación de ribosomas ayudando a cortar el precursor de ARN grande de las moléculas 28S, 18S y 5.8S.
• Otros modifican químicamente muchos de los nucleótidos en las moléculas de ARNr, ARNt y ARNsn, por ejemplo, añadiendo grupos metilo a la ribosa.
• Algunos han sido implicados en el corte y empalme alternativo de pre-ARNm a diferentes formas de ARNm maduro.
• Un SnorNa sirve como plantilla para la síntesis de telómeros.

En los vertebrados, los SNORNA se hacen a partir de intrones retirados durante el procesamiento del ARN.

MicroARN (miARN)

“Los microARN"” (“" miARN "”) son moléculas de ARN monocatenario que contienen aproximadamente 22 nucleótidos y son aproximadamente del mismo tamaño que los ARNip.” Los microARN se encuentran en todos los animales (los humanos generan unos 1000 miARN) y plantas pero no en hongos. Contienen de 19 a 25 nucleótidos. Ellos son

• codificado en el genoma
  • algunos por genes independientes (que pueden codificar varios miARN)
  • algunas por porciones de un intrón del gen cuyo ARNm regularán.
• se puede expresar en
  • solo ciertos tipos de células y
  • sólo en ciertos momentos en la diferenciación de un tipo celular particular.

Si bien queda por descubrir la evidencia directa de la función de muchos de estos productos génicos recién descubiertos, regulan la expresión génica regulando el ARN mensajero (ARNm), ya sea

• destruir el ARNm cuando las secuencias coinciden exactamente (la situación habitual en las plantas) o
• reprimiendo su traducción cuando las secuencias son sólo una coincidencia parcial.

Los microARN tienen dos rasgos ideales para esto:

• Al ser tan pequeños, se pueden transcribir rápidamente a partir de sus genes.
• No necesitan traducirse en un producto proteico para actuar.

Los microARN regulan (reprimen) la expresión de genes en mamíferos también. El análisis del genoma ha revelado miles de genes humanos cuyos transcritos (ARNm) contienen secuencias a las que uno o más de nuestros miARN podrían unirse. Probablemente cada miARN puede unirse a hasta 200 dianas de ARNm diferentes, mientras que cada ARNm tiene sitios de unión para múltiples miARN. Tal sistema proporciona muchas oportunidades para la traducción coordinada de ARNm

ARN largo no codificante (LncRNA)

Solo el ARN mensajero codifica polipéptidos. Todas las demás clases de ARN se denominan así ARN no codificante. Además de los ARNr, ARNsn y SNRNAs, existe una gran (más de 10,000 en humanos), heterogénea colección de transcritos de más de 200 nucleótidos que se clasifican como lncRNAs. Queda por descubrir la función, en su caso, de la mayoría de éstas.

Sin embargo, se ha encontrado que algunos lncRNAs participan en la regulación de actividades tan diversas como el splicing, la traducción, la impronta y la transcripción. Dos ejemplos:

• El ARN XIST, que contiene miles de nucleótidos, inactiva uno de los dos cromosomas X en vertebrados femeninos.
• Algunos LNcRNAs participan en acercar las regiones potenciadoras y promotoras de los genes (“looping”) para regular la transcripción génica.

Si bien queda mucho por aprender sobre sus funciones, tomados en conjunto los ARN no codificantes probablemente representan tres cuartas partes de la transcripción que se desarrolla en el núcleo.

Las ARN polimerasas

Las ARN polimerasas son enormes complejos proteicos multisubunitarios. Tres tipos se encuentran en eucariotas.

• ARN polimerasa I (Pol I). Transcribe los genes de ARNr para el precursor de las moléculas 28S, 18S y 5.8S (y es la más ocupada de las ARN polimerasas).
• ARN polimerasa II (Pol II; también conocida como RNAP II). Transcribe genes que codifican proteínas en ARNm (y también los genes de ARNsn).
• ARN polimerasa III (Pol III). Transcribe los genes de ARNr 5S y todos los genes de ARNt.

Procesamiento de ARN: pre-ARNm → ARNm

Todos los transcritos primarios producidos en el núcleo deben someterse a etapas de procesamiento para producir moléculas de ARN funcionales para su exportación al citosol. Nos limitaremos a una visión de los pasos a medida que ocurren en el procesamiento del pre-ARNm a ARNm.

La mayoría de los genes eucariotas se dividen en segmentos. Al decodificar el marco abierto de lectura de un gen para una proteína conocida, generalmente se encuentran tramos periódicos de ADN que requieren aminoácidos que no ocurren en el producto proteico real de ese gen. Tales tramos de ADN, que se transcriben en ARN pero no se traducen en proteínas, se denominan intrones. Aquellos tramos de ADN que sí codifican aminoácidos en la proteína se llaman exones. Ejemplos:

• El gen para un tipo de colágeno que se encuentra en pollos se divide en 52 exones separados.
• El gen de la distrofina, que está mutado en niños con distrofia muscular, tiene 79 exones.
• Incluso los genes para ARNr y ARNt están divididos por intrones.
• Se estima que el genoma humano contiene unos 180 mil exones. Con una estimación actual de 21.000 genes, el contenido promedio de exones de nuestros genes es de aproximadamente 9.

Figura 6.2.2 Procesamiento de ARN

• Síntesis de la tapa. Se trata de una guanina modificada (G) que se une al extremo 5' del pre-ARNm a medida que emerge de la ARN polimerasa II (Pol II). La tapa
• protege el ARN de ser degradado por enzimas que degradan el ARN desde el extremo 5';
• sirve como punto de ensamblaje para las proteínas necesarias para reclutar la subunidad pequeña del ribosoma para comenzar la traducción.

• Eliminación paso a paso de intrones presentes en el pre-ARNm y empalme de los exones restantes. Este paso se lleva a cabo a medida que el pre-ARNm continúa emergiendo de Pol II.
• Síntesis de la cola de poli (A). Se trata de un tramo de nucleótidos de adenina (A). Cuando un sitio de unión especial de poli (A) en el pre-ARNm emerge de Pol II, el transcrito se corta allí y la cola de poli (A) se une al extremo 3' expuesto. Esto completa la molécula de ARNm, que ahora está lista para su exportación al citosol. (El resto de la transcripción se degrada y la ARN polimerasa abandona el ADN).

Figura 6.2.3 Molécula híbrida de ARNm-ADN

La imagen de arriba es una micrografía electrónica de una molécula híbrida de ARNn-ADN formada mezclando el ARN mensajero (ARNm) de un clon de células secretoras de anticuerpos con ADN monocatenario del mismo tipo de células. La barra representa la longitud de 1000 bases. El diagrama inferior es una interpretación de la micrografía. La línea continua representa el ADN; la línea punteada el ARNm. Los bucles (I _A, I _B, etc.) representan los intrones que separan los exones que codifican los dominios de una cadena pesada de anticuerpo:

• V = región variable
• _E1 = primer dominio de región constante (_CH 1)
• E _H = región bisagra
• E ₂ y E ₃ = los nucleótidos que codifican los dos dominios C-terminales (C _H 2 y C _H 3)

La porción no hibridada del ARNm es su cola poli (A).

Empalme alternativo

El procesamiento del pre-ARNm para muchas proteínas procede a lo largo de varias rutas en diferentes células o bajo diferentes condiciones. Por ejemplo, al principio de la diferenciación de una célula B (un linfocito que sintetiza un anticuerpo) la célula primero usa un exón que codifica un dominio transmembrana que hace que la molécula se retenga en la superficie celular. Posteriormente, la célula B cambia a usar un exón diferente cuyo dominio permite que la proteína sea secretada de la célula como una molécula de anticuerpo circulante.

El empalme alternativo proporciona un mecanismo para producir una amplia variedad de proteínas a partir de un pequeño número de genes. Si bien los humanos podemos llegar a tener sólo unos 20 mil genes, probablemente hagamos al menos 10 veces ese número de proteínas diferentes. Ahora se estima que el 92— 94% de nuestros genes producen pre-ARNm que se empalman de manera alternativa. Existe evidencia de que el patrón de empalme alternativo difiere consistentemente en diferentes tejidos y por lo tanto debe ser regulado. Pero queda por ver si todos los productos son funcionales o que muchos son simplemente el resultado de un proceso propenso a errores.

El corte y empalme alternativo no solo proporciona diferentes proteínas de un solo gen, sino también diferentes UTR 3' y UTR 5'. Aunque no se traducen en proteína, estas r egiones u n t ransladas contienen señales que, por ejemplo, dictan en qué parte de la célula se acumulará esa proteína. Dos ejemplos:

• La UTR 3' del gen bicoide en Drosophila dirige el ARNm hacia la parte anterior del embrión
• la misma región en el gen vegT de Xenopus dirige su ARNm al polo vegetal del embrión

Uno de los ejemplos más dramáticos de corte y empalme alternativo es el gen Dscam en Drosophila. Este único gen contiene unos 116 exones de los cuales 17 son retenidos en el ARNm final. Algunos exones siempre están incluidos; otros se seleccionan de una matriz. Teóricamente este sistema es capaz de producir 38,016 proteínas diferentes. Y, de hecho, se han encontrado más de 18 mil diferentes en la hemolinfa de Drosophila.

Estas proteínas Dscam se utilizan para establecer una identidad única para cada neurona. Funciona así. Cada neurona en desarrollo sintetiza una docena de mRNAs de Dscam de las miles de posibilidades. Cuáles son seleccionados parece ser simplemente una cuestión de azar, pero debido a la gran cantidad de posibilidades, cada neurona probablemente terminará con un conjunto único de una docena de proteínas Dscam más o menos. A medida que cada neurona en desarrollo en el sistema nervioso central brota dendritas y un axón, estos expresan su colección única de proteínas Dscam. Si las diversas extensiones de una sola neurona deben encontrarse entre sí en la red enredada que es el sello distintivo del tejido nervioso, son repelidas. De esta manera, miles de neuronas diferentes pueden coexistir en contacto íntimo sin el peligro de contactos infuncionales entre las diversas extensiones de una misma neurona.

neurona deben encontrarse entre sí, evitan establecer una sinapsis por la repulsión mediada por su colección idéntica de protocadherinas. De esta manera, miles de neuronas diferentes pueden coexistir en contacto íntimo sin el peligro de contactos infuncionales entre las diversas extensiones de una misma neurona.

El hecho de que un segmento particular de ARN se retenga como exón o se escindirá como intrón puede variar en diferentes circunstancias, como

• en qué tipo de célula se encuentra el gen
• por qué etapa de diferenciación está pasando esa célula
• qué señales extracelulares está recibiendo esa célula.

Claramente, el cambio a una vía de empalme alternativa debe estar estrechamente regulada.

Trans-empalme

La mayoría de los genes se transcriben y sus transcritos se procesan como se describió anteriormente. La ARN polimerasa viaja por una sola cadena de un locus de un solo gen para formar pre-ARNm que se procesa (incluyendo la eliminación de intrones) para formar el ARNm maduro. Pero hay excepciones. Se han encontrado varios casos en los que se han empalmado dos transcritos precursores diferentes para formar la molécula de ARN final. El fenómeno se llama trans-splicing.

Ejemplos: síntesis de una sola molécula de ARN mediante el corte y empalme de transcritos de loci

• ubicados muy separados en el mismo cromosoma o
• en cadenas opuestas del mismo locus génico o
• que son los dos alelos del gen en sus cromosomas separados (homólogos).

La importancia biológica de estos transcritos transempalmados es aún desconocida para la mayoría de ellos.