16.9: Regulación de genes eucariotas - empalme de ARN

Objetivos de aprendizaje

• Explicar el papel del empalme de ARN en la regulación de la expresión génica

El corte y empalme de ARN, la primera etapa del control postranscripcional

La expresión génica es el proceso que transfiere información genética de un gen hecho de ADN a un producto génico funcional hecho de ARN o proteína. La información genética fluye del ADN al ARN por el proceso de transcripción y luego del ARN a la proteína por el proceso de traducción. Con el fin de asegurar que se producen los productos adecuados, la expresión génica se regula en muchas etapas diferentes durante y entre la transcripción y la traducción. En eucariotas, el gen contiene secuencias extra que no codifican para proteína. En estos organismos, la transcripción del ADN produce pre-ARNm. Estos transcritos de pre-ARNm a menudo contienen regiones, llamadas intrones, que son secuencias intervinientes que deben eliminarse antes de la traducción por el proceso de corte y empalme. Las regiones de ARN que codifican para proteína se denominan exones. El empalme puede regularse para que diferentes ARNm puedan contener o carecer de exones, en un proceso llamado empalme alternativo. El corte y empalme alternativo permite producir más de una proteína a partir de un gen y es un paso regulador importante para determinar qué proteínas funcionales se producen a partir de la expresión génica. Así, el corte y empalme es la primera etapa del control postranscripcional.

Figura\(\PageIndex{1}\): Empalme alternativo: Existen cinco modos básicos de empalme alternativo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Empalme alternativo: el pre-ARNm se puede empalmar alternativamente para crear diferentes proteínas.

Empalme alternativo

El empalme alternativo es un proceso que ocurre durante la expresión génica y permite la producción de múltiples proteínas (isoformas proteicas) a partir de un solo gen codificante. El empalme alternativo puede ocurrir debido a las diferentes formas en que un exón puede excluirse o incluirse en el ARN mensajero. También puede ocurrir si se excluyen o incluyen porciones en un exón o si hay una inclusión de intrones. Por ejemplo, si un pre-ARNm tiene cuatro exones (A, B, C y D), estos pueden ser empalmados y traducidos en varias combinaciones diferentes. Los exones A, B y C se pueden traducir juntos o los exones A, C y D pueden traducirse. Esto da como resultado lo que se denomina empalme alternativo. El patrón de corte y empalme y producción de ARN mensajero de corte y empalme alternativo está controlado por la unión de proteínas reguladoras (proteínas de acción trans que contienen los genes) a sitios de acción en cis que se encuentran en el pre-ARN. Algunas de estas proteínas reguladoras incluyen activadores de empalme (proteínas que promueven ciertos sitios de corte y empalme) y represores de empalme (proteínas que reducen el uso de ciertos sitios). Algunos represores de empalme comunes incluyen: ribonucleoproteína nuclear heterogénea (hnRNP) y proteína de unión a tracto de polipirimidina (PTB). Las proteínas que se traducen a partir de ARN mensajeros alternativamente empalmados difieren en la secuencia de sus aminoácidos, lo que resulta en una función alterada de la proteína. Esta es una de las razones por las que el genoma humano puede codificar una amplia diversidad de proteínas. El empalme alternativo es un proceso común que ocurre en eucariotas; la mayoría de los genes multiexónicos en humanos se empalman alternativamente. Desafortunadamente, las variaciones anormales en el empalme también son la razón por la que existen muchas enfermedades y trastornos genéticos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Mecanismo de corte y empalme: El corte y empalme alternativo puede dar como resultado isoformas proteicas.

Empalmeosoma

El corte y empalme del ARN mensajero se logra y cataliza mediante un complejo macromolecular conocido como spliceosoma. Las áreas para ligadura y escisión están determinadas por las muchas subunidades del spliceosoma que incluyen el sitio de ramificación (A) y los sitios de corte y empalme 5' y 3". Las interacciones entre estas subunidades y las pequeñas ribonucleoproteínas nucleares (snRNP) que se encuentran en el spliceosoma crean un complejo de spliceosoma A que ayuda a determinar qué intrones dejar fuera y qué exones mantener y unir. Una vez que los intrones se escinden y eliminan, los exones se unen entre sí mediante un enlace fosfodiéster.

Proteínas Reguladoras

Como se señaló anteriormente, el empalme está regulado por proteínas represoras y proteínas activadoras, que también se conocen como proteínas de acción trans. Igualmente importantes son los silenciadores y potenciadores que se encuentran en los ARN mensajeros, también conocidos como sitios de acción en cis. Estas funciones regulatorias trabajan juntas para crear código de empalme que determine el empalme alternativo.

Puntos Clave

• Los intrones son secuencias intervinientes dentro de una molécula de pre-ARNm que no codifican proteínas y se eliminan durante el procesamiento del ARN mediante un spliceosoma.
• Los exones son secuencias que expresan dentro de una molécula de pre-ARNm que se empalman una vez que se eliminan los intrones para formar moléculas de ARNm maduras que se traducen en proteínas.
• El corte y empalme alternativo permite la producción de diversas isoformas proteicas a partir de un solo gen codificante.
• Un spliceosoma es un complejo compuesto por moléculas de ARN y proteínas que determinan qué intrones dejar fuera y qué exones mantener y unir.

Términos Clave

• intrón: una porción de un gen dividido que se incluye en transcritos pre-ARN pero que se elimina durante el procesamiento del ARN y se degrada rápidamente
• exón: una región de un gen transcrito presente en la molécula de ARN funcional final
• spliceosoma: un complejo dinámico de subunidades de ARN y proteínas que elimina intrones del ARNm precursor