9.3: Regulación de la Expresión Génica en Eucariotas

Las últimas estimaciones son que una célula humana, una célula eucariota, contiene unos 21.000 genes. Algunos de estos se expresan en todas las celdas todo el tiempo. Estos llamados genes domésticos son responsables de las funciones metabólicas rutinarias (por ejemplo, la respiración) comunes a todas las células. Algunos se expresan a medida que una célula entra en una vía particular de diferenciación. Algunos se expresan todo el tiempo solo en aquellas células que se han diferenciado de una manera particular. Por ejemplo, una célula plasmática expresa continuamente los genes para el anticuerpo que sintetiza. Algunos se expresan solo como condiciones alrededor y en el cambio celular. Por ejemplo, la llegada de una hormona puede activar (o desactivar) ciertos genes en esa célula.

¿Cómo se regula la expresión génica? Existen varios métodos utilizados por los eucariotas.

• Alterar la velocidad de transcripción del gen. Esta es la estrategia más importante y ampliamente utilizada.
• Sin embargo, los eucariotas complementan la regulación transcripcional con varios otros métodos:
  • Alterar la velocidad a la que se procesan los transcritos de ARN mientras aún se encuentran dentro del núcleo.
  • Alterar la estabilidad de las moléculas de ARN mensajero (ARNm); es decir, la velocidad a la que se degradan.
  • Alterar la eficiencia con la que los ribosomas traducen el ARNm en un polipéptido.

Los genes que codifican proteínas tienen

• exones cuya secuencia codifica el polipéptido
• intrones que se eliminarán del ARNm antes de traducirlo
• un sitio de inicio de transcripción
• promotores
  • un promotor basal o central localizado dentro de aproximadamente 40 pares de bases (pb) del sitio de inicio
  • Promotores “aguas arriba”, que pueden extenderse a lo largo de hasta 200 pb más arriba
• potenciadores
• silenciadores

Los genes adyacentes a menudo están separados por un aislante que les ayuda a evitar la interferencia entre los promotores y potenciadores (y/o silenciadores) de los demás.

Sitio de inicio de transcripción

Aquí es donde se une una molécula de ARN polimerasa II (pol II, también conocida como RNAP II). Pol II es un complejo de 12 proteínas diferentes (se muestra en la figura en amarillo con pequeños círculos coloreados superpuestos sobre él). El sitio de inicio es donde comienza la transcripción del gen en ARN.

El promotor del núcleo

Todos los genes eucariotas contienen un promotor central. Un ejemplo común es una secuencia de bases (por ejemplo, TATAAAAAAA) llamada caja TATA. Está unido por un gran complejo de unas 50 proteínas diferentes, entre ellas

• Factor de Transcripción IID (TFIID) que es un complejo de
  • Proteína de unión a TATA (TBP), que reconoce y se une a la caja TATA
  • 13 otros factores proteicos que se unen a TBP, entre sí, y (algunos de ellos) al ADN.
• Factor de Transcripción IIB (TFIIB) que une tanto el ADN como el pol II.

Figura 9.3.1: Promotor eucariota

Muchos genes diferentes y muchos tipos diferentes de células comparten los mismos factores de transcripción, no solo aquellos que se unen en el promotor central sino incluso algunos de los que se unen aguas arriba. Lo que enciende un gen particular en una célula en particular es probablemente la combinación única de sitios promotores y los factores de transcripción que se eligen.

Una analogía

Las filas de cajas de cerradura en un banco proporcionan una analogía útil. Para abrir cualquier caja en particular en la habitación se requieren dos llaves:

• Tu llave, cuyo patrón de muescas se ajusta solo al candado de la caja que te ha asignado (= el promotor upstream), pero que no puede desbloquear la caja sin
• Una llave que lleva un empleado del banco que puede activar el mecanismo de desbloqueo de cualquier caja (= el promotor principal) pero que por sí sola no puede abrir ninguna caja.

Efecto Hormonas

Figura 9.3.2: Potenciador

Estos bucles son estabilizados por una proteína denominada CTCF (“factor de unión a CCCTC”; llamada así por la secuencia de nucleótidos a la que se une). El CTCF en un sitio en el ADN forma un dímero con el CTCF en otro sitio en el ADN que une las dos regiones juntas. CTCF tiene 11 dedos de zinc. También pueden ser estabilizados por la cohesina, el mismo complejo proteico que mantiene unidas a las cromátidas hermanas durante la mitosis y la meiosis.

Michael R. Botchan y sus colegas han producido evidencia visual de este modelo de acción potenciadora. Crearon una molécula de ADN artificial con

• varios (4) sitios promotores para Sp1 aproximadamente 300 bases de un extremo. Sp1 es un factor de transcripción con dedos de zinc que se une a la secuencia 5' GGGCGG 3' que se encuentra en los promotores de muchos genes, especialmente genes “domésticos”.
• varios (5) sitios potenciadores a aproximadamente 800 bases del otro extremo. Estos están unidos por una proteína de unión a potenciador denominada E2.
• 1860 pares de bases de ADN entre los dos.

Figura 9.3.3: Evidencia de Acción Potenciadora cortesía de Michael R. Botchan

Importancia de “Looping”

El loop de cromosomas que acerca potenciadores a promotores (y promotores cercanos a otros promotores) parece ser un mecanismo para asegurar la expresión (o inhibición) de grupos de genes que deben funcionar juntos. La respuesta de una célula a la llegada de una señal (por ejemplo, una hormona) puede implicar activar (o desactivar) cientos de genes diferentes cuyos productos deben producirse de manera coordinada para que la célula responda adecuadamente. El movimiento dinámico de porciones del cromosoma que portan los loci génicos apropiados en una “fábrica de transcripción” puede ser un mecanismo para lograr esto. Si es así, estamos viendo el equivalente eucariota de la expresión génica coordinada proporcionada por los operones en bacterias.

Silenciadores

Los silenciadores son regiones de control del ADN que, al igual que los potenciadores, pueden estar localizadas a miles de pares de bases lejos del gen que controlan. Sin embargo, cuando los factores de transcripción se unen a ellos, se reprime la expresión del gen que controlan.

Aisladores

Como puedes ver arriba, los potenciadores pueden activar promotores de genes ubicados a miles de pares de bases de distancia. Los aislantes evitan que un potenciador se una de manera inapropiada y active el promotor de algún otro gen en la misma región del cromosoma.

Los aisladores son

• tramos de ADN (tan solo 42 pares de bases pueden hacer el truco)
• ubicado entre el
  • potenciador (es) y promotor (es) o
  • silenciador (es) y promotor (es)
  de genes adyacentes o grupos de genes adyacentes.

Figura 9.3.4 Aislante

El potenciador para el promotor del gen para la cadena delta del receptor de células T gamma/delta para antígeno (TCR) se localiza cerca del promotor para la cadena alfa del TCR alfa/beta (en el cromosoma 14 en humanos). Una célula T debe elegir entre una u otra. Existe un aislante entre el promotor del gen alfa y el promotor del gen delta que asegura que la activación de uno no se propague sobre el otro.

Todos los aislantes descubiertos hasta el momento en los vertebrados funcionan solo cuando están unidos por la proteína CTCF. Otro ejemplo: En los mamíferos (ratones, humanos, cerdos), sólo está activo el alelo para el factor de crecimiento insulino-2 (IGF2) heredado del propio padre; eso heredado de la madre no lo es —un fenómeno llamado impronta.

El mecanismo: el alelo de la madre tiene un aislante entre el promotor IGF2 y el potenciador. También lo hace el alelo del padre, pero en su caso, el aislante ha sido metilado. El CTCF ya no puede unirse al aislante, por lo que el potenciador ahora es libre de activar el promotor IGF2 del padre.

Muchas de las variedades de cerdos de importancia comercial han sido criadas para contener un gen que aumenta la proporción de músculo esquelético a grasa. Este gen ha sido secuenciado y resulta ser un alelo de IGF2, el cual contiene una mutación puntual única en uno de sus intrones. Los cerdos con esta mutación producen mayores niveles de ARNm de IGF2 en sus músculos esqueléticos (pero no en su hígado). Esto nos dice que:

• Las mutaciones no necesitan estar en la porción codificante de proteínas de un gen para afectar el fenotipo.
• Las mutaciones en porciones no codificantes de un gen pueden afectar cómo se regula ese gen (aquí, un cambio en el músculo pero no en el hígado).