15.3: Transcripción eucariota
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- Enumerar los pasos en la transcripción eucariota
- Discutir el papel de las ARN polimerasas en la transcripción
- Comparar y contrastar las tres ARN polimerasas
- Explicar la importancia de los factores de transcripción
Los procariotas y eucariotas realizan fundamentalmente el mismo proceso de transcripción, con algunas diferencias clave. La diferencia más importante entre procariotas y eucariotas es el núcleo y orgánulos unidos a la membrana de este último. Con los genes unidos en un núcleo, la célula eucariota debe ser capaz de transportar su ARNm al citoplasma y debe proteger su ARNm de la degradación antes de que se traduzca. Los eucariotas también emplean tres polimerasas diferentes que transcriben cada una un subconjunto diferente de genes. Los ARNm eucariotas suelen ser monogénicos, lo que significa que especifican una sola proteína.
Iniciación de la Transcripción en Eucariotas
A diferencia de la polimerasa procariota que puede unirse a un molde de ADN por sí sola, los eucariotas requieren varias otras proteínas, llamadas factores de transcripción, para unirse primero a la región promotora y luego ayudar a reclutar la polimerasa apropiada.
Las tres ARN polimerasas eucariotas
Las características de la síntesis de ARNm eucariota son marcadamente más complejas las de los procariotas. En lugar de una sola polimerasa que comprende cinco subunidades, los eucariotas tienen tres polimerasas que están compuestas cada una por 10 subunidades o más. Cada polimerasa eucariota también requiere un conjunto distinto de factores de transcripción para llevarla al molde de ADN.
La ARN polimerasa I se localiza en el nucleolo, una subestructura nuclear especializada en la que el ARN ribosómico (ARNr) se transcribe, procesa y ensambla en ribosomas (Tabla\(\PageIndex{1}\)). Las moléculas de ARNr se consideran ARN estructurales porque tienen un papel celular pero no se traducen en proteínas. Los ARNr son componentes del ribosoma y son esenciales para el proceso de traducción. La ARN polimerasa I sintetiza todos los ARNr excepto la molécula de ARNr 5S. La designación “S” se aplica a las unidades “Svedberg”, un valor no aditivo que caracteriza la velocidad a la que una partícula sedimenta durante la centrifugación.
Cuadro\(\PageIndex{1}\): Ubicaciones, productos y sensibilidades de las tres ARN polimerasas eucariotas
| ARN Polimerasa | Compartimento Celular | Producto de Transcripción | Sensibilidad a α-amanitina |
|---|---|---|---|
| I | Nucleolo | Todos los ARNr excepto ARNr 5S | Insensible |
| II | Núcleo | Todos los pre-ARNm nucleares que codifican proteínas | Extremadamente sensible |
| III | Núcleo | ARNr 5S, ARNt y ARN nucleares pequeños | Moderadamente sensible |
La ARN polimerasa II se localiza en el núcleo y sintetiza todos los pre-ARNm nucleares que codifican proteínas. Los pre-ARNm eucariotas se someten a un procesamiento extenso después de la transcripción pero antes de la traducción Para mayor claridad, la discusión de este módulo sobre la transcripción y traducción en eucariotas utilizará el término “ARNm” para describir solo las moléculas procesadas maduras que están listas para ser traducidas. La ARN polimerasa II es responsable de transcribir la abrumadora mayoría de los genes eucariotas.
La ARN polimerasa III también se localiza en el núcleo. Esta polimerasa transcribe una variedad de ARN estructurales que incluyen el pre-ARNr 5S, los pre-ARN de transferencia (pre-ARNt) y los pre-ARN nucleares pequeños. Los ARNt tienen un papel crítico en la traducción; sirven como moléculas adaptadoras entre el molde de ARNm y la cadena polipeptídica en crecimiento. Los ARN nucleares pequeños tienen una variedad de funciones, incluyendo “empalmar” pre-ARNm y regular los factores de transcripción.
Un científico que caracteriza un nuevo gen puede determinar qué polimerasa lo transcribe probando si el gen se expresa en presencia de un veneno particular para hongos, α-amanitina (tabla anterior). Curiosamente, la α-amanitina producida por Amanita phalloides, el hongo Death Cap, afecta a las tres polimerasas de manera muy diferente. La ARN polimerasa I es completamente insensible a α-amanitina, lo que significa que la polimerasa puede transcribir ADN in vitro en presencia de este veneno. Por el contrario, la ARN polimerasa II es extremadamente sensible a α-amanitina, y la ARN polimerasa III es moderadamente sensible. Conocer la polimerasa transcrita puede dar pistas a un investigador sobre la función general del gen que se está estudiando. Debido a que la ARN polimerasa II transcribe la gran mayoría de los genes, nos centraremos en esta polimerasa en nuestras discusiones posteriores sobre los factores de transcripción eucariotas y promotores.
Estructura de un promotor de ARN polimerasa II
Los promotores eucariotas son mucho más grandes y complejos que los promotores procariotas, pero ambos tienen una caja TATA. Por ejemplo, en el gen de la timidina quinasa de ratón, la caja TATA se localiza en aproximadamente -30 con respecto al sitio de inicio (+1) (Figura\(\PageIndex{1}\)). Para este gen, la secuencia exacta de la caja TATA es TATAAAA, tal como se lee en la dirección 5' a 3' en la cadena no molde. Esta secuencia no es idéntica a la caja TATA de E. coli, pero conserva el elemento rico en A—T. La termoestabilidad de los enlaces A-T es baja y esto ayuda a que el molde de ADN se desenrolle localmente en preparación para la transcripción.
Conexión de arte
Un científico empalma un promotor eucariota frente a un gen bacteriano e inserta el gen en un cromosoma bacteriano. ¿Esperarías que la bacteria transcribiera el gen?
El genoma del ratón incluye un gen y dos pseudogenes para la timidina quinasa citoplásmica. Los pseudogenes son genes que han perdido su capacidad de codificación de proteínas o que ya no son expresados por la célula. Estos pseudogenes se copian del ARNm y se incorporan al cromosoma. Por ejemplo, el promotor de timidina quinasa de ratón también tiene una caja CAAT conservada (GGCCAATCT) a aproximadamente -80. Esta secuencia es esencial y está involucrada en factores de transcripción de unión. Más arriba de la caja TATA, los promotores eucariotas también pueden contener una o más cajas ricas en GC (GGCG) u cajas de octámeros (ATTTGCAT). Estos elementos se unen a factores celulares que aumentan la eficiencia del inicio de la transcripción y a menudo se identifican en genes más “activos” que constantemente están siendo expresados por la célula.
Factores de transcripción para la ARN polimerasa II
La complejidad de la transcripción eucariota no termina con las polimerasas y promotores. Un ejército de factores basales de transcripción, potenciadores y silenciadores también ayudan a regular la frecuencia con la que se sintetiza el pre-ARNm a partir de un gen. Los potenciadores y silenciadores afectan la eficiencia de la transcripción pero no son necesarios para que la transcripción continúe. Los factores de transcripción basales son cruciales en la formación de un complejo de preiniciación en el molde de ADN que posteriormente recluta ARN polimerasa II para el inicio de la transcripción.
Los nombres de los factores de transcripción basales comienzan con “TFII” (este es el factor de transcripción para la ARN polimerasa II) y se especifican con las letras A—J. Los factores de transcripción caen sistemáticamente en su lugar en el molde de ADN, estabilizando cada uno más el complejo de preiniciación y contribuyendo al reclutamiento de ARN polimerasa II.
Los procesos de llevar las ARN polimerasas I y III al molde de ADN implican colecciones ligeramente menos complejas de factores de transcripción, pero el tema general es el mismo. La transcripción eucariota es un proceso estrechamente regulado que requiere una variedad de proteínas para interactuar entre sí y con la cadena de ADN. Si bien el proceso de transcripción en eucariotas implica una mayor inversión metabólica que en procariotas, asegura que la célula transcriba precisamente los pre-ARNm que necesita para la síntesis de proteínas.
Conexión Evolutiva: La Evolución de los Promotores
La evolución de los genes puede ser un concepto familiar. Las mutaciones pueden ocurrir en los genes durante la replicación del ADN, y el resultado puede o no ser beneficioso para la célula. Al alterar una enzima, proteína estructural o algún otro factor, el proceso de mutación puede transformar funciones o características físicas. Sin embargo, los promotores eucariotas y otras secuencias reguladoras génicas también pueden evolucionar. Por ejemplo, consideremos un gen que, a lo largo de muchas generaciones, se vuelve más valioso para la célula. Tal vez el gen codifica una proteína estructural que la célula necesita sintetizar en abundancia para una determinada función. Si este es el caso, sería beneficioso para la célula que el promotor de ese gen reclutara factores de transcripción de manera más eficiente y aumentara la expresión génica.
Los científicos que examinan la evolución de las secuencias promotoras han reportado resultados variables. En parte, esto se debe a que es difícil inferir exactamente dónde comienza y termina un promotor eucariota. Algunos promotores ocurren dentro de los genes; otros se encuentran muy lejos aguas arriba, o incluso aguas abajo, de los genes que están regulando. Sin embargo, cuando los investigadores limitaron su examen a las secuencias promotoras del núcleo humano que se definieron experimentalmente como secuencias que se unen al complejo previo a la iniciación, encontraron que los promotores evolucionan incluso más rápido que los genes que codifican proteínas.
Todavía no está claro cómo la evolución promotora podría corresponder a la evolución de los humanos u otros organismos superiores. Sin embargo, la evolución de un promotor para hacer efectivamente más o menos de un producto génico dado es una alternativa intrigante a la evolución de los genes mismos. 1
Estructuras Promotoras para ARN Polimerasas I y III
En eucariotas, los elementos promotores conservados difieren para los genes transcritos por las ARN polimerasas I, II y III. La ARN polimerasa I transcribe genes que tienen dos secuencias promotoras ricas en CG en la región -45 a +20. Estas secuencias solas son suficientes para que se produzca el inicio de la transcripción, pero los promotores con secuencias adicionales en la región de -180 a -105 aguas arriba del sitio de iniciación potenciarán aún más la iniciación. Los genes que son transcritos por la ARN polimerasa III tienen promotores aguas arriba o promotores que ocurren dentro de los propios genes.
Elongación y terminación eucariotas
Después de la formación del complejo de preiniciación, la polimerasa se libera de los otros factores de transcripción, y se permite que la elongación continúe como lo hace en procariotas con la polimerasa sintetizando pre-ARNm en la dirección 5' a 3'. Como se discutió anteriormente, la ARN polimerasa II transcribe la mayor proporción de genes eucariotas, por lo que esta sección se centrará en cómo esta polimerasa logra la elongación y terminación.
Aunque el proceso enzimático de elongación es esencialmente el mismo en eucariotas y procariotas, el molde de ADN es más complejo. Cuando las células eucariotas no se están dividiendo, sus genes existen como una masa difusa de ADN y proteínas llamadas cromatina. El ADN está estrechamente empaquetado alrededor de proteínas histonas cargadas a intervalos repetidos. Estos complejos de ADN e histona, denominados colectivamente nucleosomas, están espaciados regularmente e incluyen 146 nucleótidos de ADN enrollados alrededor de ocho histonas como hilo alrededor de un carrete.
Para que se produzca la síntesis de polinucleótidos, la maquinaria de transcripción necesita mover las histonas fuera del camino cada vez que se encuentra con un nucleosoma. Esto se logra mediante un complejo proteico especial llamado FACT, que significa “facilita la transcripción de la cromatina”. Este complejo aleja las histonas del molde de ADN a medida que la polimerasa se mueve a lo largo de él. Una vez sintetizado el pre-ARNm, el complejo FACT reemplaza a las histonas para recrear los nucleosomas.
La terminación de la transcripción es diferente para las diferentes polimerasas. A diferencia de los procariotas, la elongación por ARN polimerasa II en eucariotas tiene lugar entre mil y 2,000 nucleótidos más allá del final del gen que se transcribe. Esta cola de pre-ARNm se elimina posteriormente mediante escisión durante el procesamiento del ARNm. Por otro lado, las ARN polimerasas I y III requieren señales de terminación. Los genes transcritos por la ARN polimerasa I contienen una secuencia específica de 18 nucleótidos que es reconocida por una proteína de terminación. El proceso de terminación en la ARN polimerasa III implica una horquilla de ARNm similar a la terminación de la transcripción independiente de rho-en procariotas.
Resumen
La transcripción en eucariotas implica uno de los tres tipos de polimerasas, dependiendo del gen que se transcriba. La ARN polimerasa II transcribe todos los genes que codifican proteínas, mientras que la ARN polimerasa I transcribe genes de ARNr y la ARN polimerasa III transcribe genes de ARNr, ARNt y ARN nuclear pequeño. El inicio de la transcripción en eucariotas implica la unión de varios factores de transcripción a secuencias promotoras complejas que generalmente se localizan aguas arriba del gen que se está copiando. El ARNm se sintetiza en la dirección 5' a 3', y el complejo FACT se mueve y vuelve a ensamblar los nucleosomas a medida que pasa la polimerasa. Mientras que las ARN polimerasas I y III terminan la transcripción por métodos dependientes de la horquilla de proteínas o ARN, la ARN polimerasa II transcribe 1,000 o más nucleótidos más allá del molde génico y escinde el exceso durante el procesamiento previo al ARNm.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): Un científico empalma un promotor eucariota frente a un gen bacteriano e inserta el gen en un cromosoma bacteriano. ¿Esperarías que la bacteria transcribiera el gen?
- Contestar
-
No. Los procariotas utilizan diferentes promotores que los eucariotas.
Notas al pie
- 1 H Liang et al., “Evolución rápida de promotores centrales en genomas de primates”, Biología Molecular y Evolución 25 (2008): 1239—44.
Glosario
- CAAT
- (GGCCAATCT) secuencia promotora eucariota esencial implicada en factores de transcripción de unión
- HECHO
- complejo que “facilita la transcripción de la cromatina” desensamblando nucleosomas antes de una ARN polimerasa II que transcribe y reensamblándolos después de que la polimerasa pase
- Caja rica en GC-Rich
- (GGCG) secuencia promotora eucariota no esencial que se une a factores celulares para aumentar la eficiencia de la transcripción; puede estar presente varias veces en un promotor
- Caja Octámero
- (ATTTGCAT) secuencia promotora eucariota no esencial que se une a factores celulares para aumentar la eficiencia de la transcripción; puede estar presente varias veces en un promotor
- complejo de preiniciación
- agrupación de factores de transcripción y otras proteínas que reclutan ARN polimerasa II para la transcripción de un molde de ADN
- ARN nuclear pequeño
- moléculas sintetizadas por ARN polimerasa III que tienen una variedad de funciones, incluyendo empalmar pre-ARNm y regular los factores de transcripción