15.4: Procesamiento de ARN en eucariotas
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- Describir los diferentes pasos en el procesamiento del ARN
- Comprender la importancia de exones, intrones y empalmes
- Explicar cómo se procesan los ARNt y ARNr
Después de la transcripción, los pre-ARNm eucariotas deben someterse a varias etapas de procesamiento antes de que puedan traducirse. Los ARNt y ARNr eucariotas (y procariotas) también se someten a procesamiento antes de que puedan funcionar como componentes en la maquinaria de síntesis de proteínas.
Procesamiento de ARNm
El pre-ARNm eucariota se somete a un procesamiento extenso antes de que esté listo para ser traducido. Los pasos adicionales involucrados en la maduración del ARNm eucariota crean una molécula con una vida media mucho más larga que un ARNm procariota. Los ARNm eucariotas duran varias horas, mientras que el ARNm típico de E. coli no dura más de cinco segundos.
Los pre-ARNm se recubren primero en proteínas estabilizadoras de ARN; estas protegen al pre-ARNm de la degradación mientras se procesa y exporta fuera del núcleo. Los tres pasos más importantes del procesamiento del pre-ARNm son la adición de factores estabilizantes y de señalización en los extremos 5' y 3' de la molécula, y la eliminación de secuencias intervinientes que no especifican los aminoácidos apropiados. En raras ocasiones, la transcripción del ARNm puede ser “editada” después de ser transcrita.
Evolution Connection: Edición de ARN en Tripanosomas
Los tripanosomas son un grupo de protozoos que incluyen al patógeno Trypanosoma brucei, el cual causa la enfermedad del sueño en humanos (Figura\(\PageIndex{1}\)). Los tripanosomas, y prácticamente todos los demás eucariotas, tienen orgánulos llamados mitocondrias que suministran energía química a la célula. Las mitocondrias son orgánulos que expresan su propio ADN y se cree que son los restos de una relación simbiótica entre un eucariota y un procariota envuelto. El ADN mitocondrial de los tripanosomas presenta una interesante excepción a The Central Dogma: sus pre-ARNm no tienen la información correcta para especificar una proteína funcional. Por lo general, esto se debe a que al ARNm le faltan varios nucleótidos U. La célula realiza una etapa adicional de procesamiento de ARN llamada edición de ARN para remediar esto.
Otros genes en el genoma mitocondrial codifican ARN guía de 40 a 80 nucleótidos. Una o más de estas moléculas interactúan por apareamiento de bases complementarias con algunos de los nucleótidos en el transcrito pre-ARNm. Sin embargo, el ARN guía tiene más nucleótidos A de los que el pre-ARNm tiene U nucleótidos para unirse. En estas regiones, el ARN guía gira hacia fuera. Los extremos 3' de los ARN guía tienen una cola larga de poli-U, y estas bases U se insertan en regiones del transcrito pre-ARNm en las que se enlazan los ARN guía. Este proceso está totalmente mediado por moléculas de ARN. Es decir, los ARN guía, en lugar de proteínas, sirven como catalizadores en la edición de ARN.
La edición de ARN no es solo un fenómeno de tripanosomas. En las mitocondrias de algunas plantas se editan casi todos los pre-ARNm. También se ha identificado la edición de ARN en mamíferos como ratas, conejos e incluso humanos. ¿Cuál podría ser la razón evolutiva de este paso adicional en el procesamiento del pre-ARNm? Una posibilidad es que las mitocondrias, siendo restos de procariotas antiguos, tengan un método igualmente antiguo basado en ARN para regular la expresión génica. En apoyo de esta hipótesis, las ediciones realizadas a pre-ARNm difieren dependiendo de las condiciones celulares. Aunque especulativo, el proceso de edición del ARN puede ser un remanente desde un momento primordial en el que las moléculas de ARN, en lugar de las proteínas, fueron las responsables de catalizar las reacciones.
Tapado 5'
Mientras el pre-ARNm aún se está sintetizando, se agrega una tapa de 7-metilguanosina al extremo 5' del transcrito en crecimiento mediante un enlace fosfato. Este resto (grupo funcional) protege al ARNm naciente de la degradación. Además, los factores involucrados en la síntesis de proteínas reconocen la tapa para ayudar a iniciar la traducción por los ribosomas.
Cola Poly-A de 3'
Una vez que se completa la elongación, el pre-ARNm es escindido por una endonucleasa entre una secuencia consenso de AAUAAA y una secuencia rica en Gu, dejando la secuencia de AAUAAA en el pre-ARNm. Una enzima llamada polimerasa poli-A luego agrega una cadena de aproximadamente 200 residuos A, llamada cola poli-A. Esta modificación protege además al pre-ARNm de la degradación y señala la exportación de los factores celulares que el transcrito necesita al citoplasma.
Empalme pre-mRNA
Los genes eucariotas están compuestos por exones, que corresponden a secuencias codificadoras de proteínas (ex- on significa que están expresionadas), e int secuencias ervening llamadas intrones (int- ron denota su función de generación interna), que pueden estar involucrados en la regulación génica pero se eliminan del pre-ARNm durante el procesamiento. Las secuencias de intrones en ARNm no codifican proteínas funcionales.
El descubrimiento de intrones fue una sorpresa para los investigadores en la década de 1970 que esperaban que los pre-ARNm especificaran secuencias de proteínas sin procesamiento adicional, como habían observado en procariotas. Los genes de los eucariotas superiores contienen muy a menudo uno o más intrones. Estas regiones pueden corresponder a secuencias reguladoras; sin embargo, la importancia biológica de tener muchos intrones o tener intrones muy largos en un gen no está clara. Es posible que los intrones ralenticen la expresión génica porque lleva más tiempo transcribir pre-ARNm con muchos intrones. Alternativamente, los intrones pueden ser restos de secuencia no funcionales sobrantes de la fusión de genes antiguos a lo largo de la evolución. Esto está respaldado por el hecho de que los exones separados a menudo codifican subunidades o dominios de proteínas separadas. En su mayor parte, las secuencias de intrones pueden mutarse sin afectar en última instancia al producto proteico.
Todos los intrones de un pre-ARNm deben eliminarse completa y precisamente antes de la síntesis de proteínas. Si el proceso se equivoca incluso por un solo nucleótido, el marco de lectura de los exones reunidos se desplazaría, y la proteína resultante sería disfuncional. El proceso de eliminación de intrones y reconexión de exones se denomina empalme (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los intrones se eliminan y degradan mientras el pre-ARNm aún se encuentra en el núcleo. El empalme se produce mediante un mecanismo específico de secuencia que asegura que los intrones se eliminen y los exones se vuelvan a unir con la precisión y precisión de un solo nucleótido. El corte y empalme de pre-ARNm es conducido por complejos de proteínas y moléculas de ARN llamados spliceosomas.
Conexión de arte
Los errores en el corte y empalme están implicados en cánceres y otras enfermedades humanas. ¿Qué tipo de mutaciones podrían conducir a errores de corte y empalme? Piense en diferentes resultados posibles si se producen errores de empalme.
Tenga en cuenta que pueden estar presentes más de 70 intrones individuales, y cada uno tiene que someterse al proceso de corte y empalme, además de la terminación 5' y la adición de una cola poli-A, solo para generar una única molécula de ARNm traducible.
Enlace al aprendizaje
Vea cómo se eliminan los intrones durante el corte y empalme de ARN en este sitio web.
Procesamiento de ARNt y ARNr
Los ARNt y ARNr son moléculas estructurales que tienen papeles en la síntesis de proteínas; sin embargo, estos ARN no se traducen por sí mismos. Los pre-ARNs se transcriben, procesan y ensamblan en ribosomas en el nucleolo. Los pre-ARNt se transcriben y procesan en el núcleo y luego se liberan en el citoplasma donde se enlazan a aminoácidos libres para la síntesis de proteínas.
La mayoría de los ARNt y ARNr en eucariotas y procariotas se transcriben primero como una molécula precursora larga que abarca múltiples ARNs o ARNt. Las enzimas luego escinden los precursores en subunidades correspondientes a cada ARN estructural. Algunas de las bases de los pre-ARNs están metiladas; es decir, se agrega un resto —CH 3 (grupo funcional metilo) para la estabilidad. Las moléculas pre-ARNt también sufren metilación. Al igual que con los pre-ARNm, la escisión de subunidades ocurre en pre-ARN eucariotas destinados a convertirse en ARNt o ARNr.
Los ARNr maduros constituyen aproximadamente el 50 por ciento de cada ribosoma. Algunas de las moléculas de ARN de un ribosoma son puramente estructurales, mientras que otras tienen actividades catalíticas o de unión. Los ARNt maduros toman una estructura tridimensional a través de enlaces de hidrógeno intramoleculares para posicionar el sitio de unión de aminoácidos en un extremo y el anticodón en el otro extremo (Figura\(\PageIndex{3}\)). El anticodón es una secuencia de tres nucleótidos en un ARNt que interactúa con un codón de ARNm a través de apareamiento de bases complementarias.
Resumen
Los pre-ARNm eucariotas se modifican con una caperuza 5' de metilguanosina y una cola poli-A. Estas estructuras protegen el ARNm maduro de la degradación y ayudan a exportarlo desde el núcleo. Los pre-ARNm también se someten a corte y empalme, en el que se eliminan los intrones y se reconectan los exones con precisión de un solo nucleótido. Solo los ARNm terminados que han sufrido caperuza 5', poliadenilación 3' y corte y empalme de intrones se exportan del núcleo al citoplasma. Los pre-ARNs y pre-ARNt pueden procesarse mediante escisión intramolecular, corte y empalme, metilación y conversión química de nucleótidos. En raras ocasiones, también se realiza la edición de ARN para insertar bases faltantes después de que se haya sintetizado un ARNm.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): Los errores en el corte y empalme están implicados en cánceres y otras enfermedades humanas. ¿Qué tipo de mutaciones podrían conducir a errores de corte y empalme? Piense en diferentes resultados posibles si se producen errores de empalme.
- Contestar
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Las mutaciones en la secuencia de reconocimiento de spliceosomas en cada extremo del intrón, o en las proteínas y ARN que componen el spliceosoma, pueden afectar el corte y empalme. Las mutaciones también pueden agregar nuevos sitios de reconocimiento de spliceosomas. Los errores de corte y empalme podrían llevar a que los intrones se retengan en el ARN empalmado, los exones sean extirpados o cambios en la ubicación del sitio de corte y empalme.
Glosario
- Casquillo de 7-metilguanosina
- modificación añadida al extremo 5' de los pre-ARNm para proteger el ARNm de la degradación y ayudar a la traducción
- anticodón
- secuencia de tres nucleótidos en una molécula de ARNt que corresponde a un codón de ARNm
- exón
- secuencia presente en el ARNm codificante de proteínas después de completar el corte y empalme de pre-ARNm
- intrón
- Secuencias intervinientes no codificantes de proteínas que se empalman a partir de ARNm durante el procesamiento
- Cola poli-A
- modificación añadida al extremo 3' de los pre-ARNm para proteger el ARNm de la degradación y ayudar a la exportación de ARNm desde el núcleo
- Edición de ARN
- alteración directa de uno o más nucleótidos en un ARNm que ya se ha sintetizado
- empalmar
- proceso de eliminación de intrones y reconexión de exones en un pre-ARNm