16.1: Regulación de la Expresión Génica

Habilidades para Desarrollar

• Discutir por qué cada célula no expresa todos sus genes
• Describir cómo se produce la regulación génica procariota a nivel transcripcional
• Discutir cómo ocurre la regulación de genes eucariotas en los niveles epigenético, transcripcional, postranscripcional, traduccional y postraduccional

Para que una célula funcione correctamente, las proteínas necesarias deben sintetizarse en el momento adecuado. Todas las células controlan o regulan la síntesis de proteínas a partir de información codificada en su ADN. El proceso de activar un gen para producir ARN y proteína se denomina expresión génica. Ya sea en un organismo unicelular simple o en un organismo multicelular complejo, cada célula controla cuándo y cómo se expresan sus genes. Para que esto ocurra, debe haber un mecanismo para controlar cuándo se expresa un gen para hacer ARN y proteína, qué cantidad de la proteína se elabora, y cuándo es el momento de dejar de producir esa proteína porque ya no es necesaria.

La regulación de la expresión génica conserva la energía y el espacio. Se requeriría una cantidad significativa de energía para que un organismo exprese cada gen en todo momento, por lo que es más eficiente energéticamente encender los genes sólo cuando se requieren. Además, solo expresar un subconjunto de genes en cada célula ahorra espacio porque el ADN debe desenrollarse de su estructura fuertemente enrollada para transcribir y traducir el ADN. Las células tendrían que ser enormes si cada proteína se expresara en cada célula todo el tiempo.

El control de la expresión génica es extremadamente complejo. Las disfunciones en este proceso son perjudiciales para la célula y pueden conducir al desarrollo de muchas enfermedades, entre ellas el cáncer.

Expresión génica procariota versus eucariota

Para entender cómo se regula la expresión génica, primero debemos entender cómo un gen codifica para una proteína funcional en una célula. El proceso ocurre tanto en células procariotas como eucariotas, solo de maneras ligeramente diferentes.

Los organismos procariotas son organismos unicelulares que carecen de un núcleo celular y, por lo tanto, su ADN flota libremente en el citoplasma celular. Para sintetizar una proteína, los procesos de transcripción y traducción ocurren casi simultáneamente. Cuando la proteína resultante ya no es necesaria, la transcripción se detiene. Como resultado, el método primario para controlar qué tipo de proteína y qué cantidad de cada proteína se expresa en una célula procariota es la regulación de la transcripción del ADN. Todos los pasos posteriores ocurren automáticamente. Cuando se requiere más proteína, se produce más transcripción. Por lo tanto, en las células procariotas, el control de la expresión génica es principalmente a nivel transcripcional.

Las células eucariotas, en contraste, tienen orgánulos intracelulares que se suman a su complejidad. En las células eucariotas, el ADN está contenido dentro del núcleo de la célula y ahí se transcribe en ARN. El ARN recién sintetizado es luego transportado fuera del núcleo al citoplasma, donde los ribosomas traducen el ARN en proteína. Los procesos de transcripción y traducción están físicamente separados por la membrana nuclear; la transcripción ocurre solo dentro del núcleo, y la traducción ocurre solo fuera del núcleo en el citoplasma. La regulación de la expresión génica puede ocurrir en todas las etapas del proceso (Figura\(\PageIndex{1}\)). La regulación puede ocurrir cuando el ADN se desenrolla y se afloja de los nucleosomas para unirse a factores de transcripción (nivel epigenético), cuando se transcribe el ARN (nivel transcripcional), cuando el ARN se procesa y exporta al citoplasma después de transcrito (nivel postranscripcional) ), cuando el ARN se traduce en proteína (nivel traduccional), o después de que la proteína se haya hecho (nivel postraduccional).

Figura\(\PageIndex{1}\): La transcripción y traducción procariota ocurren simultáneamente en el citoplasma, y la regulación ocurre a nivel transcripcional. La expresión de genes eucariotas se regula durante la transcripción y el procesamiento del ARN, que tienen lugar en el núcleo, y durante la traducción de proteínas, que tiene lugar en el citoplasma. La regulación adicional puede ocurrir a través de modificaciones postraduccionales de proteínas.

A continuación se resumen las diferencias en la regulación de la expresión génica entre procariotas y eucariotas. La regulación de la expresión génica se discute en detalle en módulos posteriores.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Diferencias en la regulación de la expresión génica de organismos procariotas y eucariotas

Organismos procariotas	Organismos eucariotas
Núcleo de carencia	Contienen núcleo
El ADN se encuentra en el citoplasma	El ADN está confinado al compartimento nuclear
La transcripción de ARN y la formación de proteínas ocurren casi simultáneamente	La transcripción del ARN ocurre antes de la formación de la proteína, y tiene lugar en el núcleo. La traducción de ARN a proteína ocurre en el citoplasma.
La expresión génica está regulada principalmente a nivel transcripcional	La expresión génica está regulada en muchos niveles (epigenético, transcripcional, traslación nuclear, postranscripcional, traduccional y postraduccional)

Conexión Evolutiva: Evolución de la Regulación Génica

Las células procariotas solo pueden regular la expresión génica controlando la cantidad de transcripción. A medida que las células eucariotas evolucionaron, la complejidad del control de la expresión génica aumentó. Por ejemplo, con la evolución de las células eucariotas vino la compartimentación de componentes celulares importantes y procesos celulares. Se formó una región nuclear que contiene el ADN. La transcripción y traducción se separaron físicamente en dos compartimentos celulares diferentes. Por lo tanto, fue posible controlar la expresión génica regulando la transcripción en el núcleo, y también controlando los niveles de ARN y la traducción de proteínas presentes fuera del núcleo.

Algunos procesos celulares surgieron de la necesidad del organismo de defenderse. Procesos celulares como el silenciamiento génico desarrollados para proteger a la célula de infecciones virales o parasitarias. Si la célula pudiera cerrar rápidamente la expresión génica por un corto período de tiempo, podría sobrevivir a una infección cuando otros organismos no podrían. Por lo tanto, el organismo evolucionó un nuevo proceso que le ayudó a sobrevivir, y pudo pasar este nuevo desarrollo a la descendencia.

Resumen

Si bien todas las células somáticas dentro de un organismo contienen el mismo ADN, no todas las células dentro de ese organismo expresan las mismas proteínas. Los organismos procariotas expresan todo el ADN que codifican en cada célula, pero no necesariamente todos al mismo tiempo. Las proteínas se expresan sólo cuando son necesarias. Los organismos eucariotas expresan un subconjunto del ADN que está codificado en cualquier célula dada. En cada tipo de célula, el tipo y cantidad de proteína se regula mediante el control de la expresión génica. Para expresar una proteína, el ADN se transcribe primero en ARN, que luego se traduce en proteínas. En las células procariotas, estos procesos ocurren casi simultáneamente. En las células eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y está separada de la traducción que se produce en el citoplasma. La expresión génica en procariotas está regulada solo a nivel transcripcional, mientras que en las células eucariotas, la expresión génica está regulada en los niveles epigenético, transcripcional, postranscripcional, traduccional y postraduccional.

Glosario

epigenética

cambios heredables que no implican cambios en la secuencia de ADN

expresión génica

procesos que controlan el encendido o apagado de un gen

postranscripcional

control de la expresión génica después de que se haya creado la molécula de ARN pero antes de que se traduzca en proteína

postraduccional

control de la expresión génica después de que se haya creado una proteína