16.5: Regulación génica postranscripcional eucariota
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- Comprender el empalme de ARN y explicar su papel en la regulación de la expresión génica
- Describir la importancia de la estabilidad del ARN en la regulación génica
El ARN se transcribe, pero debe procesarse en una forma madura antes de que pueda comenzar la traducción. Este procesamiento después de que se haya transcrito una molécula de ARN, pero antes de que se traduzca en una proteína, se denomina modificación postranscripcional. Al igual que con las etapas epigenética y transcripcional del procesamiento, esta etapa postranscripcional también se puede regular para controlar la expresión génica en la célula. Si el ARN no se procesa, se traslada o se traduce, entonces no se sintetizará ninguna proteína.
El corte y empalme de ARN, la primera etapa del control postranscripcional
En las células eucariotas, el transcrito de ARN a menudo contiene regiones, llamadas intrones, que se eliminan antes de la traducción. Las regiones de ARN que codifican para proteína se denominan exones (Figura\(\PageIndex{1}\)). Después de que se haya transcrito una molécula de ARN, pero antes de su salida del núcleo a traducir, se procesa el ARN y se eliminan los intrones mediante corte y empalme.
Conexión Evolutiva: Empalme de ARN alternativo
En la década de 1970, se observaron por primera vez genes que exhibieron corte y empalme de ARN alternativo. El empalme alternativo de ARN es un mecanismo que permite producir diferentes productos proteicos a partir de un gen cuando diferentes combinaciones de intrones, y a veces exones, se eliminan del transcrito (Figura\(\PageIndex{2}\)). Este empalme alternativo puede ser fortuito, pero más a menudo se controla y actúa como un mecanismo de regulación génica, con la frecuencia de diferentes alternativas de corte y empalme controladas por la célula como una forma de controlar la producción de diferentes productos proteicos en diferentes células o en diferentes etapas de desarrollo. Ahora se entiende que el empalme alternativo es un mecanismo común de regulación génica en eucariotas; según una estimación, el 70 por ciento de los genes en humanos se expresan como múltiples proteínas a través del corte y empalme alternativo.
¿Cómo podría evolucionar el empalme alternativo? Los intrones tienen una secuencia de reconocimiento inicial y final; es fácil imaginar el fracaso del mecanismo de empalme para identificar el final de un intrón y en su lugar encontrar el final del siguiente intrón, eliminando así dos intrones y el exón intermedio. De hecho, existen mecanismos para evitar tal omisión de intrones, pero es probable que las mutaciones conduzcan a su fracaso. Tales “errores” probablemente producirían una proteína no funcional. De hecho, la causa de muchas enfermedades genéticas es el empalme alternativo en lugar de mutaciones en una secuencia. Sin embargo, el corte y empalme alternativo crearía una variante proteica sin la pérdida de la proteína original, abriendo posibilidades de adaptación de la nueva variante a nuevas funciones. La duplicación génica ha jugado un papel importante en la evolución de nuevas funciones de manera similar al proporcionar genes que pueden evolucionar sin eliminar la proteína funcional original.
Enlace al aprendizaje
Visualiza cómo ocurre el empalme de ARNm viendo el proceso en acción en este video. Animaciones Celulares Virtuales NDSU Proyecto de animación 'empalme de mRNA.
Control de la estabilidad del ARN
Antes de que el ARNm abandone el núcleo, se le dan dos “tapas” protectoras que impiden que el extremo de la hebra se degrade durante su recorrido. El capuchón 5', que se coloca en el extremo 5' del ARNm, suele estar compuesto por una molécula de trifosfato de guanosina metilada (GTP). La cola poli-A, que está unida al extremo 3', suele estar compuesta por una serie de nucleótidos de adenina. Una vez que el ARN es transportado al citoplasma, se puede controlar el tiempo que el ARN reside allí. Cada molécula de ARN tiene una vida útil definida y se descompone a una velocidad específica. Esta tasa de descomposición puede influir en la cantidad de proteína que hay en la célula. Si se incrementa la tasa de desintegración, el ARN no existirá en el citoplasma en tanto tiempo, acortando el tiempo para que se produzca la traducción. Por el contrario, si se disminuye la tasa de decaimiento, la molécula de ARN residirá en el citoplasma más tiempo y se podrá traducir más proteína. Esta tasa de descomposición se conoce como la estabilidad del ARN. Si el ARN es estable, se detectará por periodos de tiempo más largos en el citoplasma.
La unión de proteínas al ARN puede influir en su estabilidad. Las proteínas, llamadas proteínas de unión a ARN, o RBP, pueden unirse a las regiones del ARN justo aguas arriba o aguas abajo de la región codificante de proteínas. Estas regiones en el ARN que no se traducen en proteína se denominan regiones no traducidas, o UTR. No son intrones (esos han sido removidos en el núcleo). Más bien, estas son regiones que regulan la localización del ARNm, la estabilidad y la traducción de proteínas. La región justo antes de la región codificante de proteínas se denomina UTR 5', mientras que la región después de la región codificante se denomina UTR 3' (Figura\(\PageIndex{3}\)). La unión de las RBP a estas regiones puede aumentar o disminuir la estabilidad de una molécula de ARN, dependiendo de la RBP específica que se une.
Estabilidad de ARN y microARN
Además de las RBP que se unen y controlan (aumentan o disminuyen) la estabilidad del ARN, otros elementos llamados microARN pueden unirse a la molécula de ARN. Estos microARN, o miARN, son moléculas de ARN cortas que tienen solo 21-24 nucleótidos de longitud. Los miARN se hacen en el núcleo como pre-miARN más largos. Estos pre-miRNAs son cortados en miRNAs maduros por una proteína llamada Dicer. Al igual que los factores de transcripción y las RBP, los miARN maduros reconocen una secuencia específica y se unen al ARN; sin embargo, los miARN también se asocian con un complejo ribonucleoproteico llamado complejo silenciador inducido por ARN (RISC). RISC se une junto con el miARN para degradar el ARNm diana. Juntos, los miARN y el complejo RISC destruyen rápidamente la molécula de ARN.
Resumen
El control postranscripcional puede ocurrir en cualquier etapa después de la transcripción, incluido el corte y empalme de ARN, el transporte nuclear y la estabilidad del ARN. Una vez que se transcribe el ARN, se debe procesar para crear un ARN maduro que esté listo para ser traducido. Esto implica la eliminación de intrones que no codifican para proteína. Los spliceosomas se unen a las señales que marcan el borde exón/intrón para eliminar los intrones y ligar los exones juntos. Una vez que esto ocurre, el ARN está maduro y puede traducirse. El ARN es creado y empalmado en el núcleo, pero necesita ser transportado al citoplasma para ser traducido. El ARN se transporta al citoplasma a través del complejo de poros nucleares. Una vez que el ARN está en el citoplasma, el tiempo que reside ahí antes de ser degradado, denominado estabilidad del ARN, también puede alterarse para controlar la cantidad global de proteína que se sintetiza. La estabilidad del ARN se puede aumentar, lo que lleva a un tiempo de residencia más largo en el citoplasma, o disminuir, lo que lleva a un tiempo más corto y menos síntesis de proteínas. La estabilidad del ARN está controlada por proteínas de unión a ARN (rPBS) y microARN (miARN). Estos rPBS y miARN se unen a la UTR 5' o la UTR 3' del ARN para aumentar o disminuir la estabilidad del ARN. Dependiendo del RBP, la estabilidad puede aumentarse o disminuirse significativamente; sin embargo, los miARN siempre disminuyen la estabilidad y promueven la descomposición.
Glosario
- 3' UTR
- región 3' no traducida; región justo aguas abajo de la región codificante de proteínas en una molécula de ARN que no se traduce
- Tapa de 5'
- una molécula metilada de trifosfato de guanosina (GTP) que está unida al extremo 5' de un ARN mensajero para proteger el extremo de la degradación
- 5' UTR
- región 5' no traducida; región justo aguas arriba de la región codificante de proteínas en una molécula de ARN que no se traduce
- dicer
- enzima que corta el pre-miARN en la forma madura del miARN
- MicroARN (miARN)
- moléculas de ARN pequeñas (aproximadamente 21 nucleótidos de longitud) que se unen a moléculas de ARN para degradarlas
- Cola poli-A
- una serie de nucleótidos de adenina que están unidos al extremo 3' de un ARNm para proteger el extremo de la degradación
- Proteína de unión a ARN (RBP)
- proteína que se une a la UTR 3' o 5' para aumentar o disminuir la estabilidad del ARN
- Estabilidad del ARN
- cuánto tiempo permanecerá intacta una molécula de ARN en el citoplasma
- región no traducida
- segmento de la molécula de ARN que no se traducen en proteína. Estas regiones se encuentran antes (aguas arriba o 5') y después (aguas abajo o 3') de la región codificante de proteína
- RISC
- complejo proteico que se une junto con el miARN al ARN para degradarlo