7.5A: Alargamiento y Terminación en Eucariotas

La elongación sintetiza el pre-ARNm en una dirección 5' a 3', y la terminación ocurre en respuesta a las secuencias y señales de terminación.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Describir lo que sucede durante la elongación y terminación de la transcripción

Claves para llevar

Puntos Clave

• La ARN polimerasa II (RNAPII) transcribe la mayor proporción de genes eucariotas.
• Durante la elongación, la maquinaria de transcripción necesita mover las histonas fuera del camino cada vez que se encuentra con un nucleosoma.
• El alargamiento de la transcripción ocurre en una burbuja de ADN desenrollado, donde la ARN Polimerasa utiliza una cadena de ADN como molde para catalizar la síntesis de una nueva cadena de ARN en la dirección 5' a 3'.
• La ARN Polimerasa I y la ARN Polimerasa III terminan la transcripción en respuesta a secuencias de terminación específicas en el ADN que se transcribe (ARN Polimerasa I) o en el ARN recién sintetizado (ARN Polimerasa III).
• La ARN polimerasa II termina la transcripción en ubicaciones aleatorias más allá del final del gen que se transcribe. El ARN recién sintetizado se escinde en una ubicación especificada por la secuencia y se libera antes de que termine la transcripción.

Términos Clave

• nucleosoma: cualquiera de las subunidades que se repiten en la cromatina; una espiral de ADN que rodea un núcleo de histona
• histona: cualquiera de las diversas proteínas simples solubles en agua que son ricas en los aminoácidos básicos lisina y arginina y están complejadas con ADN en los nucleosomas de la cromatina eucariota
• cromatina: un complejo de ADN, ARN y proteínas dentro del núcleo celular del cual los cromosomas se condensan durante la división celular

Transcripción a través de Nucleosomas

Después de la formación del complejo previo a la iniciación, la polimerasa se libera de los otros factores de transcripción, y se permite que la elongación continúe con la polimerasa sintetizando ARN en la dirección 5' a 3'. La ARN Polimerasa II (RNAPII) transcribe la mayor proporción de genes eucariotas, por lo que esta sección se centrará principalmente en cómo esta polimerasa específica logra la elongación y terminación.

Aunque el proceso enzimático de elongación es esencialmente el mismo en eucariotas y procariotas, el molde de ADN eucariota es más complejo. Cuando las células eucariotas no se están dividiendo, sus genes existen como una masa difusa, pero aún extensamente empaquetada y compactada 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 dos veces alrededor de las ocho histonas en un hilo similar a un nucleosoma 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 dímero proteico especial llamado FACT, que significa “facilita la transcripción de la cromatina”. FACT desensambla parcialmente el nucleosoma inmediatamente delante (aguas arriba) de una ARN polimerasa II transcrita mediante la eliminación de dos de las ocho histonas (se elimina un solo dímero de histonas H2A y H2B). Esto presumiblemente afloja suficientemente el ADN envuelto alrededor de ese nucleosoma para que la ARN Polimerasa II pueda transcribirse a través de él. FACT reensambla el nucleosoma detrás de la ARN Polimerasa II devolviéndole las histonas faltantes. La ARN polimerasa II continuará alargando el ARN recién sintetizado hasta que termine la transcripción.

El dímero de proteínas FACT permite que la ARN Polimerasa II se transcriba a través de ADN empaquetado: El ADN en eucariotas se empaqueta en nucleosomas, los cuales consisten en un octómero de 4 proteínas histonas diferentes. Cuando el ADN se enrolla fuertemente dos veces alrededor de un nucleosoma, la ARN polimerasa II no puede acceder a él para su transcripción. FACT elimina dos de las histonas del nucleosoma inmediatamente antes de la ARN Polimerasa, aflojando el empaque para que la ARN Polimerasa II pueda continuar la transcripción. FACT también reensambla el nucleosoma inmediatamente detrás de la ARN Polimerasa devolviendo las histonas faltantes.

Alargamiento

La ARN Polimerasa II es un complejo de 12 subunidades proteicas. Las subunidades específicas dentro de la proteína permiten que la ARN Polimerasa II actúe como su propia helicasa, pinza deslizante, proteína de unión a ADN monocatenario, así como realizar otras funciones. En consecuencia, la ARN polimerasa II no necesita tantas proteínas accesorias para catalizar la síntesis de nuevas cadenas de ARN durante el alargamiento de la transcripción como la ADN polimerasa para catalizar la síntesis de nuevas cadenas de ADN durante el alargamiento de replicación.

Sin embargo, la ARN Polimerasa II necesita una gran colección de proteínas accesorias para iniciar la transcripción en los promotores génicos, pero una vez que el ADN bicatenario en la región de inicio de la transcripción se ha desenrollado, la ARN Polimerasa II se ha posicionado en el nucleótido de iniciación +1, y ha comenzado a catalizar nuevos Síntesis de cadena de ARN, ARN Polimerasa II borra o “escapa” de la región promotora y deja atrás la mayoría de las proteínas de iniciación de la transcripción.

Todas las ARN polimerasas viajan a lo largo de la cadena de ADN molde en la dirección 3' a 5' y catalizan la síntesis de nuevas cadenas de ARN en la dirección 5' a 3', agregando nuevos nucleótidos al extremo 3' de la cadena de ARN en crecimiento.

Las ARN polimerasas desenrollan el ADN bicatenario delante de ellas y permiten que el ADN desenrollado detrás de ellas se rebobine. Como resultado, la síntesis de cadenas de ARN ocurre en una burbuja de transcripción de aproximadamente 25 pares de bases de ADN desenrolladas. Solo alrededor de 8 nucleótidos de ARN recién sintetizado permanecen unidos al ADN molde. El resto de las moléculas de ARN se cae del molde para permitir que el ADN detrás de él se rebobine.

Las ARN polimerasas usan la cadena de ADN debajo de ellas como molde para dirigir qué nucleótido agregar al extremo 3' de la cadena de ARN en crecimiento en cada punto de la secuencia. La ARN polimerasa viaja a lo largo del ADN molde un nucleótido a la vez. Cualquiera que sea el nucleótido de ARN que sea capaz de aparearse bases con el nucleótido molde debajo de la ARN polimerasa es el siguiente nucleótido que se va a agregar. Una vez que se ha catalizado la adición de un nuevo nucleótido al extremo 3' de la cadena en crecimiento, la ARN Polimerasa pasa al siguiente nucleótido de ADN en el molde debajo de ella. Este proceso continúa hasta que se produce la terminación de la transcripción.

Terminación

Terminación de la transcripción por ARN Polimerasa II en un gen que codifica proteínas. : La ARN Polimerasa II no tiene señales específicas que terminen su transcripción. En el caso de genes que codifican proteínas, un complejo proteico se unirá a dos ubicaciones en el pre-ARNm en crecimiento una vez que la ARN Polimerasa haya transcrito más allá del final del gen. La CPSF en el complejo se unirá a una secuencia de AAUAAA, y CstF en el complejo se unirá a una secuencia rica en Gu (figura superior). La CPSF en el complejo escindirá el pre-ARNm en un sitio entre las dos secuencias unidas, liberando el pre-ARNm (figura media). La Poli (A) Polimerasa es una parte del mismo complejo y comenzará a agregar una cola de poli-A al pre-ARNm. Al mismo tiempo, la proteína Xrn2, que es una exonucleasa, ataca el extremo 5' de la cadena de ARN aún asociada con la ARN Polimerasa. Xrn2 comenzará a digerir la porción no liberada del ARN recién sintetizado hasta que Xrn2 alcance la ARN polimerasa, donde ayuda a desplazar la ARN polimerasa de la cadena de ADN molde. Esto termina la transcripción en alguna ubicación aleatoria aguas abajo del extremo verdadero del gen (figura inferior).

La terminación de la transcripción es diferente para las tres ARN polimerasas eucariotas diferentes.

Los genes ribosómicos de ARNr transcritos por la ARN Polimerasa I contienen una secuencia específica de pares de bases (11 pb de longitud en humanos; 18 pb en ratones) que es reconocida por una proteína de terminación llamada TTF-1 (Factor de Terminación de Transcripción para la ARN Polimerasa I.) Esta proteína se une al ADN en su secuencia de reconocimiento y bloquea la transcripción adicional, haciendo que la ARN polimerasa I se desenganche de la cadena de ADN molde y libere su ARN recién sintetizado.

Los genes que codifican proteínas, ARN estructural y ARN regulador transcritos por ARN Polymerse II carecen de señales o secuencias específicas que dirijan a la ARN polimerasa II a terminar en ubicaciones específicas. La ARN polimerasa II puede continuar transcribiendo ARN en cualquier lugar desde unos pocos pb hasta miles de pb más allá del final real del gen. Sin embargo, el transcrito se escinde en un sitio interno antes de que la ARN Polimerasa II termine de transcribir. Esto libera la porción aguas arriba del transcrito, que servirá como el ARN inicial antes del procesamiento posterior (el pre-ARNm en el caso de genes que codifican proteínas). Este sitio de escisión se considera el “extremo” del gen. El resto del transcrito es digerido por una 5′-exonucleasa (llamada Xrn2 en humanos) mientras que aún está siendo transcrito por la ARN Polimerasa II. Cuando la exonulasa 5' “se pone al día” con la ARN Polimerasa II al digerir todo el ARN que sobresale, ayuda a desenganchar la polimerasa de su cadena molde de ADN, terminando finalmente esa ronda de transcripción.

En el caso de genes que codifican proteínas, el sitio de escisión que determina el “extremo” del pre-ARNm emergente ocurre entre una secuencia de AAUAAA aguas arriba y una secuencia rica en Gu aguas abajo separadas por aproximadamente 40-60 nucleótidos en el ARN emergente. Una vez que ambas secuencias han sido transcritas, una proteína llamada CPSF en humanos se une a la secuencia AAUAAA y una proteína llamada CstF en humanos se une a la secuencia rica en Gu. Estas dos proteínas forman la base de un complejo proteico complicado que se forma en esta región antes de que la CPSF escinda el pre-ARNm naciente en un sitio 10-30 nucleótidos aguas abajo del sitio AAUAAA. La enzima Poli (A) Polimerasa que cataliza la adición de una cola 3' poli-A en el pre-ARNm es parte del complejo que se forma con CPSF y CstF.

Los genes de ARNt, ARNr 5S y ARN estructurales transcritos por la ARN Polimerasa III tienen una señal de terminación no entendida completamente. Los ARN transcritos por la ARN Polimerasa III tienen un tramo corto de cuatro a siete U en su extremo 3'. Esto de alguna manera desencadena que la ARN polimerasa III libere el ARN naciente y se desacople de la cadena de ADN molde.