Regulación Postranscripcional

Control postranscripcional de la expresión génica

Recordemos el Dogma Central según el cual las instrucciones en forma de ADN en la célula se convierten en ARN antes de convertirse finalmente en proteínas (Fig. 1).

Durante la transcripción, el ADN se convierte en ARN nuclear heterogéneo (ARNnh). Tras la transcripción, se producen una serie de modificaciones catalizadas por enzimas denominadas modificaciones postranscripcionales para convertir el ARNhn en ARN mensajero funcional (ARNm).

En las células eucariotas, tanto la transcripción como las modificaciones postranscripcionales se producen en el núcleo, mientras que la traducción tiene lugar en el citoplasma. Como los virus y las bacterias utilizan ARN monocatenario para replicarse dentro del citoplasma, las células eucariotas han desarrollado mecanismos para degradar el ARN monocatenario como mecanismo de protección.

Si los ARNhn sin modificaciones postranscripcionales se liberan en el citoplasma, serían degradados por la propia maquinaria de degradación de la célula. Las modificaciones postranscripcionales en el núcleo permiten que el ARNm evite la autodegradación y sobreviva en el duro entorno del citoplasma.

En cambio, las células procariotas no tienen orgánulos ni núcleo. Por lo tanto, tanto la transcripción como la traducción se producen en el citoplasma. Para evitar que el ARN se degrade en el citoplasma, los procariotas comienzan la traducción antes de que se haya completado la transcripción.

Por lo tanto, las células procariotas no tienen modificaciones postranscripcionales, en su lugar, los procariotas tienen mecanismos alternativos para validar la calidad del ARNm y evitar la replicación viral.

Tipos de regulación postranscripcional

Hay tres modificaciones postranscripcionales que deben producirse en el ARNhn antes de que pueda liberarse en el citoplasma como ARNm maduro:

1. Adición de una tapa de 5' GTP.
2. Adición de una cola 3' poli-A.
3. Eliminación de intrones y retención de exones.

Los detalles de cada modificación se tratarán en la siguiente sección.

Regulación postranscripcional en eucariotas

Adición de un casquete 5' GTP

Recordemos que el ARN y el ADN tienen direccionalidad con un extremo 5' y un extremo 3'. Al final del extremo 5' del ARNhn, se añade un capuchón de 7-metilguanilato-trifosfato, también conocido como capuchón 5' GTP. El capuchón 5' GTP es un nucleótido de guanina modificado con un grupo metilo adicional en la 7ª posición de la guanina.

La adición del casquete 5' GTP está catalizada por tres enzimas que forman parte del complejo de unión CAP. El complejo de unión CAP conectará el carbono 5' del casquete de GTP con el carbono 5' del primer nucleótido para crear un puente trifosfato de 5'-a-5'.

La cápsula 5' de GTP tiene tres funciones generales:

1. Ayudar al procesamiento del ARN y a la exportación del ARN del núcleo.

2. Actuar como marcador para orientar el ARNm durante la traducción en el citoplasma.

3. Proteger el ARNm de la degradación.

Adición de una cola 3' poli-A

La cola de poliadenosilo (poli-A ) se añade al extremo 3' del ARNhn para proteger el transcrito de ARN de una rápida degradación en el citoplasma.

Una vez que cualquier cadena de ARN monocatenario entra en el citoplasma, será degradada rápidamente por la maquinaria de degradación de la célula conocida como 3'-exonucleasas. Las 3' exonucleasas degradan rápidamente el ARN monocatenario empezando por su extremo 3' como mecanismo de protección contra los transcritos de ARN víricos y bacterianos. Una vez que el ARNm se libera en el citoplasma, también será degradado por las 3'-exonucleasas.

Sin embargo, la cola poli-A actúa como un amortiguador que se degradará antes que la información codificante del ARNm. Cuanto más larga sea la cola poli-A, más tiempo podrá sobrevivir el transcrito de ARNm en el citoplasma. La cola poli-A también es crítica para la exportación del ARNm maduro del núcleo al citoplasma.

La adición de la tapa 5' de GTP y la cola 3' de poli-A se ilustra en la Figura 2.

Eliminación de intrones

Recuerda que los genes eucariotas están formados por secuencias codificantes denominadas exones y secuencias no codificantes denominadas intrones. A menudo, los intrones están espaciados entre los exones, por lo que, tras la transcripción del ADN en ARN, hay que eliminar los intrones y volver a ensamblar los exones en una cadena de ARNm (Fig. 3).

El proceso para eliminar los intrones se conoce como splicing. El empalme lo realiza un complejo llamado espliceosoma , que a su vez está formado por ARN no codificante llamado ARN nuclear pequeño (ARNnp) y proteínas llamadas ribonucleoproteína nuclear pequeña(snRNPs).

Juntos forman el espliceosoma, que reconocerá los límites del intrón y los separará del ARN para degradarlos. El producto final es un transcrito de ARN formado únicamente por exones.

Sin embargo, algunos genes eucariotas están formados por combinaciones únicas de exones. Esto significa que no todos los exones se transcriben en un ARNm maduro.

En la Figura 4, se incluyen diferentes exones en la transcripción final del ARNm. A la izquierda, el exón nº 2, pero no el nº 3, puede estar incluido en el ARNm nº 1, mientras que lo contrario puede ser cierto para el ARNm nº 2. Esta inclusión selectiva de exones se conoce como splicing alternativo. El splicing alternativo permite fabricar diferentes formas de la proteína a partir de la misma secuencia de ADN.

Ejemplos de regulación postranscripcional

Recordemos que todas las células del cuerpo humano tienen el mismo genoma, sin embargo, no todas las células tienen el mismo aspecto ni expresan las mismas proteínas.

Una razón principal de esta diferencia es que las distintas células expresan genes diferentes. Otra razón es el empalme alternativo. Las células pueden empalmar los transcritos de ARN de forma diferente para fabricar proteínas distintas a partir del mismo gen. De hecho, el 75% de los genes humanos producen múltiples formas de las mismas proteínas, lo que en última instancia aumenta el potencial de codificación del genoma.

Las modificaciones postranscripcionales también son fundamentales para la determinación del sexo en la mosca de la fruta. Al igual que los humanos, en la mosca de la fruta hay ciertos genes que pueden empalmarse alternativamente para formar versiones diferentes de la misma proteína: un gen en particular, llamado gen doublesex, es responsable de determinar el sexo de la mosca de la fruta. Tras el empalme alternativo, una forma de la proteína doublesex inhibirá los genes implicados en el desarrollo de la mosca de la fruta macho.

Sin embargo, otra forma de la proteína inhibirá el desarrollo de la mosca de la fruta hembra. Es importante destacar que este ejemplo ilustra cómo las modificaciones postranscripcionales pueden tener efectos drásticos en el organismo, aunque el gen en sí sea idéntico.

En última instancia, el splicing alternativo aumenta el potencial de codificación del genoma. En lugar de tener dos vías génicas independientes, el mismo gen puede expresarse de forma diferente mediante el splicing alternativo para tener efectos opuestos.

Regulación postranscripcional en procariotas

A diferencia de los eucariotas, los procariotas no tienen modificaciones postranscripcionales. El casquete 5' GTP, la cola 3' poli-A y los intrones son exclusivos de los eucariotas. Una de las razones puede deberse a la separación espacial entre el ARN y las proteínas en los eucariotas.

A diferencia de los eucariotas, los procariotas no tienen núcleo, por lo que tanto la transcripción como la traducción se producen en el citoplasma. Esto significa que el ARN no necesita ser transportado del núcleo al citoplasma. Sin esta necesidad de transporte, la traducción puede producirse en el transcrito de ARNm simultáneamente mientras se construye el transcrito de ARNm.

Por lo tanto, el ARNm no necesitaría estar tan cuidadosamente protegido contra la degradación, ya que la traducción comienza inmediatamente. Sin la necesidad de protección y transporte, no serían necesarias las modificaciones post-transcripcionales.

Sin embargo, los procariotas tienen formas alternativas de comprobar la calidad del ARNm. Si el ribosoma traduce un ARNm incompleto o roto, se añadirá una etiqueta de 11 aminoácidos al final del polipéptido recién sintetizado. Esta etiqueta de 11 aminoácidos actúa como señal para que las proteasas de la célula procariota destruyan toda la proteína. Al destruir la proteína, se evita que las proteínas incompletas o rotas permanezcan en la célula.

Además, sin modificaciones posteriores a la transcripción, los ARNm se degradan rápidamente en la célula procariota; por tanto, la traducción debe producirse mientras se sintetiza un nuevo transcrito de ARNm.