Tema 24: REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA

CONTROL DE LA EXPRESION GENETICA EN EUCARIOTAS

La regulación genética en las células eucariotas es más compleja que en las bacterianas. Frente a los 3000-4000 genes presentes en un genoma bacteriano, se estima que el genoma humano posee alrededor de 100000, aunque no todos estos genes se expresan por igual en todas las células del cuerpo humano. A pesar de que todas las células poseen la misma información genética, ciertas proteínas se sintetizan en todos los tipos de células (proteínas constitutivas o domesticas). Por el contrario, otras son específicas de tejidos o células determinados, pudiendo sintetizarse en cantidades abundantes, como la hemoglobina en las células eritroides o la albumina en el hígado, o en pequeñas cantidades (receptores hormonales, factores de transcripción, etc). No solo el tipo de proteínas y la cantidad sintetizada varían de una célula a otra; también la necesidad de una determina proteína cambia con el tiempo. Durante el desarrollo de los organismos pluricelulares, existe un patrón de expresión genética complejo que hace que determinadas proteínas que modulan la diferenciación celular se sinteticen en determinados tipos de células durante un periodo muy corto (control temporal de la expresión genética).

Los procesos de regulación de la expresión genética en organismos eucariotas, aunque en muchos casos son similares a los que tienen lugar en las bacterias (ej, activación transcripcional), presentan mecanismos en los que tanto la propia estructura del ADN, como las señales y los mediadores son bastantes diferentes. Así, que los genes de eucariotas no solo responden a señales nutricionales o medioambientales (tipo de alimentos, presencia de metales pesados, temperaturas elevadas, etc.), sino también a comunicadores intercelulares, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento, etc.

La expresión de los genes de un organismo superior puede ser regulada a distintos niveles. Desde el punto de vista patológico, es importante resaltar que la alteración de cualquiera de los pasos implicados en la expresión génica puede causar enfermedades.

CONTROL PRE-TRANSCRIPCIONAL

El inicio de la transcripción requiere que la maquinaria molecular responsable (RNA polimerasa y factores de transcripción) pueda acceder a las bases de la hebra de DNA que se ha de transcribir. Ello supone la descondensación previa del cromosoma durante la interfase del ciclo de división celular, mediante mecanismos moleculares aun no conocidos exactamente. (en las bacterias, la RNA polimerasa tiene generalmente acceso a todos los promotores y puede unirse e iniciar la transcripción con cierto grado de eficiencia en ausencia de activadores o represores, mientras que en las eucariotas el acceso a los promotores esta restringido por la estructura de la cromatina y la activación de la transcripción está asociada con múltiples cambios en la estructura de la cromatina en la región transcrita.)

La transcripción no puede tener lugar sobre el DNA en estados de condensación superiores a la fibra de 10nm (rosario de nucleosomas). En ocasiones el DNA se puede transcribir cuando se encuentra bajo la forma de complejos con las histonas (nucleosomas), pero también puede ser necesario que estos se desensamblen para permitir el acceso al DNA. En general, la accesibilidad de DNA a la transcripción, o actividad transcripcional de la cromatina,

está relacionada estrechamente con el grado de condensación y puede valorarse experimentalmente por la sensibilidad a la acción de DNasas.

Se puede considerar que el acceso al DNA para la transcripción es una combinación de tres mecanismos:

a) Posición precisa de los nucleosomas

el reconocimiento de las secuencias promotoras del DNA por los factores de transcripción puede tener lugar, al menos en algún caso, gracias a una posición muy especifica de los nucleosomas, de forma que tales secuencias queden en la región internucleosómica (DNA espaciador o linker, o si forman parte del nucleosoma, queden orientadas hacia su superficie externa

b) Retirada de los nucleosomas

Tanto el reconocimiento de las secuencias promotoras por los factores de transcripción como la unión y avance de la RNApol pueden requerir la liberación de las histonas, o al menos el desplazamiento de los nucleosomas, para hacer el DNA accesible. Se han encontrado proteínas capaces de efectuar este “remodelado de la cromatina·” gracias a la hidrólisis de ATP.

Remodelación de la cromatina: se ha identificado diversos enzimas directamente implicados en el proceso, entre los que se encuentran los enzimas que acetilan y desacetilan las histonas internas del nucleosoma y otros que utilizan la energía de ATP para remodelar nucleosomas en el DNA.

-La remodelación de la cromatina requiere complejos que muevan o desplacen activamente a los nucleosomas, con hidrólisis concomitante de ATP. El complejo enzimático SWI/SNF, que se encuentra en todas las células eucariotas, contiene 11 polipetidos, que juntos crean sitios hipersensibles en la cromatina y estimulan la unión de factores de transcripción (no se necesita para la transcripción de todos los genes). NURF es otro complejo enzimático dependiente de ATP que remodela la cromatina; su actividad se complementa y se solapa con la de SWI/SNF. Estos complejos enzimáticos desempeñan un importante papel en la preparación de una región en la cromatina para la transcripción activa.

c) Avance compatible con la presencia de nucleosomas

la transcripción puede tener lugar en regiones de DNA con nucleosomas íntegros; posiblemente, la RNA polimerasa se desplaza a lo largo de la fibra de 10nm, transcribiendo una hebra gracias a un desensamblado parcial y reversible de los nucleosomas.

Un factor importante en los mecanismos b y c anteriores es la acetilación de las histonas de la partícula núcleo. Existen enzimas en la célula que unen grupos acetilo a los residuos de lisina de las histonas, reduciendo así la carga positiva de estas proteínas, lo cual probablemente disminuye su interacción con el DNA. Varias de estas histona-acetiltransferasas son factores de transcripción (en especial, coactivadores). Existen igualmente histona-desacetilasas que catalizan la reacción opuesta de desacetilación.

Acetilación y Desacetilación: juega un papel destacado en los procesos de activación de la cromatina para la transcripción. Los dominios amino-terminales de las histonas internas son generalmente ricos en residuos de Lys. Las histonas acetiltransferasa (HAT) acetilan residuos de Lys específicos. La HAT citosolicas (tipo B) acetilan histonas recién sintetizadas antes de que sean importadas al núcleo. El posterior ensamblaje de las histonas en cromatina esta facilitado por proteínas adicionales: CAF1 para la H3 y la H4 y NAP1 para la H2A y la H2B (H1, H2, H2A H2B tipos de histonas ubicadas internamente en los nucleosomas).

Allí donde la cromatina está siendo activada para la transcripción, las histonas del nucleosoma se acetilan por HAT nucleares (tipo A). La acetilación de múltiples residuos de Lys en los dominios amino-terminales de las histonas H3 y H4 puede reducir la afinidad del nucleosoma por el DNA. La acetilación también puede impedir o promover interacciones con otras proteínas implicadas en la transcripción o en su regulación. Cuando la transcripción de un gen ya no es necesaria, la acetilación de los nucleosomas en la región donde se encuentra disminuye por acción de las histonas desacetilada, como parte del proceso general de silenciación de genes que restablece el estado transcripcionalmente inactivo de la cromatina. Además de la eliminación de determinados grupos acetilo, nuevas modificaciones covalentes de las histonas marcan la cromatina como transcripcionalmente inactiva, por ejemplo, el residuo de Lys en posición 9 de la histona H3 se encuentra a menudo metilado en la heterocromatina.

1)

Otro cambio de la estructura de la cromatina asociado con la

transcripción es la metilación de la base citosina, que resulta en 5-

metilcitosina. La metilación de la citosina del ADN es distinta de la

metilación de las histonas ya mencionada. El ADN intensamente

metilado se asocia con la represión de la transcripción en

vertebrados y plantas, mientras que el ADN transcripcionalmente

activo a menudo no está metilado en estos organismos. Los patrones

anormales de metilación se asocian también con ciertos tipos de

cáncer. Las regiones del ADN con muchas secuencias CpG se

denominan islas CpG y por lo común se encuentran cerca de los

sitios de iniciación de la transcripción. Mientras los genes no se están

transcribiendo, estas islas CpG con frecuencia se encuentran

metiladas, pero los grupos metilo se eliminan antes de la iniciación de

la transcripción. La metilación parece atraer desacetilasas, que

eliminan los grupos acetilo de las colas de las histonas, lo que

estabiliza la estructura del nucleosoma y reprime la transcripción. La

desmetilación del ADN permitiría que las acetiltransferasas añadieran

grupos acetilo que alteran la estructura del nucleosoma y permiten

la transcripción.

Una modificación de las histonas es la adición de grupos metilo a las colas de

las histonas. Estas modificaciones pueden provocar la activación o represión

de la transcripción según qué aminoácido en particular de la cola de la

histona esté metilado. Una modificación común es el agregado de tres grupos

metilo a la lisina 4 en la cola de la histona H3, abreviada H3K4me3 se halla

frecuentemente cerca del sitio de inicio de la transcripción de los genes en los

eucariontes. Estudios recientes han identificado proteínas que reconocen y se

unen a H3K4me3, incluida una proteína denominada factor de remodelación

del nucleosoma (NURF). NURF y otras proteínas que reconocen H3K4me3

tienen un dominio de unión a proteína que se une a la cola de la histona H3 y

luego altera el empaquetamiento de la cromatina, lo que permite que ocurra

la transcripción.

CONTROL TRANSCRIPCIONAL

La expresión de algunos genes sufren una regulación aun mas compleja, que depende de secuencias situadas a gran distancia del punto de inicio, incluso de varios miles de pb, corriente abajo. Esto ocurre especialmente para los genes inducibles, aquellos que no se expresan continuamente en la célula, sino cuya expresión sufre una regulación amplia y precisa como respuesta a diversas señales (ej, hormonas esteroides y tiroideas). Aunque no se suelen contemplar como tales, estas secuencias promotoras deben también considerarse parte del gen, atendiendo el concepto funcional de éste. En general se las llama secuencias promotoras distales, por encontrarse alejadas del origen, o también, de acuerdo a su función, elementos específicos de regulación, módulos de control o elementos respuesta.

Estas secuencias promotoras son muy variadas y especificas para cada gen. Otra particularidad es que actúan tanto activando la transcripción como reduciéndola. De acuerdo con ello, se clasifican en dos tipos:

-Potenciadores, activadores, intensificadores, amplificadores o estimuladores (enhancers). Pueden aumentar mucho la velocidad de inicio de la transcripción (y, por consiguiente, la del proceso completo) conseguida a partir de promotores basales y proximales situados en la misma molécula de DNA.

-silenciadores o inhibidores (silencers). Tiene el efecto opuesto, generalmente porque los factores de transcripción que se unen a ellos compiten con la acción de los específicos de los promotores potenciadores y proximales.

Elementos que actúan en cis y trans como reguladores de la transcripción

Debido a la magnitud del genoma eucariótico, el número de unidades de transcripción es mucho mayor que en procariotas. Además, cada una de ellas está controlada por varios promotores, con lo que en total el número de éstos es aún superior. Es decir, las regiones promotoras están más extendidas y tienen más elementos de control en eucariotas que en procariotas.

Un promotor o secuencia promotra es una región de ADN que regula el inicio de la transcripción de un gen. Corresponde, por tanto, a lo que se ha denominado región reguladora del gen. Actualmente se les suele llamar también factores que actúan en cis o factores cis, simplemente por encontrarse en la misma molécula de ADN cuya expresión regulan.

Una característica de la transcripción eucariótica es que su regulación se debe a la afinidad específica por los promotores de ciertas proteínas denominadas factores de transcripción (TF). A cada promotor se puede unir un número variable de factores de transcripción, que actúan favoreciendo o dificultando la unión y la actividad de la ARNpol I o de otros factores de transcripción y en consecuencia, determinando la posición y la eficacia del inicio de la transcripción. Por tanto los TFs tienen más responsabilidad que la propia ARNpol en el reconocimiento de la secuencia del promotor y se encargan de la regulación de la transcripción. Su diversidad es aún mayor que la de promotores, lo que permite la gran flexibilidad existente en el control de la expresión de los genes. Los TFs se denominan también factores que actúan en trans o factores trans, pues sus genes están en posición alejada y no relacionada con aquella región génica cuya expresión regulan. Su capacidad de unión a la molécula de ADN, casi siempre reconociendo ciertas secuencias de bases, está generalmente mediada porque l presencia en las moléculas de TF de motivos estructurales de unión al ADN, como dedos de zinc, homeodominios, etc.

La especialización de las ARNpoleucarióticas para transcribir sólo determinados genes viene determinada por la regulación de estos genes por secuencias promotoras y factores de transcripción diferentes.

Promotores de los genes de clase II

La regulación de los genes de clase II es del máximo interés por ser responsable de la síntesis de los ARNm y por tanto, de la síntesis de todas las proteínas. Sus promotores se localizan típicamente en dirección 5’ del origen de transcripción y muestran una mayor variación de secuencia que los promotores para ARNpol I y III.

Secuencias o elementos basales del promotor: El promotor basal comprende las

secuencias que definen el punto de inicio de la transcripción y son imprescindibles para que ésta comience. Es una región situada en posición adyacente al origen de transcripción, comúnmente corriente arriba hasta la posición -30. Dentro de ésta región pueden distinguirse como más habitual la secuencia TATA, caja TATA o caja de Hogness, situada típicamente alrededor de las posiciones -15 a -25. Otra secuencia basal frecuente es la secuencia iniciadora Inr, situada sobre el propio origen, entre -3 y +5.

Secuencias o elementos proximales: Generalmente, el promotor basal no es

suficiente por sí mismo para provocar el inicio de la transcripción, sino que se requiere la intervención adicional de otra región conocida como promotor proximal. Éste está crecano al promotor basal. Pero más alejado corriente arriba del origen, comúnmente entre las posiciones -30 y -200. Por tanto, esta región de ADN suele ser de mayor tamaño que la del promotor basal. Los elementos proximales no especifican la posición de inicio, sino que determinan la frecuencia con la que se produce el inicio de la transcripción. Ello es posible gracias a que sobre ellos se unen diversos factores de transcripción que favorecen la interacción de la ARNpol II con el ADN en el punto de inicio y su actividad enzimática. Aunque en general las secuencias son más variadas que las basales, las dos más caracyerísticas son la caja o secuencia CAAT, entre -60 y -80 y la caja GC, que aparece en copias múltiples y con cualquier orientación a ambos lados de la caja CAAT.

Secuencias o elementos distales: La expresión de algunos genes sufre una

regulación aún más compleja, que depende de secuencias situadas a gran distancia del punto de inicio, incluso de varios miles de pb, corriente arriba o corriente abajo. Esto ocurre especialmente para los genes inducibles, aquellos que no se expresan continuamente en la célula, sino cuya expresión sufre una regulación amplia y precisa como respuesta a diversas señales (por ejem: hormonas esteroides y tiroideas). Aunque no se suelen contemplar como tales, estas secuencias promotoras deben también considerarse parte del gen, atendiendo al concepto funcional de este. En general se les llama secuencias de promotoras distales por encontrarse alejadas del origen, o también, de acuerdo con su función, elementos específicos de regulación, módulos de control o elementos de respuesta.

Estas secuencias actúan tanto activando la transcripción como reduciéndola, clasificándose en dos tipos: Potenciadores, activadores, intensificadores, amplificadores o estimuladores. Pueden

aumentar mucho la velocidad de inico de la transcripción conseguida a partir de promotores basales y proximales situados en la misma molécula de ADN.

Silenciadores o inhibidores. Tienen el efecto opuesto, generalmente porque los factores de transcripción que se unen a ellos cmpiten con la acción de los específicos de los promotores potenciadores y proximales.

Factores de transcripción de clase II:

La ARNpol II interacciona con gran variedad de factores de transcripción (TFII) dependiendo del gen, habitualmente de forma simultánea con un número considerable de ellos. Se pueden clasificar en generales, proximales e inducibles, de acuerdo con su unión a uno de los 3 tipos de secuencias o elementos promotores recién estudiados.

Los factores al reconocer el promotor basal actúan de mediadores para que se fije la polimerasa, definiendo así el punto de inicio de la transcripción y activando a la enzima para que comience a sintetizar el ARN. Algunas funciones de los factores asociados a la ARNpol II:

TFIID: el más significativo, es el único con especificidad por una secuencia de ADN, la

de la caja TATA. A pesar de ello parece actuar también sobre promotores que no tienen caja TATA. Este factor determina que la ARNpol II actúe a una cierta distancia del promotor, definiendo el punto de inicio de la transcripción. Está formado por dos tipos de componentes:

-Molécula de TBP o proteína de unión a TATA, que confiere a TFIID la capacidad de reconocimiento de la secuencia promotora. -Varias moléculas de TAFs o factores asociados a TBP diferentes entre sí y que pueden variar para la unión a promotores diferentes.

TFIIH: es particularmente importante por su doble actividad enzimática, como

helicasa y como proteína quinasa, residentes en distintas subunidades. La helicasa está implicada en la separación de las hebras del ADN en el sitio de inicio, necesaria para el acceso de la polimerasa a las bases, mientras que como quinasa fosforila el dominio C-terminal de la subunidad mayor de la ARNpol II, provocando n ésta un cambio conformacional transición entre el inicio y la elongación de la transcripción. Este factor de transcripción es también singular por intervenir en la reparación del ADN por escisión de nucleótidos.

Factores de transcripción proximales: También llamados factores de unión corriente

arriba, son proteínas que reconocen específicamente los elementos proximales del promotor, contribuyendo a aumentar la efieciencia de formación del complejo de inicio o favoreciendo su actividad sobre la polimerasa. Cada promotor en particular requiere un conjunto preciso de estos factores para su expresión plena.

Como ejemplos, el factor de transcripción CTF interacciona con la caja CAAT, siendo aparentemente el máximo responsable de la eficiencia del promotor, mientras que el factor de transcripción SP1 se une a las cajas GC.

Los promotores que sólo contienen elementos reconocidos por TFs generales y proximales controlan los llamados genes constitutivos, aquellos que se expresan de una forma constante, a la misma velocidad en todo momento de la vid celular. Se asume generalmente que este concepto es sinónimo de genes domésticos o caseros, aquellos que se exoresan en todas las células del organismo, el nombre se debe a que codifican los productos que aseguran las funciones indispensables para la vida de la célula.

Factores de transcripción inducibles: Este tercer grupo de factores de transcripción lo

constiuyen aquellos que reconocen los elementos distales del promotor. Allí actúan de forma similar a los factores proximales, es decir, facilitando la formación y actividad del complejo de inicio de la transcripción o por el contrario, dificultándolas, regulan, por tanto, la transcripción tanto de forma positiva como negativa.

Estos factores no están presentes en la célula de forma continua, sino que se sintetizan o se activan en momentos específicos o en tejidos particulares. Como consecuencia, la expresión de genes cuya transcripción controlan está igualmente regulada en tiempo y espacio, es decir, se expresan activamente en ocasiones y no lo hacen en absoluto en otras, con frecuencia, en muchos tipos celulares un gen concreto no se expresa nunca. Se los llama por ello genes inducibles, regulables o de expresión diferencial.

Como ejemplo se pueden citar los receptores nucleares para hormonas esteroides o tiroideas. La unión de la hormona cambia la conformación del receptor, que actúa como factor de transcripción al aumentar su afinidad por ciertos promotores distales, denominados elementos de respuesta hormonal (HRE). Como consecuencia, se activa o se bloquea, según los casos, la transcripción de genes específicos.

Interacción de los factores de transcripción con la polimerasa: Cabe preguntarse

cómo los factores que se unen a promotores lejanos al origen de transcripción puedan participar en el complejo de inicio. Para explicarlo se debe considerar la flexibilidad de la cadena de ADN, que puede permitir la aproximación física de los tres tipos de secuencias promotoras a pesar de su lejanía en la secuencia lineal de ADN.

De esta forma los factores de transcripción unidos a las regiones basal, proximal y distal pueden contactar entre sí y con la ARNpol II por lo que participan al unísono en el control del inicio de la transcripción.

Algunos TFs no interaccionan directamente con la polimerasa, sino que hacen de mediadores entre otros TFs. Se han identificado proteínas o complejos de proteínas que cooperan con los factores activadores, conectándolos con la maquinaria basal para regular la transcripción. Por esta razón, se conocen como coactivadores o cofactores generales; entre ellos se incluyen otros TAFs, que parecen desempeñar un papel de mediadores en la interacción entre los factores generales por un lado y los factores proximales y distales por otro.

Iniciación de la transcripción a partir de diferentes promotores:

En los promotores basados en la secuencia Inr pero sin caja TATA (TATA-Inr+), la formación del complejo de iniciación tiene lugar cuando se unen al elemtnoInr factores de transcripción específicos (IBP, proteínas de unión a Inr).

En los promotores que poseen ambas secuencias (TATA+Inr+), entran en juego tanto la TBP como las IBP, dando lugar a la formación de complejos muy estables.

Existen incluso promotores que no tienen ninguna de las dos secuencias (TATA-Inr-), en ellos no se sabe cómo tiene lugar el inicio de la transcripción.

Regulación de la transcripción de genes de clases I y III

La diversidad de promotores y TFs para el inicio por ARNpol I y III es muy inferior a la correspondiente a la ARNpol II. Esto puede reflejar simplemente el menor número de genes que son transcritos por aquellas dos enzimas: La ARNpol I sintetiza un solo transcrito primario, mientras que la ARNpol III transcribe unos pocos genes.

Los promotores de genes de la clase I se localizan, al igual que los de la clase II estudiados hasta ahora, en dirección 5’ del punto de inicio

Entre los genes transcritos por la ARNpol III se encuentran el de ARNs 5S, los de ARNts y el de uno de los ARNs nucleares pequeños que intervienen en la eliminación de intrones, todos ellos tienen promotores y TFs diferentes. Los promotores de ARNr 5S y ARNt aparecen

en dirección 3’ del inicio, situándose dentro de la región estructural del gen; por ello se llaman regiones internas de control (ICR). La posición e identidad de las secuencias promotoras y los correspondientesTFs son diferentes para los genes de ARNr 5S, tARNs y sARNsn.

Cabe resaltar que en la iniciación por las 3 ARN polimerasas interviene un factor de transcripción de varias subunidades, un de las cuales es la proteína de unión a TATA, TBP. Mientras que en los genes de tipo II TBP es el factor inicial que reconoce la caja TATA, esta secuencia no existe en los otros casos. En ellos , TBP no se une directamente al ADN reconociendo la secuencia promotora, sino que requiere otros factores de transcripción para asociarse. Parece que TBP desempeña una función común a los 3 tipos de promotores: la interacción con la polimerasa respectiva para situarla en el punto de inicio.

Regulación por hormonas esteroideas

Recordemos que… Las hormonas esteroideas no se unen a receptores de la MP, sino que interaccionan con receptores intracelulares que son en sí mismos transactivadores trasncripcionales. Las hormonas esteroideas, demasiado hidrofóbicas para disolverse fácilmente la sangre (estrógenos, progesterona y cortisol), viajan unidas a proteínas transportadoras especificas desde el punto de su liberación hasta sus tejidos diana. En el tejido diana, la hormona pasa a través de la membrana plasmática por simple difusión y se une a su proteína receptora específica en el núcleo.

El complejo hormona-receptor actúa mediante la unión a secuencias de DNA muy especificas denominadas elementos de respuesta hormonal (HRE), alterando de este modo la expresión génica. La unión hormonal provoca cambios en la conformación de las proteínas receptoras de manera que son capaces de interaccionar con factores de transcripción adicionales. El complejo hormona-receptor unido puede tanto potenciar como inhibir la expresión de los genes adyacentes.

La secuencia de DNA (HRE) a las que se unen los complejos hormona-receptor son similares en longitud y estructura, pero diferentes en secuencia. Cada receptor tiene una secuencia HRE consenso a la que se une bien el complejo. Cada secuencia consenso consiste en dos secuencias de 6 nucleótidos contiguos, separadas por tres nucleótidos, en tándem o dispuestas en políndromo. Los receptores hormonales tienen un dominio de unión al DNA altamente conservado con dos dedos zinc. El complejo H-R se une al DNA como un dímero, con los dominios con dedos de zinc de cada monómero reconociendo las secuencias de 6 nucleotidos.

La capacidad de una determinada hormona para alterar la expresión de un gen especifico a través del complejo H-R depende de la secuencia exacta de HRE, su posición relativa respecto al gen y el numero de HRE asociados con el gen.

A diferencia del dominio de unión al DNA, la region de unión al ligando de la proteína receptora, siempre en el extremo carboxilo, es bastante específica de cada receptor. En la región de unión al ligando, el receptor de los glucocorticoides tiene una similitud de solo el 30% con el receptor de los estrógenos y del 17% con el receptor de la hormona tiroidea. el tamaño de la region de unión al ligando varía enormemente; en el receptor de la vit D solo tiene 25 residuos aá, mientras que en el receptor de los mineralocorticoides tiene 630 residuos. Las mutaciones que cambian un aá en estas regiones pueden causar la perdida de respuesta a una hormona determinada. Algunos humanos, incapaces de responder al cortisol, a la testosterona, a la vit D o a la tiroxina, tienen mutaciones de este tipo.

Segundos mensajeros

La víaβ-adrenérgica , que produce niveles altos de cAMP citosólico, el cual actúa como un 2do mensajero tanto en eucariotas como en procariotas, también afecta a la transcripción de una serie de genes, cada uno de los cuales se encuentran cerca de una secuencia especifica del DNA denominada elemento de respuesta al cAMP (CRE)la subunidad catalítica de la proteína quinasa A, liberada al aumentar los niveles de cAMP, entra en el núcleo y fosforila una proteína nuclear, la proteína de unión al CRE (CREB). Una vez fosforilada, a CREB se una a los CRE cerca de determinados genes y actúan como un factor de transcripción, activando la expresión de esos genes.

Silenciamiento

En los eucariotas superiores, incluidos los nematodos (vulgarmente: gusanos redondos), las moscas de vinagre, las plantas y los mamíferos, se ha descubierto una clase de pequeñas RNA que participan en el silenciamiento de determinados

genes. Estos RNA actúan interaccionando con los mRNA, a menudo en el 3’UTR, provocando la degradación de mRNA o la inhibición de la traducción. En ambos casos, el mRNA, y por tanto el gen que lo produce, es silenciado. Esta forma de regulación génica controla el desarrollo temporal en al menos algunos organismos. También se utiliza como un mecanismo de protección frente a virus invasores (de particular importancia en las plantas que carecen de sistema inmunitario) y para controlar la actividad de los transposones. Además, las pequeñas moléculas de RNA juegan un papel fundamental (pero que todavía está por definir) en la formación de la heterocromatina.

Los RNA pequeños también se llaman a veces micro-RNA (miRNA). Muchos están presentes solamente de manera transitoria durante el desarrollo y a veces se denominan pequeños RNA temporales (stRNA). En los eucariotas superiores se han identificado centenares de miRNA precursor de unos 70 nucleotidos. Con secuencias complementarias internas que forman estructuras en horquilla. Los precursores se cortan con endonucleasas para formar dúplex cortos de 20 a 25 nucleotidos de longitud. La nucleasa mejor caracterizada se conoce con el nombre de troceador (Dicer); las endonucleasas de esta familia están ampliamente repartidas entre los eucariotes superiores. Una de las hebras del miRNA maduro se asocia con el mRNA diana (o con el RNA de un virus o de un transposon), provocando la inhibición de la traducción o la degradación del RNA (a)

Este mecanismo de regulación génica tiene un aspecto interesante que lo hace muy útil. Si se introduce en un organismo una molécula de RNA dúplex correspondiente a la secuencia de prácticamente cualquier mRNA, la endonucleasa Dicer trocea el dúplex en cortos fragmentos denominados pequeños RNA de interferencia (siRNA). Estos fragmentos se unen al mRNA y lo silencian. (b)

El proceso se conoce como interferencia por RNA (RNAi). Esta técnica se ha convertido rápidamente en una herramienta muy eficaz para estudiar la función génica, porque puede suprimirla sin necesidad de crear un organismo mutante. Este procedimiento también se puede aplicar en humanos. Se han usado siRNA sintetizados en el Dexter’Lab (?) para bloquear el VIH y las infecciones por polivirus en células humanas en cultivo durante una semana después de cada intervención. Aunque este trabajo está en sus inicios, los rápidos progresos que se suceden aconsejan tenerlo para futuros avances médicos.

CONTROL POST-TRASCRIPCIONAL

A pesar de que la mayor parte de control de la expresión génica se ejerce durante la etapa de inicio de la transcripción, a través de los factores de transcripción, existen mecanismos de la regulación en todas las etapas de la expresión. En lo que respecta a los procesos posteriores a la transcripción pero previos a la traducción, existen ejemplos de control tanto en la maduración del RNA como su transporte al citoplasma y también a través de la regulación de la vida media del mRNA en el citoplasma (velocidad de degradación).

Regulación de la maduración del RNA

Esta regulación no solo tiene lugar en cuanto a la velocidad o eficacia de las reacciones de maduración, sino que en algunos casos un mismo pre.RNA madura según procesos distintos dependiendo de la celula considerada, formando mRNAs adaptados a las necesidades proyeicas particulares de un tejido o de una situación fisiológica concreta, la implicación de este tipo de variablidad en el control del producto final es enorme y, por ahora, poco conocida; a este nivel, tendrá mucho que aportar en el futuro la proteómica.

Un ejemplo característico de esta forma de regulación es el ayuste (splicing) alternativo [puede producir distintas formas de 1 proteína a partir de un mismo gen] que comúnmente desempeña un papel en la diferenciación celular y en el control del desarrollo (ej. En la determinación del sexo de Drosophila)

Existe una ambigüedad en el intrón: el mecanismo estándar de spliceosoma que elimina los intrones es incapaz de diferenciar claramente entre 2 o más apareamientos alternativos de puntos de maduración 5’ y 3’ de tal modo que en ocasiones distintas toma decisiones diferentes de forma fortuita →maduración alternativa constitutiva → se producen varias versiones de proteínas codificadas por el gen en todas las células en las que éste se expresa.

Maduración alternativa regulada:

-Negativa: proteína reguladora que evita que la maquinaria acceda a la secuencia de maduración en el RNA

-Positiva: proteínas reguladoras que dirige la maquinaria hacia una secuencia de procesamiento que de otra forma quedaría oculta

El bloqueo de un lugar fuerte de procesamiento expone a menudo un lugar débil y da lugar a un patrón distinto de procesamiento.

Las tres modificaciones esenciales que experimentan los transcritos primarios durante su maduración (formación de la caperuza 5’, poliadenilación en 3’ y reacciones de corte y empalme) parecen ser cruciales para que el RNA pueda pasar al citoplasma perfectamente regulado, pudiendo afectar también el control de la expresión.

Vida media y degradación de mRNA

Cada molécula de mRNA se emplea muchas veces como molde para traducción, dando lugar a numerosas copias del polipéptido que codifica. Como consecuencia, el tiempo de permanencia de una molécula de mRNA en la célula es esencial para determinar la cantidad de una proteína producida. Este tiempo (vida media de la molécula) depende tanto de la velocidad con que se sintetiza, madura y sale al citoplasma el mRNA, como de la rapidez con que se degrada este compartimiento subcelular.

La degradación intracelular del mRNA es un proceso que tiene lugar continuamente, a mayor o menor velocidad, como consecuencia de la actividad de ribonucleasas específicas (puede ser tan endonucleasas como exonucleasas). Frente a estas últimas es importante la acción protectora de la poliadenilacion, pues debe dirigirse por completo a la cola de poli(A) antes de que se alcancen las secuencias codificantes del mRNA. De hecho, las moléculas del mRNA tienen una vida media tanto más prologada cuanta mayor es la longitud de su cola.

Como consecuencia de estas variables, existen aparentes contrastes entre la abundancia de los distintos tipos de RNA en una celula y la velocidad con la que se sitentizan. Asi, por ej, en E. Coli el rRNA es mayoritario (83%) y el mRNA minoritario (3%), pero la velocidad de síntesis del mRNA es superior.

En eucariotas, la vida media del mRNA es unas 10 veces mas larga que en procariotas, lo que se debe probablemente al procesamiento postranscripcional, que retarda su degradación; esto es esencial dada la necesidad de que se transporte desde el nucleo al citoplasma.

Diferencias de la estabilidad de las moléculas de RNA (expresada por vida media).

Existe, en general, una relación directa entre este parámetro y el grado de maduración sufruido. La estabilidad también aumenta con el grado de estructura secundaria y terciaria de la molecula de RNA

-Los tRNAs y rRNAs de eucariotas y procariotas: son extremadamente estrables (horas o días), pues sufren un gran procesamiento postranscripcional y presentan abundante apareamiento de bases y plegamiento de la cadena. losrRNAs están fuertemente protegidos por su asociación con las proteínas ribosómicas.

-Los mRNAs de eucariotas: tienen una estabilidad intermedia (horas), porque experimentan una extensa maduración pero casi no presentan estructura secundaria. Como casos extremos, pueden citarse el mRNA de c-fos con una vida de 10-30min y los de globina y ovoalbúmina, que alcanzan 24h).

-los mRNAs de procariotas: son los menos estables (min), ya que no sufren maduración alguna y apenas tienen estructura secundaria.

Existen también mecanismos de control de la vida media que depende de proteínas que se unen al mRNA protegiéndolo de la degradación.

Ejemplo: control de la síntesis de ferritina por bloqueo del ARNm

La ferritina es una proteína cuya función es almacenar hierro, como reserva para la biosíntesis de hemoglobina, mioglobina, citocromos y otras muchas proteínas, y al mismo tiempo protegiendo a la célula contra la toxicidad del hierro libre. Su síntesis se controla a través de las proteínas IRP, que se unen a la región 5’ no traducida del ARNm impidiendo el inicio de la traducción.

Las IRP o proteínas reguladoras del hierro poseen la capacidad de unirse al ARNm con distinta afinidad en función de la concentración intracelular de ese metal. Por ejemplo, una de ellas , la IRP-1, cuando el hierro es abundante lo incorpora en forma de núcleo hierro-azufre y no interacciona con el ARNm. Por el contrario, cuando el hierro es escaso en la célula la IRP-1 no presenta el núcleo Fe-S y adopta una conformación que le permite unirse con elevada afinidad a una horquilla de ARN con bucle. Ésta se conoce como motivo IRE o elemento de respuesta a hierro, por lo que las IRP se llaman también proteínas ligantes de IRE. Existe un motivo IRE en la región 5’ no traducida del ARNm de ferritina, al que se unen las IRP impidiendo el inicio de la traducción y reduciendo así la concentración intacelular de ferritina. La célula se adapta así a la escasez de hierro. Evitando la síntesis de una proteína que no es necesaria. Por el contrario, en condiciones de exceso de hierro, se sintetiza libremente la ferritina, para poder fijarlo.

Procesamiento alternativo del ARN mensajero

Además de afectar la eficiencia de utilización del promotor, las células eucariotas utilizan opciones en el procesamiento de ARN alternativo para controlar la expresión genética. Esta puede ser la consecuencia de usar promotores alternos, sitios de empalme intrón-exón o sitios de poliadenilación, alternativos. En ocasiones conduce a heterogeneidad dentro de una célula, pero es más común que la misma transcripción primaria se procese de modo diferente en tejidos distintos. A continuación se presentan algunos ejemplos de cada uno de estos tipos de regulación.

El uso de sitios alternos de inicio de transcripción lleva a un exón 5’ diferente en el ARNm que codifica a la amilasa y la cadena ligera de miosina del ratón, la glucocinasa de la rata y la alcohol deshidrogenasa y actina de Drosophila. Los sitios alternos de poliadenilación en la transcripción primaria para la cadena pesada µ de inmunoglobulina crea un ARNm que es

2700 bases más largo (μm) o 2400 bases más largo (μs). Esto causa la información de una región carboxilo terminal diferente de las proteínas codificadas de modo que la proteína μm permanece adherida a la membrana del linfocito B y la inmunoglobulina μs se secreta. Las alternativas de procesamiento y empalme conducen a la formación de siete ARNm únicos para alfa tropomiosina en siete tejidos diferentes. No se sabe con precisión la forma en que se toman las decisiones para el procesamiento/empalme o si estas pasas pueden regularse.