Regulacion genes

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REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

La expresión de los genes implica generalmente la síntesis de proteínas, que son las responsables de las funciones y morfología celulares. Sin embargo, sólo una pequeña parte del genoma humano (2%) codifica proteínas, existiendo genes que dan lugar a RNAs que no codifican proteínas, sino que tienen funciones reguladoras.

El flujo de la información genética en una célula es:

DNA --> RNA --> Proteína --> Metabolitos y macromoléculas

Todas las células del organismo poseen la misma información genética, y es por tanto su lectura (regulación de la expresión génica) lo que determina que se sinteticen las proteínas adecuadas en cada tipo celular. Los genes esenciales (constitutivos o housekeeping) se expresan en todas las células, pero dependiendo del tipo celular lo hacen en mayor o menor cantidad. Adicionalmente, durante el programa de diferenciación celular se establecen circuitos de regulación que van restringiendo la expresión de un conjunto de genes específicos de tejido. Esta situación es dinámica, y los genes expresados por una célula varían con las condiciones y momento del desarrollo, señales que recibe, situaciones de estrés...

Regulación de la expresión génica en procariotas. (Modelo del operón)

La célula procariótica (bacteriana) ha sido una herramienta experimental en los estudios de regulación de la expresión génica. En ella, el DNA está libre en el citoplasma, no hay núcleo, y su transcripción está asociada a una simultánea traducción de los transcritos nacientes a proteínas.

El operón de la lactosa está formado por una región promotora (con un operador, que es el lugar de unión de la RNA polimerasa) y genes del metabolismo de la lactosa. En condiciones normales (sin lactosa en el medio), operón se encuen reprimido por la unión de un represor al operador. Cuando hay lactosa en el medio, ésta actúa como inductor, de forma que interacciona con el represor impidiendo que éste se una al DRA, y por tanto permitiendo la exprésión de los genes del metabolismo de la galactosa.

Este hecho refleja que existe una regulación de la expresión génica que depende de proteínas que reconocen especificamente secuencias de DNA.

Regulación de la expresión génica en eucariotas

El genoma eucariótico se encuentra en el interior del núcleo, por lo que tienen que existir una serie de mecanismos que hagan al DNA accesible.

El tamaño del genoma humano desenrollado es de aproximadamente 2 metros de información lineal, que se condensan o empaquetan hasta llegar al orden de micras en el interior del núcleo.

Una vez sintetizado en el núcleo el tránscrito primario (inmaduro), debe ser procesado para dar lugar a un mRNA maduro, que sale al citoplasma. Algunos mRNAs son degradados en el citoplasma, el resto, entra en la maquinaria de traducción originando proteínas, que deben sufrir una serie de modificaciones químicas y transporte a los destinos celulares para dar lugar a las proteínas activas, con una vida media determinada y que, finalmente, se degradan con mayor o menor rapidez.

Existe un punto de regulación fundamental: la transcripción. Es el primero y por ello muy importante, pero no es el único, aunque si el mejor conocido en términos moleculares.

La transcripción es el proceso de síntesis de RNA, reproduciendo la secuencia de bases de un DNA patrón, y es llevada a cabo por la RNA polimerasa. A diferencia de los procariotas, los eucariotas tienen tres tipos de RNA-polimerasas especializadas en la síntesis de los siguientes tipos de RNA:

  • RNA pol I: RNAs ríbosomales (rRNA) 28S, 18S y 5,8S
  • RNA pol II: RNAs mensajeros (mRNA) y algunos RNAs pequeños
  • RNA pol III: tRNAs de transferencia (tRNA), rRNA 5S, y algunos RNAs pequeños

Además, las mitocondrias tienen su propio genoma, y hay una RNA polimerasa específica para la síntesis de RNA mitocondrial, que recientemente se ha comprobado que transcribe un conjunto de RNAs en el núcleo.

La RNA polimerasa II reconoce una secuencia específica que hay delante de los genes, de muy baja complejidad, llamada caja TATA. Además, existen otros tipos de secuencias diferentes a TATA, que también son sitios de unión para la maquinaria basal de transcripción, como la llamada Iniciador. Normalmente, el promotor básico está acompañado de una serie de secuencias a las que se unen los factores de transcripción y que son secuencias cortas situadas en diferentes posiciones del genoma. El conjunto de promotor basal y las secuencias específicas situadas en la zona proximal constituye el promotor proximal.

En resumen, los genes tienen un promotor básico (con la función de atraer o reclutar a la RNA polimerasa a la posícion +1) con secuencias sencillas de nucleótidos que son reconocidas por la RNA polímerasa. Pero además, ésta necesita otros factores que reconocen otras secuencias, lo que permite, mediante interaccíones con otras proteínas, que se inicie la transcripción.

En la región 5' dl promotor existen secuencias especificas reconocidas por proteínas que son factores de transcripción, que realizan su función en el núcleo. Los factores de transcripción tienen un dominio de unión al DNA y un dominio de activación o represión. Casi todos los factores de transcripción tienen estructura modular. Los dominios de activación/represión son muy variados. Sin smbargo, los dominio de interacción con el DNA están muy conservados: tipo de dedos de Zinc, hélice-lazo-hélice...

Existen tres modelos de activación de la transcrípción por interacción con la maquinaria basal: reclutamiento, cambio conformacional y modificación covalente.

La mayor parte de los genes son capaces de ser regulados también por factores de transcripción que se unen a zonas lejanas del punto de inicio de la transcripción, denominados enhancers o potenciadores, si activan la transcripción, y silenciadores, si la inhiben.

Un enhancer es un elemento o secuencia de DNA que controla la expresión de uno o varios genes. Para que los enhancers actúen necesitan un promotor basal, ya que por sí solos no son capaces de dirigir la expresión génica. Pueden estar colocados a distancia variable en la parte 5', en la parte 3', y en una o en otra orientación, es decir, tienen una flexibilidad de acción muy grande. En general, no tienen la capacidad de unir un sólo factor, sino una combinación de factores de transcripción. En el inicio de la síntesis de RNA se produce una regulación combinatoria. Es decir, los genes no están regulados por un factor de transcripcion derminado, sino por un conjunto de factores de transcripción, tanto activadores como represores. La expresión de los genes varía dependiendo de la estabilidad del complejo de la polimerasa, que es consecuencia de la unión de un cierto conjunto de factores de transcripción.

La interaccion entre los factores de transcripción y la maquinaria basal está mediada por factores intermediarios: co-activadores y co-represores. A diferencia de los factores de transcripción, no tienen dominios de unión al DNA, sino que presentan dominios de interacción proteína-proteína. Co-activadores y co-represores interaccionan específicamente, de modo positivo o negativo respectivamente, con factores de transcripción o parte de la maquinaria basal de transcripción, favoreciendo o reprimiendo la síntesis de RNA.

Un factor de transcripción puede encontrarse en una célula inactivo. Hay muchas maneras de inactivar un factor de transcripción: que se sintetice o no, modificar su estado de fosforilación por la acción de quinasas o fosfatasas, modificar su activación por su unión de un ligando, de un inhibidor, etc.

El inicio de la fase de elongación supone la separación de la RNA polimerasa y el complejo de preiniciación. La síntesis de RNA es un proceso continuo. Este proceso requiere la fosforilación del dominio C-terminal de la subunidad mayor de la RNA polimerasa. Se cree que en algunos casos el cómplejo de preiniciación queda unido al promotor para facilitar la unión de una nueva RNA polimerasa.

Las histonas constituyen una barrera importante para la RNA polimerasa; para la expresión génica es necesaria una remodelación de la cromatina, que debe cambiar su estructura y permitir el acceso a toda esta maquinaria. Normalmente, en los procariotas, la transcripción está en un estado no-restrictivo, produciendo la síntesis de RNA. En eucariotas ocurre lo contrario: normalmente los genes están protegidos, es decir, se encuentran en un estado restrictivo, no se pueden expresar. Para poder producir la síntesis de los mRNAs, tienen que pasar a un estado no restrictivo: se necesita modificar el grado de compactación de la cromatina.

Se han descrito dos mecanismos de modificación de la compactación de la cromatina: modificaciones postraduccionales de los extremos N-terminales de las. histonas: acetilación, fósforilación, metilación, ADP-ribosilación, ubiquitinación; y complejos proteicos que cambian la estructura de la cromatina (remodeladores) que tienen actividad ATPasa.

El más importante es la acetilación de histonas. Cuando las histonas están deacetiladas la cromatina está compactada, y cuando se produce la acetilación, hay un cambio en la estructura de la cromatina y hace las zonas más accesibles. La acetilación de las histonas es llevada a cabo por una familia de enzimas llamadas histona acetil-transferasas (HAT) y la desacetilacion por las histona desacetilasas (HDAC).

Existen complejos proteicos reguladores con actividad ATPasa que modifican la estructura de la cromatina (complejos remodeladores de cromatina). Un componente necesario del complejo es una proteína con actividad ATPasa, de las que se han descrito varias familias.

Así, en el contexto cromosómico un factor de transcrípción, que posee una alta afinidad por una secuencia concreta del DNA, se unirá a éste y promoverá el reclutamiento de complejos remodeladores a la zona provocando un cambio en la estructura del DNA, que será ahora más acesible para toda la maquinaria del complejo de la RNA polimerasa.

Otros puntos de regulación de la expresión génica

Maduración del tránscrito primario o pre-mRNA (capping, poliadenilación y splicing).

El splicing ocurre en casi todos lo genes humanos, pues la mayoría tienen intrones. La posibilidad de regulación se produce a nivel de las distintas alternativas de splicing (splicing alternativo). Puede dar lugar a un aumento en la diversidad de isoformas a partir de un tránscrito primario. Origina una enorme diversidad de proteínas y es, en general, específico de tejidos. El capping consiste en la adición de una forma modificada de guanosina en el extremo 5' y la poliadenilación en la adición de una larga secuencia de adeninas en el extremo 3'. Ambas modificaciones son importantes para la estabilidad, transporte y traducibilidad de los RNAs.

- Transporte del mRNA maduro al citoplasma. Los mRNA unen diversas proteínas que pueden influir en que se transporten, se localicen y se eliminen en el citoplasma. La salida al citoplasma también está controlada por proteínas que interaccionan con los poros nucleares. - Traducción. Los mRNAs se traducen a proteínas en los ribosomas. En procariotas la traducción está acoplada a la transcripción. La regulación depende, fundamentalmente, del control transcripcional. En eucariotas, por el contrario, la traducción es independiente de la transcripción. El control de la iniciación de la traducción es importante en algunas situaciones determinadas: entra de las células en proliferación o respuesta a señales de estrés celular. El control se puede ejercer a varios niveles: activación/desactivación de factores de iniciación, control y unión de proteínas a la cola poli A en el citoplasma, secuencias 3' UTR del mRNA (entre el final de la secuencia codificante y la poli A) y pautas de lecura abiertas (ORF) situadas en el 5'UTR y que pueden dar lugar a proteinas pequeñas que regulen la traducibilidad de genes especificos.

Nivel adicional de expresión genica: interferencia de RNA o RNA de interferencia (iRNA)

En 1990 el grupo de Jorgensen observó en plantas que existía un mecanismo adicional de silenciamiento de la expresión génica obtenida por modificaciones post-transcripcionales. Así se descubrió que la obtención de RNA de doble cadena (dsRNA) produce una inhibición del gen gracias a la activación de un mecanismo de defensa en la célula frente a la entrada de DNA exógeno. En eucariotas dsRNA grande, 200 a 300 nucleótidos, será cortado en pequeños fragmentos (gracias a la actuación de la endonucleasa Dicer). Estos RNAs cortos de 21 a 25 nucleótidos se unirán a secuencias complementarias en regiones 3' de genes blanco y esta unión dispersa la acción de la nucleasa RISC que provocará la degradación del mRNA encuestión.

La producción de estos iRNAs es un mecanismo importante de regulación. El genoma también codifica iRNAs denominados microRNAs (miRNA), que son secuencias de RNA con una zona de autoapareamiento. Estos miRNAs activan la maquinaria de silenciamiento, controlando la expresión de gran cantidad de mRNAs. La complementariedad de los miRNAs a las secuencias 3' de distintos genes blancos que puede ser o bien totai o parcial, pudiendo un mismo miRNA controlar la expresión de toda una familia de genes.

Distintos versiones de silenciamiento mediado por RNAs:

  • PTG: silenciamiento génico postranscripcional promovido por dsRNA largo.
  • iRNA: dsRNA ligeramente largo (alrededor ded 100 nucleotidos)
  • siRNA: dsRNAs cortos que suelen provenir de dsRNA corto
  • miRNA: dsRNA producido por la célula debido a una autocompiementaridao de su secuencia.
  • si(mi)RNA: siRNA que proviene de los miRNAs