Regulación de la Expresión Génica

Un gen es la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN que desempeña una función específica, como codificar una molécula de ARN o una cadena polipeptídica.

La regulación puede llevarse a cabo en diferentes momentos y puede darse durante la transcripción (principalmente), en la maduración del ARNm, en el transporte del ARNm y durante la traducción. Esta regulación es necesaria para responder a las variaciones del medio extracelular o intracelular (que implican diferentes necesidades proteicas), para la diferenciación de tejidos, el desarrollo embrionario (morfogénesis) y el ciclo celular.

Regulación en Procariotas: Modelo del Operón

El modelo del operón es un sistema de regulación genética en procariotas (como bacterias), en el que un conjunto de genes se agrupan y se regulan de manera conjunta.

• Gen estructural: Contiene la información para la síntesis de enzimas que intervienen en una ruta metabólica.
• Gen promotor: Secuencia de nucleótidos de ADN donde se une la ARN polimerasa para comenzar la transcripción.
• Gen operador: Región del ADN donde puede unirse la proteína reguladora e impedir la transcripción de los genes estructurales. Se sitúa inmediatamente delante de estos.
• Gen regulador: Sintetiza la proteína reguladora. Puede localizarse en un lugar distinto al de los genes del operón.
• Proteína reguladora: Se une a la región del operador.
• Inductor: Sustrato o compuesto que induce la expresión de los genes.

Según el tipo de ruta metabólica, los operones pueden ser:

• Inducibles: Activados por un sustrato (ej., lactosa en el operón lac).
• Represibles: Reprimidos por el producto final (ej., triptófano en el operón trp).

Regulación en Eucariotas

La expresión génica en células eucariotas puede regularse en diferentes etapas del proceso de transcripción y traducción. Estas regulaciones pueden ocurrir antes, durante o después de la transcripción.

Regulación Pretranscripcional

Ocurre antes de que comience la transcripción. Incluye mecanismos como:

• Descondensación de la cromatina: Para que la ARN polimerasa y los factores de transcripción accedan al ADN, la cromatina debe estar desenrollada, especialmente en las regiones que contienen genes activos.
• Modificaciones epigenéticas:
  • Metilación del ADN: Consiste en la adición de grupos metilo a citosinas del ADN, lo que puede bloquear el acceso de los factores de transcripción y, por tanto, inhibir la transcripción.
  • Estas modificaciones no alteran la secuencia del ADN, pero afectan su expresión. Se estudian en el campo de la epigenética, que analiza los cambios heredables en la expresión génica no atribuibles a alteraciones en la secuencia de ADN.
  • El epigenoma es dinámico y puede modificarse por factores ambientales como la alimentación, el tabaco o el ejercicio.

Regulación Transcripcional

Tiene lugar durante la transcripción y depende principalmente de la interacción entre:

• La ARN polimerasa y el promotor del gen.
• Factores de transcripción específicos: Proteínas que se unen a secuencias cercanas al promotor (activadores o represores) y regulan la unión de la ARN polimerasa, promoviendo o inhibiendo la transcripción.

Regulación Postranscripcional

Una vez que se ha transcrito el ARN mensajero (ARNm), la célula puede controlar su destino y función mediante diversos mecanismos que aseguran que solo ciertos mensajes sean traducidos y durante un tiempo limitado:

• Procesamiento del ARN: Antes de ser funcional, el ARNm primario debe madurar mediante los siguientes pasos:
  • Corte y empalme (splicing): Se eliminan los intrones (segmentos no codificantes) y se unen los exones. Mediante el splicing alternativo, a partir de un mismo transcrito primario pueden generarse distintos ARNm, lo que permite producir múltiples proteínas diferentes a partir de un único gen.
  • Adición de una caperuza en el extremo 5’: Protege el ARNm y facilita su reconocimiento por los ribosomas durante la traducción.
  • Adición de una cola poli-A en el extremo 3’: Aumenta la estabilidad del ARNm y regula su vida media.
• Transporte al citoplasma: Una vez maduro, el ARNm debe salir del núcleo hacia el citoplasma para ser traducido. Este transporte es altamente selectivo. En mamíferos, se estima que solo una pequeña fracción (aproximadamente una vigésima parte) del ARN sintetizado llega realmente al citoplasma.
• Degradación del ARNm: El ARNm no permanece activo indefinidamente. Su vida media varía desde pocas horas hasta varios días o semanas. Su degradación comienza con el acortamiento enzimático de la cola poli-A y la eliminación de la caperuza. Sin estas estructuras, el ARNm es rápidamente destruido por nucleasas, impidiendo la sobreproducción de proteínas.

Regulación Postraduccional

Ocurre después de la síntesis de proteínas y permite ajustar su función o eliminar aquellas que ya no son necesarias. Incluye:

• Modificaciones químicas: Como fosforilación, acetilación o metilación, que pueden activar o inactivar proteínas.
• Degradación de proteínas: Mediante proteasomas, que eliminan proteínas dañadas o no funcionales.