Replicación, Transcripción y Traducción del ADN: Procesos Clave de la Expresión Genética

Replicación de los Telómeros

En el mecanismo de replicación del ADN, la necesidad de cebadores impide replicar completamente los extremos de las moléculas lineales. En cada ciclo de duplicación, los cromosomas se acortan, produciéndose pérdidas del orden de 50 a 200 pares de bases por división celular.

Para compensar esta pérdida, existen las estructuras teloméricas y la enzima telomerasa.

Los telómeros son estructuras altamente especializadas formadas por ADN y proteínas. El ADN telomérico está constituido por miles de repeticiones en tándem de secuencias cortas ricas en guanina. En el caso de los humanos y todos los vertebrados estudiados, la secuencia repetitiva es TTAGGG. La longitud de los telómeros es específica de cada especie y en el caso humano oscila entre 5 y 15 kilobases. El número exacto de repeticiones en tándem varía en función del individuo, el tipo celular y el cromosoma concreto. El extremo 3′ del ADN telomérico finaliza en una cadena sencilla rica en guaninas denominada G-strand overhang, que en el caso de los humanos tiene una longitud de 130 a 210 nucleótidos. Esta estructura es esencial para la estabilidad de los telómeros.

La telomerasa es la enzima que utilizan la mayoría de los organismos eucariotas para el mantenimiento de sus telómeros. Se trata de una ADN polimerasa con actividad transcriptasa inversa, que utiliza su componente de ARN como molde para elongar las extensiones 3′ de cadena sencilla de los extremos cromosómicos, mediante la síntesis de novo de ADN telomérico. Este mecanismo se divide convencionalmente en tres pasos: reconocimiento del sustrato, elongación y translocación. Tras la actuación de la telomerasa, la ADN polimerasa sintetiza la cadena complementaria.

4. Transcripción del ADN

El primer paso es la transcripción, proceso por el cual se sintetiza una molécula de ARN complementaria a una de las cadenas del ADN. Los genes pueden estar orientados tanto en sentido de centrómero a telómero como en el inverso, por lo que ambas cadenas de ADN son codificantes. Hay que tener en cuenta que distintos genes pueden estar parcialmente solapados en la secuencia de ADN, ya sea en la misma orientación o en orientaciones inversas.

De forma análoga al ADN, el ARN es un polímero lineal de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster entre carbonos 5′ y 3′. Existen diferencias estructurales importantes. En primer lugar, el azúcar (pentosa) que contiene cada nucleótido es ribosa en lugar de 2′-desoxirribosa. La base nitrogenada timina no está presente, y en su lugar aparece el uracilo. Las moléculas de ARN son generalmente monocatenarias y de tamaños muy variables.

Clásicamente, los principales productos de la transcripción son: ARN transferente (ARNt) que activa a los aminoácidos y los transporta al ribosoma para la síntesis de proteínas, ARN ribosómico (ARNr) que constituye la mayor parte del ribosoma y ARN mensajero (ARNm) que codifica la secuencia de los aminoácidos en las proteínas. En la actualidad, esto debe considerarse una simplificación de la realidad, ya que cada vez existen más datos que demuestran la presencia de un número elevado de genes que codifican ARNs con diferentes actividades biológicas. Las moléculas de ARNr y ARNt son extremadamente estables, mientras que las de ARNm son degradadas tras su traducción por la maquinaria de la síntesis de proteínas.

La transcripción de los genes nucleares está catalizada principalmente por tres ARN polimerasas:

ARN polimerasa I: Transcribe los numerosos genes que codifican el ARN precursor policistrónico ARNr. En humanos, existen regiones ricas en genes ARNr en los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22.
ARN polimerasa II: Transcribe todos aquellos genes cuyos productos serán traducidos en proteínas, así como varios genes que codifican moléculas pequeñas de ARN involucradas en el procesamiento del ARN.
ARN polimerasa III: Transcribe genes que codifican a varias moléculas de ARN pequeño (tabla III).

La transcripción se inicia en las regiones promotoras proximales. Para poder unirse al ADN, las ARN polimerasas necesitan interaccionar con los factores de transcripción generales (también llamados basales) y otras numerosas proteínas asociadas. Tanto la estructura de los promotores proximales como los factores de transcripción generales son específicos para cada ARN polimerasa.

Además de secuencias promotoras proximales, existen las denominadas secuencias promotoras distales (que se pueden extender cientos de nucleótidos en 5′ del promotor proximal) y otras secuencias reguladoras (potenciadores/enhancers y silenciadores) que pueden localizarse a gran distancia (del orden de kilobases) del promotor proximal, tanto en dirección 5′ como en dirección 3′ (incluyendo regiones intragénicas). La acción coordinada de todos estos elementos regula de manera fina los niveles de expresión de cada gen.

Iniciación

Donde mejor está caracterizada la bioquímica de este proceso es en el caso de los promotores de clase II, que son los promotores dependientes de la ARN polimerasa II, con secuencia consenso TATAAAA (denominada “caja TATA”). En estos promotores, los complejos de preiniciación se forman a partir de múltiples interacciones entre la holoenzima ARN polimerasa II y los denominados general transcription factors (GTFs) TFIIA, -B, -D, -E, -F, -H y -J.

Elongación

Una vez formado el complejo de preiniciación, el extremo C-terminal de la ARN polimerasa II (dominio CTD) es fosforilado en numerosos residuos. Esto provoca un cambio conformacional en la polimerasa, de modo que se libera del complejo de preiniciación y comienza la síntesis del transcrito primario (figura 4). Existen distintos factores de elongación que regulan la velocidad de síntesis y la procesividad de la enzima.

Terminación

No se han identificado las secuencias consenso de terminación de la transcripción. Se supone que la terminación depende de las mismas señales que son responsables del procesamiento del extremo 3′ del ARN. En el caso de los ARNs poliadenilados, las mismas señales que determinan con precisión el nucleótido donde debe cortarse el ARN y añadirse la cola de poliA son las que dirigen el proceso de terminación. Las señales de poliadenilación están bien caracterizadas en humanos. Los elementos esenciales son una secuencia de seis nucleótidos altamente conservada (AAUAAA) localizada a 10-30 nucleótidos en 5′ del sitio de corte y una secuencia menos conservada pero rica en Us o Gs y Us en posición 3′ del sitio de corte.

Maduración

Todos los productos primarios de la transcripción se procesan hasta sus formas maduras mediante una serie de modificaciones. Estas modificaciones afectan al extremo 3′, al extremo 5′ y pueden incluir la eliminación de secuencias internas no codificantes denominadas intrones.

ARNt

La maduración de un ARNt requiere cinco pasos esenciales:

1) La eliminación del extremo 5’ por la ARNsa P

2) La eliminación del extremo 3’ por el efecto combinado de

diversas endonucleasas y exonucleasas

3) La adición del trinucleótido CCA al extremo 3’

4) Corte y empalme “

splicing”

de intrones en algunos ARNt (en

el caso de los humanos, tan sólo el 6% de los genes de ARNt

contienen intrones) por la acción combinada de una endonucleasa

que escinde el intrón y una ligasa que une los exones,

5) Numerosas modificaciones (particularmente metilaciones y

desaminaciones) de los ARNt en múltiples residuos

ARNr

En eucariotas, el procesamiento del ARN ribosomal tiene lugarfundamentalmente en un subcompartimento del núcleo denomina-do nucleolo. En él, la ARN polimerasa I genera un gran ARN precursor policistrónico (pre ARNr) que contiene la secuencia de los ARNr maduros 18S, 5.8S y 28S. Este ARN precursor es modificado químicamente en numerosos residuos y procesado por numerosas exo- y endonucleasas hasta producir los ARNr maduros. El ARNr 5S se transcribe independientemente en forma de precursor (pre ARNr5S) por la ARN polimerasa III ARNm .Los transcritos primarios del ARNm (pre-ARNm o ARN hn) son procesados por modificación de bases (formación del CAP),

poliadenilación y “splicing

• Formación del CAP en el extremo 5 ́: consiste en la adición de un nucleótido de 7-metil guanina al extremo 5’ del ARN mediante un enlace 5’-5’ trifosfato. Esta estructura (denominada CAP) tiene, al menos, dos funciones esenciales. Por un lado, estabiliza los ARNs nacientes, al impedir su degradación por 5’-exonucleasas. Por otro lado, el CAP es una estructura crítica para la iniciación correcta de la traducción. Además, la estructura CAP se ha implicado en la regulación de la exportación al citoplasma y en la regulación del splicing

• Poliadenilación en el extremo 3 ́: la poli-A polimerasa introduce de 200-250 adeninas (cola de poli-A). La secuencia poli-A estabiliza el ARN al protegerlo de la acción de 3’-exonucleasas. Además, se cree que la secuencia poli-A está implicada en laterminación de la transcripción, en la exportación del mensajero al

citoplasma y en la regulación de la traducción

La traducción es el proceso por el cual una molécula de ARNm da lugar a una secuencia de aminoácidos (proteína). En la traducción los nucleótidos (A, U, C, G) se leen de tres en tres sin

solaparse. De este modo, tres nucleótidos (codón) dan lugar a un aminoácido. Se llama código genético al conjunto de unidades informativas,codones o tripletes de nucleótidos, que codifican la secuencia de aminoácidos de las proteínas. El código genético es prácticamente universal y está formado por 64 tripletes. De los 64 codones posibles, 61 codifican aminoácidos y tres son codones de parada (UAA, UAG, UGA). Como los aminoácidos son sólo 20 existen tripletes sinónimos. El punto de partida para la lectura de los codones define la pauta de lectura de un gen. Generalmente, la traducción se inicia a partir del primer codón AUG (codifica a metionina), presente en el mensajero (figura 8). Este codón deter-

mina el marco de lectura del gen. Una alteración en el marco delectura, que puede ser producido por una inserción o deleción,

modifica por completo el mensaje.

El código genético tiene una serie de características principales:

• No tiene solapamiento.

• No es ambiguo, es decir un codón indica un solo aminoácido.

• Es degenerado. La mayor parte de los aminoácidos (salvo

metionina y triptófano) son codificados por más de un codón (codones sinónimos). Las diferencias entre los codones que codi-

fican un mismo aminoácido se encuentran generalmente en la

tercera base de los tripletes

CONCLUSIONES

El contenido de ADN es idéntico en todas las células del ser

humano, es decir contienen toda la información necesaria para la

síntesis de todas las proteínas. Sin embargo, la célula no necesita

expresar todos sus productos génicos al mismo tiempo, ni en la

misma proporción. A su vez, el ser humano está compuesto de

diferentes tejidos cuyas características individuales dependen de

las proteínas específicas expresadas por sus tipos celulares. Así, la

diferenciación, el desarrollo y la funcionalidad de los tejidos

específicos dependen del conjunto de proteínas selectivamente

expresadas por cada célula.