Transcripción del ADN: Estructura de Genes y Síntesis de ARN

Estructura del Gen y Proceso de Transcripción

Gen: Región de ADN que comprende, por un lado, las secuencias estructurales y reguladoras.

Secuencias Estructurales y Reguladoras

Secuencias Estructurales (SEC ESTRUC): Se transcriben exclusivamente en ARN o se transcriben en un ARNm que a su vez da lugar a una proteína.

Secuencias Reguladoras (SEC REG): Controlan la transcripción de las regiones estructurales.

Región Estructural

Región Estructural: Determina la expresión real del gen.

Comprende dos tipos de secuencias en función de su capacidad de expresión:

Intrones o regiones no codificantes (interior del gen).
Exones: Incluyen tanto las secuencias codificantes como las no codificantes de ambos extremos del gen.

Precursor o Transcrito Primario

Precursor o Transcrito Primario: Conjunto de exones e intrones de la región estructural; se transcribe para dar lugar a este.

Maduración Postranscripcional

Maduración Postranscripcional: Se pierden los intrones y los exones se unen linealmente hasta constituir el ARN maduro o funcional.

Región Reguladora

Región Reguladora: No tiene función codificante, situada corriente arriba (hacia 5′), contiene distintas regiones promotoras encargadas de interaccionar con los factores de transcripción proteicos para regular positiva o negativamente el inicio de la transcripción.

Corriente Abajo y Corriente Arriba

Corriente Abajo: El inicio del sitio de transcripción se denomina +1, y la numeración aumenta conforme se dirige al extremo 3′. En esta dirección se encuentran las secuencias codificantes del gen.

Corriente Arriba: Hacia el extremo 5′, en la dirección opuesta, la numeración se indica como -1, -2, -3, -4, etc. Aquí se encuentra la mayoría de las regiones regulatorias del gen.

Síntesis de ARN y Operón

Síntesis de ARN: Se realiza de 5′ a 3′, pero se lee en sentido 3′ a 5′.

Operón: Unidad transcripcional en procariotas que contiene al promotor y terminador.

Promotor Basal y Factores Transcripcionales

Promotor basal: Secuencia mínima requerida para la unión de la maquinaria basal de transcripción y para la ARN pol II (ARN polimerasa II). Incluye el Inr y la caja TATA o el DPE.

Factores transcripcionales: Proteínas reguladoras que se unen a los promotores, cuya función es regular (aumentar o disminuir) la tasa de transcripción.

Iniciador (Inr), Caja TATA y DPR

Iniciador (Inr): Localizada entre las posiciones -3 y +5.

Caja TATA: Debido a su composición de ocho pb A-T, se encuentra en la mayoría de los promotores y se localiza de -31 a -25 pb hacia el extremo 5′ del punto de inicio. Se localiza en una dirección relativamente fija con respecto al punto de inicio.

TATA menos: Los promotores que carecen de caja TATA.

El DPR (downstream promoter element) es un elemento común en los promotores TATA menos, se localiza de +28 a +32.

Transcripción: Síntesis de ARN

Transcripción: Síntesis de una cadena de ARN complementaria y antiparalela a la secuencia de nucleótidos de la cadena molde. Tiene la secuencia de nucleótidos idéntica a la cadena opuesta del ADN, llamada cadena codificadora, con la premisa de que la timina se sustituye por uracilo en la molécula de ARN.

Número de genes en humanos: aproximadamente 23,000.

Etapas de la Transcripción

Se da en el núcleo.

1. Iniciación

– Etapa más compleja de la transcripción.

Requiere de la separación de las hebras del ADN en un pequeño tramo cercano a la secuencia promotora para permitir que la ARN polimerasa sintetice un fragmento corto de ARN (de unos 10 nucleótidos) por apareamiento con la hebra molde.
La región de ADN que sufre el desenrollamiento parcial se conoce como burbuja de transcripción.
Se forma en el inicio y posteriormente, durante la elongación, se desplaza a lo largo del ADN junto con la ARN polimerasa (ARNpol).
Se requiere la unión al ADN de los factores de inicio de la transcripción o factores de transcripción (TF).

Dato: La iniciación puede subdividirse en tres subetapas, que solo se describen para los genes transcritos por la ARNpol-II (genes de clase II). Los genes de clase I y III se transcriben por mecanismos similares, salvo por la identidad y peculiaridades de sus ARNpol, promotores y TFs.

Formación del Complejo de Iniciación

El complejo plurimolecular se requiere para que la ARNpol pueda actuar.

Supone la unión de varios TFs a regiones promotoras del ADN e incorporación de la enzima, que participa en la forma con dominio CTD (dominio terminal carboxilo) no fosforilado.
Hay dos modelos para la formación de ese complejo:
1. Modelo del holoenzima: La ARNpol-II se une previamente a los TFs y luego el conjunto se une al promotor.
2. Modelo escalonado: Los TFs se van asociando a la región promotora uno a continuación del otro y en cierto orden.

Desnaturalización del Promotor

El complejo de iniciación produce en la región de inicio de la transcripción el desenrollamiento y separación de las dos hebras de ADN (desnaturalización local), esencial para la exposición de las bases de la ARNpol.

Esta zona de hebras separadas (burbuja de transcripción o complejo abierto) es el lugar donde va a tener lugar la síntesis de la cadena de ARN.

Requiere una actividad ADN-helicasa, presente ahora en dos de los factores de transcripción (TFIIF y TFIIH), con un gasto energético (hidrólisis del ATP).
El factor TFIIE estabiliza la región desnaturalizada del promotor.

El inicio se refiere a la síntesis de los primeros enlaces nucleotídicos de ARN.
La ARN pol II permanece en el promotor mientras sintetiza los primeros nueve enlaces.
La fase de inicio puede retrasarse por la ocurrencia de intentos abortivos, en los que la enzima sintetiza pequeños fragmentos (menos de 9 bases) y los libera, e inicia nuevamente.
El inicio termina cuando la enzima comienza a alargar la cadena y abandona el promotor con el complejo de iniciación.
Liberación del Promotor: Transición de Iniciación a Elongación:
- Procariotas: La transición se desencadena por la disociación de la subunidad σ de la holoenzima ARNpol, quedando disponible para su interacción con una nueva ARNpol núcleo e iniciar la transcripción en un nuevo promotor. El resto de la polimerasa (ARNpol <núcleo>, desprovista de la subunidad σ) continúa actuando en la elongación.

Eucariotas: La transición entre las fases de iniciación y elongación viene marcada por la fosforilación del dominio CTD de la ARNpol-II. La lleva a cabo el factor de transcripción TFIIH.

2. Elongación o Alargamiento del ARN

Complejo de elongación; ADN abierto, ARNpol y el ARN reciente.

La ARN polimerasa continúa alargando la cadena de ARN y también avanza la burbuja de transcripción.

Delante de las polimerasas se separan las 2 hebras de ADN por ruptura de los puentes de hidrógeno.
La polimerasa alarga el ARN añadiendo nucleótidos al extremo 3′ del ARN naciente. El último tramo permanece dentro de la burbuja, apareado transitoriamente como híbrido ARN-ADN.
Detrás de la polimerasa, la cadena de ARN nuevo se va separando de la hebra molde de ADN, saliendo de la burbuja y quedando como ARN de hebra sencilla. En el ADN se vuelven a aparear y ocurre el re-enrollamiento o rebobinado de la doble hélice.
Necesita factores de transcripción generales de la Elongación (PTE): Son proteínas que se agrupan en varios tipos PTEFb y SII evitan la terminación prematura de la elongación, y ELL aumentan la velocidad de la elongación al suprimir las pausas transitorias.

3. Terminación

Al alcanzar las secuencias de terminación, la ARN polimerasa interrumpe la síntesis de ARN y se separa del ADN.

Procariotas

Terminación Independiente de ρ: ARN en formación, cerca de su extremo 3′, «punto de terminación» definido por una secuencia palindrómica (secuencia de ácido nucleico (ADN o ARN) la cual es idéntica si se lee de 5′ (5-prima) a 3′ (3-prima) en una hebra o de 5′ a 3′ en la hebra complementaria de la doble hélice). Como consecuencia, el ARN forma una horquilla y hace que la síntesis pare.

Terminación Dependiente de ρ: Presencia de otra secuencia en el ARN rica en C y pobre en G de 50-90 nt. Interacciona con la proteína ρ (ro) hexamérica, ya unidas se desplazan en el ARN en sentido 3′ hasta alcanzar al complejo de elongación. En este contacto, ρ provoca la desnaturalización del híbrido, liberando el ARN e interrumpiendo la transcripción.

Eucariotas

Combinación de dos factores o mecanismos: la detención o pausa de la ARN Polimerasa y la desestabilización del Híbrido ARN/ADN. Resultado: separación de los componentes del complejo de la transcripción y desfosforilación de la ARN Pol-II para que pueda ensamblarse en un nuevo complejo. En cada polimerasa es diferente.

ARNpol-I: Una proteína de pausa o terminadora se une al ADN y detiene el avance de la ARN Pol, y una región rica en T facilita la separación del ARN. No hay región palindrómica.
ARNpol-II: Se detiene dentro de una región de terminación. Puede deberse a secuencias específicas en el ADN o a una proteína de pausa en el ADN. Es similar a la proteína ρ en procariotas e induce la separación.
ARNpol-III: Se detiene en secuencias específicas de ADN. Una rica en T en la hebra no molde facilita la separación del ARN.

Transcripción del Genoma Mitocondrial

Cromosoma circular humano, se transcribe por una sola ARNpol.

Para la iniciación requiere la presencia de un factor de transcripción TFAmt. Se transcribe de 3 lugares de iniciación: dos para la hebra pesada (H1 y H2) y uno para la ligera (L).

Los promotores se encuentran situados en la región no codificante de control o bucle D. H1 y H2 dependen de un mismo promotor o dos independientes (principal y secundario).

A partir del primer lugar de iniciación de la hebra pesada (H1) se transcribe ADN que codifica los ARNt, ARNr 12s, ARNt Val y ARNr 16s. La transcripción se detiene tras este último por el factor de terminación (TERFm).