Xi. Transcripción: proceso de transcripción génica en procariotas y eucariotas

XI. Transcripción

C CENTRO EUROPEO DE MÁSTERES Y POSGRADOS- Índice

1. Transcripción en procariotas

2. Transcripción en eucariotas

Síntesis y procesamiento del ARN mensajero

1. Transcripción mitocondrial

Tecnologías de análisis y manipulación de ácidos nucleicos

Objetivos

• Entender los mecanismos de la transcripción en procariotas y eucariotas.

• Conocer las enzimas y proteínas participantes en la transcripción.

Ideas clave

• La transcripción es el proceso de copia de una hebra de ADN a una secuencia complementaria de ARN.

• La principal enzima implicada en el proceso de transcripción es la RNA polimerasa.

• En procariotas y mitocondrias solo hay un tipo de RNA polimerasa, mientras que en el núcleo de las células eucariotas hay tres.

• La transcripción consta de 3 etapas: iniciación, elongación y terminación.

Introducción a la transcripción

Como postula el Dogma Central de la Biología Molecular, en el flujo de la información génica participan tres procesos: replicación (síntesis del ADN), transcripción (copia de un fragmento de ADN a ARN) y traducción (síntesis de un polipéptido a partir de la secuencia de nucleótidos del ARN).

El proceso de transcripción es similar en todos los organismos, aunque existen varias diferencias entre lo que ocurre en células eucariotas y procariotas.

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1. Transcripción en procariotas

La transcripción es el proceso de copia de una hebra de ADN a una secuencia complementaria de ARN. Generalmente, esa secuencia, en las células procariotas, se corresponde con un conjunto de genes con funciones relacionadas (cistrón). Por lo tanto, los ARN generados suelen ser policistrónicos.

El ARN se transcribe a partir de una sola de las cadenas del ADN de cada gen o grupo de genes. A la hebra de ADN que sirve de molde se le denomina cadena sentido. A la hebra complementaria, se le denomina cadena anti-sentido. Hay que tener en cuenta que el ARNm tiene la misma secuencia de nucleótidos que la cadena anti-sentido.

La principal enzima implicada en el proceso de transcripción es la RNA polimerasa, aunque también participan las helicasas. En los procariotas, una única RNA polimerasa transcribe todas las clases de ARN. En E. coli esta enzima consta de cinco subunidades: dos subunidades a, una subunidad ß, otra ß' y una subunidad o. Las subunidades a regulan la frecuencia de iniciación. Las subunidades ß y ß' presentan actividad catalítica. Estos tres tipos de subunidades forman el núcleo central de la enzima. La subunidad o puede disociarse del núcleo central, pero su presencia es imprescindible para el inicio correcto de la transcripción.

La transcripción comprenden tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Las regiones que marcan la iniciación de la transcripción en procariotas son los promotores de los genes. Los promotores bacterianos se localizan en la región de ADN justo antes del sitio de inicio de la transcripción. Al nucleótido en que comienza la transcripción se le denomina +1 y el nucleotido anterior -1. Las regiones del ADN anteriores al sitio de inicio son las regiones upstream (corriente arriba) y las posteriores son las regiones downstream (corriente abajo).

En muchos genes bacterianos, en la región -35 se encuentra la secuencia TTGACA (secuencia consenso), mientras que en la región -10 aparece la secuencia TATAAT (caja de Pribnow). La subunidad o de la RNA polimerasa reconoce estas dos secuencias y se une al hebra del ADN, Además, la helicasa abre la doble hélice del ADN, dejando expuestos los nucleótidos de las dos cadenas complementarias, en una pequeña zona del ADN.

En la etapa de elongación de la transcripción, la subunidad o de la RNA polimerasa se disocia. Una de las dos hebras actúa como molde para el apareamiento de ribonucleótidos trifosfato, que se unen liberando un pirofosfato. La RNA polimerasa va avanzando a lo largo de la cadena molde de ADN, uniendo los ribonucleótidos complementarios hasta llegar al codón de terminación. La formación de la cadena de ARN se realiza en sentido 5'-3'.

La terminación de la transcripción en E. coli puede tener lugar mediante dos mecanismos. El primero de ellos es la terminación directa, que consiste en que la RNA polimerasa se libera al llegar a la secuencia de terminación, sin necesidad de ningún otro factor. En el segundo mecanismo participa la proteína rho, que reconoce una secuencia rut y separa a la RNA polimerasa del ARN recién sintetizado y de la cadena molde del ADN.

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2. Transcripción en eucariotas

A pesar de que el procedimiento de la transcripción es muy parecido al que ocurre en las células procariotas, existen características propias de las células eucariotas. Por ejemplo, en este tipo de células, la transcripción tiene lugar en el núcleo y los ARN suelen ser monocistrónicos.

En eucariotas existen tres RNA polimerasas diferentes. Cada una de ellas se encarga de la transcripción de un tipo de ARN. Así, la RNA polimerasa I sintetiza los precursores de los ARNr 18S, 5,8S y 28S. La RNA polimerasa II produce los pre-ARNm y ARNsn. Por último, la RNA polimerasa III produce los ARNt, ARNr 5S y otros ARNsn. Todas estas polimerasas sintetizan moléculas precursoras de ARN (pre-ARN o transcrito primario), que deben ser procesados para dar moléculas de ARN funcionales.

Para el inicio de la transcripción, además de las secuencias consenso en los promotores de los genes, como la caja TATA, es necesaria la presencia de factores de transcripción. Estos factores de transcripción se unen a regiones del promotor específicas, facilitando que la RNA polimerasa se una al promotor en el sitio de inicio de la transcripción de un gen, en una hebra de ADN.

2.1 Síntesis y procesamiento del ARN mensajero

Los ARNm de las células eucariotas son sintetizados por la RNA polimerasa II, una enzima que consta de 12 subunidades diferentes. El inicio de la transcripción requiere que la RNA polimerasa II y diferentes factores de transcripción generales (GTF) se unan a regiones del promotor, como la caja TATA. Esta secuencia consenso (TATAAA) está situada en la región -24 a -32 (upstream), formando el complejo de preinicio. Dicho complejo está formado por la subunidad TBP (que reconoce a la caja TATA) del complejo TFIID, TFIIA, TFIIB, la RNA polimerasa II unida a TFIIF, TFIIE y TFIIH.

TFIIH tiene doble actividad enzimática. Una de sus subunidades es una quinasa que fosforila a la RNA polimerasa II, activándola. Otra subunidad presenta actividad helicasa, que desenrolla el ADN en el promotor permitiendo el acceso de la polimerasa.

La RNA polimerasa II genera un transcrito primario que complementario al ADN de toda la unidad de transcripción. El pre-ARNm, antes de abandonar el núcleo celular para ir al citoplasma, sufre un proceso de maduración por corte y empalme (o splicing). En el proceso de splicing participa un complejo denominado espliceosoma. Este complejo está compuesto por 5 snRNPs (U1, U2, U4, U5 y U6). Las snRNP están formadas por una docena de proteínas Sm más una pequeña molécula de ARN, rica en uracilo (U), que es la encargada de reconocer al intrón, mediante apareamiento complementario de bases, en la secuencia consenso GU del extremo 5' y AG del extremo 3' del intron. Se cortan y eliminan los intrones. Posteriormente se unen los exones.

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Durante la transcripción del ARNm, se añade un casquete (cap) de metil-guanosina en el extremo 5'. Al extremo 5' del ARNm naciente se le une una enzima del casquete (capping), que elimina el grupo fosfato terminal y añade un residuo de guanina en orientación inversa. A continuación, diferentes metil-transferasas agregan un grupo metilo al casquete de guanosina terminal.

Por otro lado, en el extremo 3' del pre-mRNA se ensambla un complejo grande de proteínas para añadir la cola de poli-A. Primero, una endonucleasa corta en una secuencia determinada el transcrito primario. Posteriormente, la polimerasa de poli(A) añade 200-250 residuos de adenosina al extremo 3.

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3. Transcripción mitocondrial

'En la transcripción del ADN mitocondrial interviene, por supuesto, la RNA polimerasa mitocondrial, un factor de transcripción implicado en la iniciación (mtTFA) y otro de terminación (mtTERF).

En el ADN mitocondrial existen tres puntos de iniciación de la transcripción, dos en la cadena pesada (H1 y H2) y uno en la cadena ligera (L). Dan lugar a 3 moléculas de ARN policistrónicas, que sufrirán un procesamiento. Las endonucleasas cortan las moléculas en los extremos 5'y 3'de los ARNt, que sirven de separación entre los distintos tipos de ARN.

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