Transcripción
La transcripción se refiere al primer paso de la expresión génica donde se crea un polímero de ARN a partir de una plantilla de ADN. Esta reacción es catalizada por enzimas llamadas polimerasas de ARN y el polímero de ARN es antiparalelo y complementario a la plantilla de ADN. El tramo de ADN que codifica una transcripción de ARN se denomina unidad de transcripción y podría contener más de un gen.
Estas transcripciones de ARN se pueden usar como mensajeros para impulsar la síntesis de proteínas o participar en varios procesos celulares diferentes. Estos ARN funcionales o no codificantes podrían ser ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosómico (ARNr) o regulación genética directa a través de la interferencia del ARN (ARNi) y la formación de heterocromatina.
Función de transcripción
Se dice que la vida en la tierra comenzó a partir del ARN autorreplicante, ya que es la única clase de moléculas capaces tanto de catálisis como de transportar información genética. Con la evolución, las proteínas se hicieron cargo de la catálisis porque son capaces de una mayor variedad de secuencias y estructuras. Además, los enlaces en la columna vertebral de fosfato de azúcar del ARN son vulnerables incluso a cambios leves en el pH y pueden sufrir hidrólisis alcalina. Por lo tanto, el ADN surgió como la molécula preferida para transportar información genética, ya que es más estable y resistente a la degradación. La transcripción mantiene el vínculo entre estas dos moléculas y permite que las células utilicen un ácido nucleico estable como material genético mientras retienen la mayor parte de su maquinaria de síntesis de proteínas.
Además, la separación del ADN del sitio para la síntesis de proteínas también protege el material genético de las tensiones bioquímicas y biofísicas de procesos complejos de múltiples capas. Los pequeños errores en la transcripción del ARN pueden superarse ya que la molécula de ARN tiene una vida media corta, pero los cambios en el ADN se convierten en mutaciones hereditarias. Además, la transcripción agrega otra capa para la regulación de genes intrincados, especialmente en especies con genomas grandes que requieren ajustes mínimos en el metabolismo.
En eucariotas, la transcripción también juega un papel importante en la transferencia de información del ADN al citoplasma porque el poro nuclear es demasiado pequeño para permitir el paso de los ribosomas, proteínas o cromosomas. Mientras que el poro nuclear tiene un diámetro de aproximadamente 5-10 nm, los ribosomas tienen un tamaño de entre 25 y 30 nm, muchas proteínas tienen un ancho superior a 10 nm y los cromosomas completamente condensados pueden tener un tamaño superior a 2000 nm. Por lo tanto, la maquinaria primaria para la síntesis de proteínas no puede ingresar al núcleo y los tramos de ADN no pueden salir del núcleo.
Mecanismo de transcripción
La transcripción crea una molécula de ARN monocatenario a partir de ADN bicatenario. Por lo tanto, solo la información de una de las cadenas se transfiere a la secuencia de nucleótidos del ARN. Una hebra de ADN se llama hebra codificante y la otra es hebra molde. La maquinaria de transcripción interactúa con la hebra molde para producir un ARNm cuya secuencia se asemeja a la hebra codificante. Otros nombres para la hebra plantilla incluyen hebra antisentido y hebra maestra.
Dos genes diferentes en la misma molécula de ADN pueden tener secuencias codificantes en diferentes cadenas.
La actividad transcripcional es particularmente alta en las fases G1 y G2 del ciclo celular cuando la célula se está recuperando de la mitosis o se está preparando para los dramáticos eventos del próximo ciclo de división celular.
Inicio de la transcripción
La transcripción comienza con la unión de un RNAP en presencia de factores de transcripción generales a la región promotora corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción en el ADN. El RNAP procariota se une a un factor sigma, mientras que las ARN polimerasas eucariotas pueden interactuar con varios factores de transcripción, así como con proteínas activadoras y represoras. Inicialmente, después de la unión de RNAP a la región promotora, el ADN permanece en forma bicatenaria. A esto se le llama un «complejo cerrado» entre el ADN y la RNAP. A partir de entonces, el RNAP junto con los factores de transcripción desenrolla un segmento del ADN e interactúa con los nucleótidos expuestos en un complejo abierto creando una «burbuja de transcripción». RNAP luego navega a lo largo del análisis de ADN en busca del sitio de inicio de la transcripción dentro de la burbuja. Una vez que se encuentra el sitio de inicio,
Escape del Promotor
Después de que se agregan los primeros nucleótidos a la supuesta transcripción de ARN, el RNAP entra en una fase crítica e inestable. Puede continuar hacia la iniciación productiva o atraer el ADN hacia sí mismo, creando un ADN abierto y arrugado dentro de la polimerasa. Si RNAP rebobina la porción corriente abajo del ADN, se libera la supuesta transcripción de ARN porque el complejo ADN-RNAP vuelve a su configuración abierta inicial. A esto se le llama iniciación abortiva.
Sin embargo, si la porción de ADN corriente arriba se rebobina y se expulsa de la enzima, la RNAP avanza. Su interacción con la región promotora se rompe y el transcrito de ARN alcanza una longitud de 14-15 nucleótidos. A esto se le llama escape del promotor y se acompaña de cambios en las interacciones proteína-proteína y proteína-ADN. Se liberan algunos factores de transcripción y la transcripción avanza hacia la fase de alargamiento.
Elongación de la transcripción
Una vez que se forma un oligonucleótido de ARN corto de más de 15 bases, el RNAP avanza a lo largo de la hebra de ADN molde. La transcripción es idéntica a la cadena codificante, excepto que la cadena principal de nucleótidos tiene azúcar ribosa en lugar de desoxirribosa y pares de bases de adenina con uracilo, en lugar de timina. RNAP puede catalizar la formación de un enlace fosfodiéster entre el quinto átomo de carbono de un nucleótido entrante y el tercer átomo de carbono del último nucleótido en la transcripción existente.
Dado que la molécula de ARN tiene un fosfato libre unido al quinto carbono en el primer nucleótido y un grupo hidroxilo libre en el tercer carbono del último nucleótido, se dice que el ARN se transcribe en una dirección de 5 ‘a 3’.
Terminación de la transcripción
A diferencia de la replicación del ADN, donde la ADN polimerasa continúa agregando nucleótidos hasta que alcanza el final de la molécula, la transcripción debe terminarse en una ubicación particular para una regulación y expresión génica efectiva. La terminación de la transcripción procariota puede ocurrir mediante la formación de una región bicatenaria dentro del ARN o mediante la acción de una proteína llamada Rho.
El primer método implica la transcripción de una región rica en G: C seguida de una cadena de uracilos que forman enlaces de hidrógeno débiles con el ADN molde. La región rica en G: C puede circular sobre sí misma para formar una estructura en forma de horquilla que detiene el RNAP y la maquinaria de transcripción. Esto, combinado con los enlaces más débiles entre el uracilo y la plantilla de ADN, puede alejar el ARN de la maquinaria de transcripción y provocar la terminación. Este proceso también involucra una proteína llamada NusA.
La terminación de la transcripción dependiente de Rho implica la unión de la proteína Rho a una secuencia en el ARN transcrito. Esta secuencia, que está aguas abajo de los codones de terminación de la traducción, permite que Rho se una al ARN y navegue a lo largo del transcrito de una manera dependiente de ATP. Cuando encuentra un RNAP estancado, se une a la enzima y hace que la transcripción y su maquinaria asociada se disocie del ADN.
La terminación de la transcripción eucariota se comprende mucho menos, y la mayor parte del trabajo se ha centrado en los mecanismos de RNAP II. La terminación de la transcripción en eucariotas también se acopla con modificaciones postranscripcionales y procesamiento antes de que el ARN maduro se exporte al citoplasma.
Tipos de transcripciones de ARN
Tradicionalmente, se conocían tres tipos de transcripciones de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARNt y ARNr, y los tres están íntimamente asociados con la síntesis de proteínas. Mientras que el ARNm determina la secuencia de aminoácidos, el ARNt y el ARNr son cruciales para el mecanismo de traducción del código del ARNm.
La polimerasa II de la ARN polimerasa cataliza la polimerización de ARNm a partir de genes que codifican proteínas que contienen ADN . Ocasionalmente, las proteínas que se usan juntas se codifican como una sola unidad, en una molécula de ARNm larga y esto es particularmente común entre los procariotas. Las secuencias de ADN corriente arriba de la secuencia codificante contienen sitios de acoplamiento para la maquinaria de transcripción, así como factores reguladores que modulan el tiempo y la cantidad de actividad transcripcional. A continuación, el ARNm se modifica y procesa para dar lugar a la transcripción final utilizada para la traducción.
El ARNr constituye casi el cincuenta por ciento del ARN de una célula y es transcrito por la ARN polimerasa I en regiones especializadas del núcleo llamadas nucleolo. Los nucleolos aparecen como estructuras esféricas densas alrededor de los loci que codifican el ARNr. El ARNr procariota es de tres tipos y los ribosomas eucariotas están hechos de cuatro tipos de ARNr, el más grande contiene más de 5000 nucleótidos. Estas moléculas de ARN determinan la estructura tridimensional de los ribosomas.
La ARN polimerasa III cataliza la transcripción de precursores de ARNt en el núcleo. Las secuencias promotoras que controlan la expresión de genes de ARNt pueden ser intragénicas, ubicadas dentro de la secuencia codificante del gen. Los precursores de ARNt experimentan amplias modificaciones, incluido el empalme. Los ARNt procariotas conservan su actividad catalítica y pueden autoajustarse, mientras que la modificación postranscripcional eucariota se lleva a cabo mediante enzimas endonucleasas especiales. Estas endonucleasas reconocen motivos estructurales específicos dentro del ARNt que se dirigen a la secuencia para el corte y empalme.
Además de estos tres tipos de ARN, la célula contiene varios ARN más pequeños involucrados en diversas actividades celulares. Estos incluyen la regulación de genes (mediada por micro ARN y secuencias en las regiones 5 ‘no traducidas de las transcripciones de ARNm), modificación postranscripcional (ARN nuclear pequeño, ARN nucleolar pequeño), defensa del genoma (ARN que interactúa con Piwi y CRISPR) y el mantenimiento de estructura genómica (telómeros y transcripciones de ARN que silencian los cromosomas X).
Diferencias entre la transcripción procariota y eucariota
La diferencia obvia entre la transcripción procariota y eucariota es la presencia de una membrana nuclear en eucariotas. Las transcripciones de ARN eucariotas deben exportarse desde el núcleo, mientras que los procariotas realizan la transcripción y traducción acopladas en el citoplasma. Esto es posible porque la transcripción procariota no sufre una modificación extensa y los procariotas no necesitan factores de transcripción para iniciarse. Por tanto, la maquinaria de transcripción es más sencilla y puede acomodar simultáneamente las enzimas de traducción.
Los procariotas también tienen solo una ARN polimerasa para catalizar todas las reacciones de transcripción de la célula y una sola transcripción de ARN puede dirigir la síntesis de múltiples proteínas. Estos ARNm se denominan ARNm policistrónico. A menudo, todos los genes implicados en una vía bioquímica se transcriben y traducen juntos, lo que permite regular la vía completa como una sola unidad. En eucariotas, el ARNm policistrónico se puede encontrar en los cloroplastos.
Términos de biología relacionados
- ARNm monocistrónico : transcripción de ARNm que codifica una sola proteína.
- Transposones : pequeños segmentos de ADN que pueden moverse por el genoma, insertándose en lugares muy alejados de su sitio original, a menudo involucrando un intermedio de ARN.
- hnRNA : el ARN nuclear heterogéneo se considera el producto original de la transcripción y consiste principalmente en precursores de ARNm.
- Polimerasa Poli-A : enzima que agrega un tramo de nucleótidos de adenina al final de una transcripción primaria.
