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TEMA MONOGRÁFICO
GENÉTICA BÁSICA (I)
Regulación de la expresión génica
en las células eucarióticas
C. Mezquita y J. Mezquita
Unitat de Fisiologia. Laboratori de Genètica Molecular. Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer. Barcelona.
EXPRESIÓN GÉNICA EN LAS CÉLULAS
EUCARIÓTICAS
existen también una serie de secuencias reguladoras situadas en los
extremos 5‘ y 3’ no traducidos (5‘UTR y 3’UTR) que controlan
los mecanismos postranscripcionales (fig. 2).
Se denomina expresión génica1 al conjunto de procesos necesarios
para la síntesis de proteínas a partir de los genes que las codifican
(fig. 1). La enzima ARN polimerasa II copia el ADN de un gen
(transcripción) y da lugar a un ARN precursor del ARN mensajero
(ARNm). El ARN precursor experimenta una serie de modificaciones, denominadas postranscripcionales, que generan los tránscritos definitivos. Éstos son transportados al citoplasma, donde
mediante el proceso de traducción se sintetizan las correspondientes proteínas. Los tránscritos presentan una estabilidad variable, su
vida media puede durar de varios minutos a varios días. La secuencia de los ARNm no es inmutable y resulta modificada en algunos
casos a través de un proceso denominado edición. La edición, aunque es poco frecuente en los organismos superiores, puede dar lugar a importantes cambios funcionales en las proteínas.
REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN
En la transcripción, además de la enzima ARN polimerasa II, intervienen una serie de proteínas denominadas factores de transcripción. Existen dos tipos de factores de transcripción: los generaA
ADN
Elemento regulador
Dominio de unión
Factor
de transcripción
específico
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
EN LAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS
Dominio de activación
Factores
de transcripción
generales
Promotor
A veces se considera erróneamente que el proceso de regulación
de la expresión génica consiste sólo en el control de la transcripción, pero en realidad el proceso de regulación se extiende también a los mecanismos postranscripcionales. De la misma manera
que para el control de la transcripción resultan esenciales las secuencias de ADN, denominadas promotores y elementos reguladores, y las proteínas que interaccionan con las mismas, en el ARN
Gen
Sitio de iniciación
B
Factores de iniciación
de la traducción
Factor regulador
3’
específico
Iniciación
5’
Factor regulador
específico
Transcripción
Expresión génica
Elongación
Precursor
del ARNm
Mecanismos
postranscripcionales
Formación de la estructura
5’ cap
Formación del sitio
de poliadenilación
Poliadenilación
Eliminación de los intrones
Edición
Mecanismos
postranscripcionales
Estabilización
Transporte
Traducción
ARNm
Elementos reguladores
específicos
ARNm
Iniciación
Proteína
Figura 1 La expresión génica es el conjunto de procesos que conducen a
la síntesis de una determinada proteína a partir del gen que la
codifica.
Figura 2 La iniciación de la transcripción (A) y la iniciación de la traducción (B) son procesos estrechamente regulados. En el control
intervienen factores generales y factores específicos que interaccionan entre sí y con las secuencias indicadas de los ácidos
nucleicos.
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C. Mezquita Pla y J. Mezquita Pla
les, que se unen a secuencias del gen, denominadas promotoras,
próximas al sitio de iniciación de la transcripción, y los específicos,
que se unen a elementos reguladores situados a distancias variables del sitio de iniciación (fig. 2). Los factores de transcripción
pueden actuar como activadores o como inhibidores de la transcripción.
PROMOTORES Y ELEMENTOS REGULADORES
Los promotores son secuencias reguladoras del ADN próximas al
sitio de iniciación de la transcripción2. En muchos genes el promotor se extiende desde la posición –40 a la posición +40, siendo +1
el sitio de iniciación, y contiene una secuencia TATA, rica en nucleótidos A/T. La secuencia TATA se encuentra entre las posiciones –25 y –30 antes del sitio de iniciación. Esta secuencia es reconocida por la proteína TBP (TATA binding protein). Otra secuencia promotora, el iniciador (Inr), se superpone con el sitio de
iniciación. Una tercera secuencia, denominada DPE, está situada
entre las posiciones +28 y +34. El elemento DPE se comporta como un análogo alternativo a la secuencia TATA.
Otro tipo de promotores no contienen la secuencia TATA (promotores sin-TATA) y se caracterizan por ser ricos en GC. Poseen
sitios de unión para el factor de transcripción Sp1. El promotor se
extiende en una región de unos 200 nucleótidos que precede al sitio de iniciación. A diferencia de los promotores con secuencias
TATA que inician con precisión en un sitio determinado, los promotores ricos en GC presentan varios sitios de iniciación. Concentraciones variables del factor Sp1 pueden modular la intensidad de
la transcripción en estos promotores.
COMPLEJO DE INICIACIÓN
Para que la ARN polimerasa II reconozca el sitio de iniciación ha
de unirse al promotor. La unión al promotor requiere la participación de los denominados factores generales de transcripción que
forman con la polimerasa un complejo denominado complejo de
iniciación de la transcripción (fig. 2). Entre los factores generales
de transcripción, es particularmente importante el denominado
TFIID, que reconoce el promotor y proporciona el andamio estructural en el que pueden ensamblarse el resto de proteínas. La
proteína TBP y los factores asociados a la misma (TAF) forman
parte del TFIID.
Las proteínas TAF son capaces de reconocer al promotor y
también a los factores de transcripción específicos, activadores o
represores, que se unen a los elementos reguladores. De esta
forma transmiten al promotor la acción activadora o represora de
los factores de transcripción específicos. Además de esta función,
las proteínas TAF modifican la estructura de la cromatina a través de reacciones enzimáticas de acetilación y fosforilización de
las histonas.
Una vez se ha unido el factor IID, se unen secuencialmente el
resto de los factores que constituyen el complejo de iniciación.
Uno de los últimos factores en unirse al complejo, el denominado IIH, presenta actividad helicasa y utiliza la energía resultante
de la hidrólisis del ATP para separar la doble cadena del ADN, lo
cual permite iniciar la transcripción. El factor IIH posee, además, actividad cinasa y fosforiliza múltiples serinas existentes en
el extremo carboxiterminal de la subunidad mayor de la ARN polimerasa II. La fosforilización es importante para liberar a la enzima del complejo de iniciación y dar comienzo a la transcripción.
FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN ESPECÍFICOS
Los factores de transcripción específicos poseen un dominio de
unión que interacciona con secuencias específicas del ADN, denominadas elementos reguladores, y un dominio de activación que se
une a los factores generales de transcripción del complejo de iniciación (fig. 2). Muy a menudo los factores de transcripción forman heterodímeros, lo que permite la interacción con un mayor
número de elementos reguladores y la combinación de diferentes
dominios activadores. Los heterodímeros pueden activar o inhibir
la transcripción.
Los elementos reguladores pueden estar situados a distancias
variables del promotor. Cuando la distancia es muy grande, los
factores de transcripción específicos unidos a los elementos reguladores pueden establecer contacto con las proteínas del complejo de iniciación gracias a que el ADN forma asas que aproximan
el elemento regulador al promotor (fig. 2). Los elementos reguladores pueden tener una longitud de unos 100 pares de bases
(pb) y contener sitios de unión para múltiples proteínas activadoras o represoras. Los factores represores pueden actuar por varios mecanismos. Una posibilidad es que estén constituidos, como los factores activadores, por un dominio de unión al ADN y
un dominio funcional represor. Los represores pueden también
unirse a elementos reguladores activadores y bloquearlos o interaccionar directamente con el sitio de iniciación de la transcripción inhibiéndola.
Cada tipo celular presenta diferencias cualitativas y cuantitativas en los factores de transcripción, generales y específicos, que
expresa. Además, la expresión génica puede ser regulada por la
unión a los factores de transcripción de diferentes moléculas
(hormonas esteroideas, hormonas tiroideas, retinoides, etc.) Algunas de estas moléculas, por su solubilidad en la membrana, tienen libre acceso a los factores de transcripción; otras, como las
hormonas de naturaleza proteica y también las hormonas esteroideas, pueden interaccionar con proteínas de la membrana celular
y activar vías de transducción de señales. Estas vías, aparte de
provocar otras respuestas, modifican la transcripción induciendo
cambios covalentes en los factores de transcripción como la fosforilización.
ELONGACIÓN
El inicio de la transcripción no significa necesariamente que la
síntesis del precursor del ARNm prosiga sin interrupción hasta
completarse, puesto que en ocasiones se detiene cuando sólo
se ha formado un polímero de unas decenas de nucleótidos.
No se conocen los mecanismos que provocan las pausas en la
elongación de la cadena del ARN. En el caso de la proteína de
estrés térmico HSP70, a temperaturas fisiológicas, la elongación se detiene cuando la longitud de la cadena de ARN alcanza unos 25 nucleótidos. Durante el estrés térmico, la transcripción y la traducción de la mayoría de genes se detiene; sin embargo, un grupo de genes que codifican proteínas esenciales
para la supervivencia en condiciones de estrés presentan una
mayor transcripción. En estas circunstancias no se produce la
pausa y la elongación prosigue hasta completarse el tránscrito.
Además, la reiniciación de la transcripción se produce con mayor frecuencia. No se conoce el mecanismo responsable de la
pausa. La activación de los factores de transcripción de heat
shock que interaccionan con los elementos reguladores de estrés térmico aumenta la velocidad de elongación y de reiniciación.
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ESTRUCTURA DE LA CROMATINA
Y TRANSCRIPCIÓN
El ADN se encuentra asociado a las histonas formando los nucleosomas que son las unidades estructurales de la cromatina. Las histonas inhiben la transcripción tanto en la fase de iniciación como
en la fase de elongación. Para que tenga lugar la transcripción resulta necesaria la presencia de una serie de proteínas capaces de
contrarrestar la acción de las histonas. Tal como se ha mencionado
anteriormente, los factores de transcripción modifican la estructura de la cromatina y hacen posible la transcripción. Los factores
implicados en estos cambios estructurales se denominan complejos de remodelación, como el RSF, que permite la iniciación de la
transcripción y complejos de elongación, como el FACT, que facilitan la elongación3.
Los complejos que modifican la estructura de la cromatina para
facilitar la transcripción pueden clasificarse en dos grupos distintos: los que producen modificaciones covalentes de las histonas y
los que utilizan la hidrólisis del ATP para cambiar la conformación
de los nucleosomas. El cambio de conformación de los nucleosomas puede implicar un aumento o una disminución de la transcripción. Al primer grupo pertenecen las acetiltransferasas, que
añaden grupos acetilo a los extremos aminoterminales de las histonas, y las desacetilasas que quitan grupos acetilo. El aumento de la
acetilación suele estar relacionado con un incremento de la transcripción, aunque no ocurre así en todos los casos.
METILACIÓN DEL ADN
En el embrión de ratón, en la fase de blástula, la mayor parte del
ADN se encuentra no metilado. Después de la implantación se
produce una ola de metilación de novo que afecta a la mayoría del
genoma. Se ha postulado que esta metilación global constituiría un
mecanismo de seguridad para inhibir la expresión de secuencias
exógenas existentes en el genoma o para bloquear la expresión de
trasposones. La metilación global bloquea la expresión de todas
aquellas secuencias que carecen de los elementos necesarios para
impedir la metilación. Estos elementos se encuentran, sin embargo, en las islas CpG asociadas a los genes de expresión habitual
que no resultan metiladas. Aunque la hipermetilación puede estar
asociada con la condensación de la cromatina y la represión de la
transcripción, no se ha podido establecer una relación unívoca entre metilación y bloqueo de la transcripción. Así, el gen de la ciclina A1 con el promotor hipometilado no se expresa en las células
somáticas, mientras que el mismo gen con el promotor hipermetilado presenta una expresión máxima durante la espermatogénesis4.
MODIFICACIONES POSTRANSCRIPCIONALES
Poco después de que la ARN polimerasa inicie la transcripción en
el primer nucleótido del primer exón de un gen, tiene lugar la adición de 7-metilguanilato al extremo 5’ del mensajero (estructura
cap). La transcripción termina más alla del extremo 3’ del último
exón. El extremo 3’ del tránscrito definitivo se genera por un corte
en un punto específico denominado sitio de poliadenilación. Existen señales de poliadenilación (AAUAAA) separadas por 10-30 nucleótidos del sitio de corte. La poliadenilación consiste en la adición de 100-250 adeninas. A continuación, si el tránscrito tiene intrones, éstos son eliminados y los exones se unen formando el
mensajero definitivo que es transportado al citoplasma, donde tiene lugar la traducción. Los procesos postranscripcionales mencio-
nados y el control de la traducción que tiene lugar a continuación
dependen de una serie de proteínas que se unen al ARN formando partículas ribonucleoproteicas.
CONTROL DE LA TRADUCCIÓN
La traducción de los ARNm es un proceso altamente competitivo
y una fase estrechamente regulada de la expresión génica. La regulación tiene lugar esencialmente en la fase de iniciación. La subunidad ribosómica 40S se une, junto con una serie de proteínas
denominadas factores de iniciación, al extremo 5’ del ARNm
(fig. 2). Entre estos factores cabe destacar una helicasa que deshace la estructura secundaria del extremo 5’ del ARNm. En una segunda fase el conjunto de la subunidad 40S y de los factores de iniciación se desplazan sobre el ARN hasta que reconocen un triplete
AUG como inicio de la traducción. Entonces se produce la disociación de los factores de iniciación y la incorporación de la subunidad ribosómica 60S. El ARNm que está siendo traducido adopta
una forma circular debido a proteínas que unen los extremos 5’ y
3’ de la molécula (fig. 2)5. La circulación del ARNm aumentaría la
fidelidad de la traducción y facilitaría la reutilización del tránscrito.
La disposición circular explica también por qué las secuencias
3’UTR, además de las 5’UTR, son importantes para el control de
la iniciación de la traducción. Se ha identificado una proteína,
denominada maskin6, que compite con un factor de iniciación y
bloquea el inicio de la traducción. La disociación de la proteína
maskin y la poliadenilación del tránscrito permiten el inicio de la
traducción.
REGULACIÓN GLOBAL DE LA TRADUCCIÓN
La traducción puede ser regulada de forma global a través de los
factores de iniciación y de factores que compiten con los mismos, y
también gracias a la existencia de proteínas represoras que interaccionan con el ARN de forma inespecífica. En los espermatocitos y
en las espermátidas, más del 70% de los ARNm se encuentran
unidos a proteínas que bloquean temporalmente la traducción. Estas proteínas pertenecen a la familia denominada Y-box (YB).
Estas mismas proteínas inhiben también la traducción prematura
de mensajeros maternos que son almacenados en el oocito para ser
traducidos más adelante durante la maduración de esta célula o en
la fase inicial de la embriogénesis. En las partículas de ARN almacenadas, además de proteínas YB, existen helicasas. Estas proteínas pueden ejercer un importante papel controlando el plegamiento y desplegamiento del ARN durante la formación y el desensamblaje de los complejos ribonucleoproteicos. La
introducción de estructura secundaria en el extremo 5’ de los
ARNm bloquea la traducción. Éste puede ser el mecanismo responsable del bloqueo temporal de la traducción de una serie de
tráscritos testiculares que hemos caracterizado en nuestro laboratorio7. Existen helicasas específicas de células meióticas y posmeióticas que resultarían esenciales para el control de la traducción en
la línea germinal.
REGULACIÓN ESPECÍFICA DE LA TRADUCCIÓN
Además de la regulación global de la traducción, existen mecanismos de regulación específica a través de secuencias existentes en
los extremos 5’UTR y 3’UTR (fig. 2). La traducción del mensajero
de la ferritina es inhibida por proteínas que se unen a secuencias
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del extremo 5’. Algunas proteínas reguladoras actúan como agentes dobles8: por una parte, son factores de transcripción que se
unen a elementos reguladores del ADN y, por otra, son factores de
traducción que se unen a elementos reguladores del ARN. La región 3’ de los tránscritos también contiene elementos reguladores
que pueden ser reconocidos de forma específica por represores de
la traducción. Éste es el caso de la familia de proteínas denominada “STAR”. Estas proteínas reconocen elementos reguladores denominados TGE en la región 3’ de determinados tránscritos y forman parte de una vía de transducción de señales que actúa sobre
los ARNm controlando su traducción. Las proteínas STAR se expresan durante la espermatogénesis9 y podrían bloquear temporalmente la traducción de algunos mensajeros. El mensajero de la
protamina es también controlado por una proteína que se une al
extremo 3’. La proteína reguladora está presente en las células que
almacenan los tránscritos de protamina pero no los traducen y falta
en las células que sintetizan protamina al final de la espermiogénesis.
El extremo 3’UTR de los tránscritos resulta también esencial
para el control de la estabilidad de los ARNm. Los tránscritos de
protooncogenes, de factores de transcripción y de citocinas, entre
otros, tienen vidas medias muy cortas y poseen extremos 3’UTR
con secuencias desestabilizantes ricas en AU, denominadas secuencias ARE. Las secuencias ARE promueven la desadenilación
de los mensajeros como fase previa a su ulterior degradación. La
existencia de secuencias ARE no prejuzga que los mensajeros sean
rápidamente degradados, puesto que los tránscritos pueden resul-
tar estabilizados por la unión de determinadas proteínas como la
proteína de heat shock HSP7010,11. Bibliografía
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