Tamarín Capitulo10

T
odos los seres vivos sintetizan proteínas. De hecho, los
tipos celulares están determinados por los tipos de proteínas que cada célula puede sintetizar. De ahí que el
material genético debe controlar los tipos y cantidades de proteínas que sintetiza una célula. Las proteínas (polipéptidos) están constituidas por largas hileras de aminoácidos unidos
mediante enlaces peptídicos. Todas las proteínas se construyen
a partir de un surtido de sólo veinte aminoácidos distintos. La
secuencia de aminoácidos de una proteína está especificada por
la secuencia de nucleótidos del DNA o del RNA. En todos los
procariotas, eucariotas y virus de DNA, el gen es una secuencia
de nucleótidos en el DNA que codifica la secuencia de RNA.
Este RNA determina por regla general los aminoácidos de un
polipéptido. El RNA generalmente sirve de intermediario entre
el DNA y las proteínas; sin embargo, el RNA puede ser funcional por sí mismo (véase más abajo). (En los virus de RNA, este
puede servir como molde para la síntesis de DNA, o el RNA
puede servir como material genético sin que se llegue nunca a
formar DNA. Consideraremos estos casos al final del capítulo.)
La descripción del flujo de información que implica el
material genético se denominó inicialmente dogma central:
el DNA transfiere la información al RNA, el cual controla directamente la síntesis de proteínas (fig. 10.1). El DNA también controla su propia replicación. La transcripción es el
proceso mediante el cual el RNA es sintetizado a partir de un
molde de DNA; esto es, la información del DNA es reescrita,
pero básicamente en el mismo lenguaje de nucleótidos. El
proceso por el cual el RNA controla la síntesis de proteínas se
denomina traducción porque la información en lenguaje de
nucleótidos es traducida en información en lenguaje de aminoácidos. En este capítulo nos centraremos en los procesos
relacionados con la transcripción. Al final del capítulo actualizaremos el dogma central. En los siguientes capítulos trata
remos la traducción y los diversos mecanismos de regulación,
tanto de la transcripción como de la traducción, en virus, procariotas y eucariotas.
TIPOS DE RNA
En el proceso de síntesis de proteínas hay tres tipos distintos
de RNA que sirven para tres funciones específicas. El papel
del primer tipo de RNA es el de mensajero (mRNA) para llevar la información de la secuencia del DNA a unas partículas
del citoplasma conocidas como ribosomas, donde el mensajero será traducido. El papel del segundo tipo de RNA es el de
molécula de transferencia (tRNA) para transportar los aminoácidos a los ribosomas, donde tiene lugar en realidad la síntesis de proteínas. El papel del tercer tipo de RNA es como
parte estructural de los ribosomas. Este último tipo de RNA
es el RNA ribosómico (rRNA). Las relaciones generales entre las funciones de estos tres tipos de RNA están esquematizadas en la figura 10.2.
Sabemos que el DNA no controla directamente la síntesis
proteica porque, en eucariotas, la traducción tiene lugar en el
citoplasma, mientras que el DNA permanece en el núcleo. Se
sospechó durante mucho tiempo que el intermediario genético
en procariotas y en eucariotas era el RNA porque la concentración de RNA citoplasmático era mayor cuando aumentaba la
síntesis de proteínas y porque el RNA citoplasmático contenía
secuencias nucleotídicas complementarias a las del DNA de la
célula. La prueba llegó cuando se demostró que el mRNA dirige la síntesis de proteínas.
TRANSCRIPCIÓN
Complementariedad DNA-RNA
¿Qué pruebas tenemos de que el RNA encontrado en el citoplasma sea complementario al DNA del núcleo? Existen dos
líneas de evidencia importantes. Primera, se ha demostrado
que los RNA producidos por diversos organismos tienen proporciones de bases muy parecidas a las proporciones de
bases le su DNA (tabla 10.1). La segunda línea de evidencia
proviene de los experimentos de Hall, Spiegelman y otros
mediante e1 procedimiento de la hibridación DNA-RNA.
En esta técnica el DNA es desnaturalizado por calentamiento,
lo cual hace que se separen las dos cadenas de la hélice
doble. Cuando la solución se enfría, una parte de las cadenas
de DNA se unirán y se enrollarán; esto es, las cadenas
complementarias se "encuentran" unas a otras y
reconstruyen hélices dobles. Cuando se añade RNA a la
solución de DNA desnaturalizado y la solución se deja
enfriar lentamente, parte del RNA formará hélices dobles
con el DNA, si estos fragmentos de RNA son
complementarios a una parte del DNA (fig. 10.3). La
existencia de complementariedad muy extendida entre DNA
y RNA es una indicación convincente de que el DNA actúa
como un molde sobre el cual se hace el RNA
complementario.
En otro experimento, la hibridación DNA-RNA se
empleó para demostrar que la infección por fagos da lugar a
la producción de mRNA específico del fago. Se probó si
trozos de RNA de1 tamaño de genes, extraídos de
Escherichia coli antes y después de la infección con el fago
T2, hibridaban con el DNA del fago T2 o con el DNA de la
célula de E. coli. Lo interesante fue que el RNA extraído
antes de la infección híbridó con el DNA de E. Coli, pero el
RNA extraído después de la infección hibridó con el DNA
de T2. Resulta evidente que cuando el fago ataca la célula
de E. coli, empieza a producir RNA complementario a su
propio DNA e impide que el DNA de E. coli sirva de molde.
Habiendo llegado ya a la conclusión de que la
síntesis de proteínas es dirigida por RNA que es transcrito
(sintetizado) a partir de un molde de DNA, se nos
plantean dos preguntas. Este RNA, ¿es de cadena simple
o doble? ¿Es sintetizado (transscrito) a partir de una o de
ambas cadenas del DNA parental? La mayor parte del RNA
celular no existe en forma de doble hélice. Tiene la
capacidad de formar secciones doble helicoidales por
yuxtaposición de partes complementarias (véase, p. ej.,
fig. 10.19 o fig. 1del recuadro 10.3), pero su forma general
no es la de una hélice doble regular. La evidencia más
simple y convincente para esto es que las bases complementarias del RNA no se encuentran en las proporciones
co-
rrespondientes (relaciones de Chargaff). Esto es, en el RNA el
uracilo generalmente no está presente en la misma proporción
que la adenina, ni la citosina en la misma proporción que la
guanina (tabla 10.2).
La respuesta a la segunda pregunta es que el RNA no se copia a partir de ambas cadenas de un segmento dado de DNA
de hélice doble, aunque se conocen excepciones raras. Consideremos el problema que implica tener una secuencia de nucleótidos en una cadena que especifique la secuencia de
aminoácidos de una proteína y que la secuencia de nucleótidos
complementaria también especifique la secuencia de aminoácidos de otra proteína funcional. Dado que la mayoría de los
enzimas tienen una longitud de trescientos a quinientos
aminoácidos, es obvia la práctica imposibilidad de esta
tarea. Por lo tanto, se dio por sentado a priori que para
un gen en particular (esto es, en un determinado
segmento de DNA) sólo se transcribe la secuencia de
una cadena y no su complementaria. Actualmente hay
muchas evidencias que apoyan esta suposición.
La evidencia más impresionante de que sólo se
transcribe una cadena del DNA proviene del trabajo
realizado con el fago SP8, que ataca a la bacteria Bacillus
subtilis. Este fago tiene la propiedad interesante de tener
una gran disparidad en la proporción purinas-pirimidinas
de las dos cadenas de su DNA. La disparidad es
suficientemente significativa como para que las dos
cadenas puedan separarse según sus densidades
utilizando la centrifugación en gradiente de densidad.
Después de la desnaturalización y separación de las dos
cadenas, se puede llevar a cabo la hibridación DNARNA de cada una de las dos cadenas con el RNA
producido después de que el virus infecte la bacteria.
Marmur y sus colegas encontraron que sólo había hibridación entre el RNA y la más pesada de las dos
cadenas del DNA. Por lo tanto, solamente la cadena
pesada actúa como molde para la producción de RNA
durante el proceso de infección.
También se ha comprobado en otros fagos que
solamente una de las cadenas del DNA sirve como
molde de la transcripción. Sin embargo, cuando
consideramos virus mayores y células, encontramos que
se puede transcribir cualquiera de las dos cadenas, pero
en una región dada solamente se usa una cadena. Esto se
vio claramente en el fago T4 de E. coli, donde ciertos
RNA hibridan con una cadena y otros RNA hibridan
con la otra cadena. Veamos ahora el proceso de
transcripción en sí mismo y luego examinaremos con
detalle los tres tipos de RNA.
RNA polimerasa
En los procariotas, la transcripción está controlada
por la RNA polimerasa. Este enzima polimeriza
nucleótidos ribonu-cleósido trifosfatos empleando DNA
como molde. En los eu-cariotas hay tres RNA
polimerasas. Sin embargo, como se conoce muy poco
sobre ellas, centraremos nuestra atención en los
procariotas, principalmente en el sistema de E. coli;
relacionaremos estos descubrimientos con los
eucariotas al final del capítulo. El enzima RNA
polimerasa completo, el holoen-
zima, está compuesto por el núcleo del enzima y un factor
sigma. El núcleo del enzima está formado por cuatro subunidades: α
(dos copias), β y β’; es el componente del holoenzima que lleva a
cabo de hecho la transcripción. El factor sigma está implicado
principalmente en el reconocimiento de las señales de iniciación de la
transcripción en el DNA. Una vez iniciada la transcripción, el factor
sigma se disocia del núcleo del enzima.
Lógicamente, la transcripción no debe ser un proceso continuo
como lo es la replicación del DNA una vez que ha empezado. Si no
hubiera regulación de la síntesis de proteínas, todas las células de
un organismo superior serían idénticas y una célula bacteriana
estaría produciendo todas sus proteínas continuamente. Como
algunos enzimas dependen de substratos que no están siempre
presentes y como algunas reacciones de la célula ocurren con
menos frecuencia que otras, la célula (sea una bacteria o una célula
del hígado humano) necesita regular su síntesis proteica. Para la
célula, una de las maneras más eficaces de ejercer el control
necesario de la síntesis proteica es realizar la transcripción de una
manera selectiva. La transcripción de genes que codifican enzimas
innecesarios es un procedimiento derrochador. Por lo tanto, la
RNA polímerasa debe ser selectiva. Solamente debe usar como
moldes para la transcripción aquellos segmentos de DNA (genes o
grupos pequeños de genes) que sean necesarios para la célula en
un momento dado.
Los mecanismos de regulación transcripcional deben examinarse de dos modos. Primero, necesitamos entender cómo están
marcadas las zonas de comienzo y final de los segmentos
transcribibles (un solo gen o una serie de genes adyacentes).
Segundo, necesitamos entender cómo puede la célula reprimir
selectivamente la transcripción de algunos de estos segmentos
transcribibles. Esta última cuestión se tratará en los capítulos 13 y
15.
La RNA polimerasa debe ser capaz de reconocer tanto los
comienzos como los finales de los genes (o grupos de genes) en
la hélice doble del DNA con el fin de iniciar y terminar la
transcripción. También debe ser capaz de reconocer cuál es la
cadena correcta de un gen para evitar la transcripción de la cadena
de DNA que no es informativa. Esto se consigue mediante el
reconocimiento por la RNA polimerasa de ciertas señales de
arranque y parada en el DNA, llamadas respectivamente secuencias
de iniciación y de terminación.
Señales de iniciación y terminación de
la transcripción
La región del DNA donde se asocia la RNA polimerasa inmediatamente antes de que empiece la transcripción se conoce
como promotor. Sin el factor sigma el núcleo del enzima de la
RNA polimerasa se une al azar a lo largo del DNA. La formación del holoenzima proporciona una gran afinidad de la
RNA polimerasa por las secuencias de la región promotora del
DNA. La terminación de la transcripción ocurre cuando el en-
RECUADRO 10.1
OBSERVACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN
EN TIEMPO REAL
La evidencia indiscutible de que está ocurriendo un fenómeno molecular, tal como la transcripción, proviene de análisis
bioquímicos y genéticos y ocasionalmente de algún tipo de
micrografía electrónica. Por lo tanto es refrescante e iluminador poder observar en tiempo real algunos de los procesos
que sabemos que está teniendo lugar; esto es, mirar con el
microscopio y ver lo que está pasando realmente. En 1991,
cuatro científicos de la universidad de Washington en
St. Louis publicaron en Nature un estudio de este tipo sobre
la transcripción.
Normalmente no podemos ver estos acontecimientos
mientras están ocurriendo; los componentes son demasiado
pequeños. Hacerlos visibles al microscopio electrónico requiere generalmente una fijación que destruye la capacidad
de los componentes para continuar sus tareas. El grupo de la
Universidad de Washington superó este problema mediante
la unión de una partícula de oro al DNA, con lo que hicieron
visible al microscopio óptico el movimiento de este DNA
(fig. la del recuadro). Los científicos inmovilizaron la RNA
polimerasa en un. cubreobjetos de vidrio; de esta manera el
DNA se movía durante la transcripción y la longitud de la
atadura de la partícula de oro aumentaba. Primeramente detuvieron el proceso limitando la concentración de nucleósido
trifosfatos (NTP). Entonces pudieron observar el movimiento de la bolita de oro cuando no había transcripción. Los
científicos predijeron que una bolita de oro inmovilizada no
se movería y que una bolita de oro atada mostraría una cierta
cantidad de movimiento browniano. Esto es, en las imágenes
de vídeo del microscopio óptico a lo largo del tiempo se vería un poco borrosa. Sin embargo, en cuanto se añadieron los
NTP, todas las bolitas de oro atadas mostraron un aumento
de borrosidad conforme se desplazaban hacia fuera del campo de visión y quedaban liberadas cuando se terminaba la
transcripción. Esto es exactamente lo que vieron (fig. 1b del
recuadro). Por lo tanto triunfaron en el empeño de ver la
transcripción en tiempo real.
FIGURA 1 DEL RECUADRO
Visualización de la transcripción, (a) Diseño
experimental en el que una RNA polimerasa
está inmovilizada en un cubreobjetos a la
espera de que se añadan nucleósido trifosfatos
(NTP). La partícula de oro está sujetada por el
DNA. (b) Imágenes de las partículas de oro
aumentadas con el microscopio óptico. En 3 y
4, las partículas presuntamente inmovilizadas
no muestran un cambio a lo largo del tiempo.
En 1 y 2, el movimiento browniano y por lo
tanto la borrosidad aumenta a lo largo del
tiempo de acuerdo con el alargamiento de la
atadura (transcripción). La partícula 1 fue
liberada al cabo de 87 segundos y la dos al
cabo de 137 segundos de que se añadieran los
NTP. La barra de escala es de 1 µm.
(a) (a) Reimpresión a partir de Nature, Vol.
35 352:444-448. Copyright © Macmillan Magazinzines, Ltd. (b) Transcripción por una sola
momolécula de RNA polimerasa observada mediadiante el microscopio óptico. Robert Landick,
DeDepartment of Biology, Washington University.
RECUADRO 10.2 (Continuación)
FIGURA 1 DEL RECUADRO
Localización y orientación de la transcripción de los genes en el cromosoma de Bacillus subtilis. La
replicación del DNA empieza en oriC.
Tomado de D.R.Zeigler y D.H. Dean, “Orientation of Genes en the Bacillus subtilis Chromosome”, Genetics,
125:703-708. Copyright © 1990 Genetics Society of America, Chapel Hill, NC.
los promotores (véase capítulo 12). La secuenciación reciente
de muchos promotores ha mostrado que contienen secuencias
comunes. Si se comparan entre sí las secuencias nucleotídicas
de los promotores y resulta que todas tienen exactamente la
misma serie de nucleótidos en un segmento dado, se dice que
la secuencia de este segmento es invariante y constituye una
secuencia conservada. Sin embargo, si hay alguna variación
en la secuencia, pero ciertos nucleótidos están presentes con
una frecuencia muy alta (significativamente mayor que la
aleatoria), entonces decimos que estos nucleótidos constituyen
una secuencia consenso. Alrededor de un punto situado unos
diez nucleótidos antes de la primera base transcrita, hay una de
estas secuencias consenso, TATAAT, conocida como caja de
Pribnow en honor a uno de sus descubridores (fig. 10.5).
La mayoría de los nucleótidos de la caja de Pribnow son
adeninas y timinas (fig. 10.5) por lo tanto la región se mantiene unida principalmente por solamente dos puentes de hidrógeno por cada par de bases. Como durante la transcripción
mediante la RNA polimerasa se produce una desnaturalización local del DNA, un menor número de puentes de hidrógeno facilita energéticamente el proceso. Cuando la polimerasa
está unida a la región promotora (fig. 10.5) está en posición de
empezar la polimerización a partir de seis a ocho nucleótidos
más allá de la caja de Pribnow.
Las secuencias que se muestran en la figura 10.5 son las de
la cadena codificante del DNA. Es una convención general
mostrar la cadena codificante porque tanto esta cadena como
el mRNA son complementarios de la misma cadena molde
(también llamada cadena sin sentido o cadena no codificante). La cadena codificante y el RNA transcrito tienen la misma
secuencia si se substituye U por T en el RNA (fig. 10.6). Otra
convención es indicar la primera base transcrita mediante el
número +1 y usar números positivos para contar el DNA más
a l l á en la misma dirección de la transcripción, la dirección llamada río abajo. Si la transcripción transcurre hacia la dere-
FIGURA 10.8
La transcripción empieza después de que la RNA polimerasa funde el DNA en
la secuencia -10. El factor sigma es liberado en cuanto empieza la transcipción.
cha, entonces la dirección hacia la izquierda se denomina río
arriba, y las bases se indican mediante números negativos
(fig. 10.7). Según esta convención, la caja de Pribnow a menudo se denomina secuencia -10.
La figura 10.7 también indica otra región con secuencias
parecidas en muchos promotores centrada cerca de -35 y denominada secuencia -35. La secuencia consenso en -35 es
TTGACA. Se han llevado a cabo estudios con mutaciones
para determinar los papeles relativos de las secuencias -10 y
-35 en la transcripción. En otras palabras, se examinaron las
mutaciones de bases en las regiones -10 y -35 para determinar
de qué manera afectaban a la iniciación de la transcripción.
Las conclusiones de estos estudios son que ambas regiones
contribuyen a la eficiencia de unión de la RNA polimerasa. En
otras palabras, cuanto más difiera cada secuencia de la secuencia consenso, menos frecuentemente iniciará el promotor la
transcripción. La secuencia -35 puede ser el punto inicial de
reconocimiento del promotor por el holoenzima y la secuencia
-10 el punto inicial de desnaturalización del DNA para que
empiece la transcripción. Recuérdese que las cajas de Pribnow
están compuestas principalmente de bases adenina y timina
que requieren menos energía para fundirse. Una vez que ha
empezado la transcripción, el factor sigma se libera (fig. 10.8).
Como el holoenzima reconoce la secuencia consenso del
promotor, no es sorprendente que ciertos promotores sean reconocidos con más eficiencia que otros o que haya diferentes
factores sigma en la célula. En E. coli, el factor sigma principal es una proteína de 70 000 dalton, conocida como σ70. (Un
dalton es una masa atómica de 1,0000, aproximadamente igual
a la masa de un átomo de hidrógeno.) La existencia de otros
factores sigma proporciona a la célula un mecanismo para la
transcripción de distintos genes en circunstancias diferentes.
Por ejemplo, en una célula de E. coli sometida a temperaturas
elevadas aparece un grupo de proteínas nuevas, denominadas
proteínas de choque térmico, que probablemente protegen
a la célula de alguna manera frente a las temperaturas
elevadas. Estas proteínas aparecen todas simultáneamente
porque tienen
promotores que son reconocidos por un factor sigma distinto
con un peso molecular de 32000 dalton (σ 32). Trataremos sobre las proteínas del choque térmico y otros sistemas de
regulación transcripcional en los capítulos 13 y 15.
La transcripción, igual que la replicación del DNA, siempre transcurre en dirección 5'→ 3'. Esto es, los nuevos ribonucleótidos son añadidos a los extremos libres 3 '-OH como en
la replicación del DNA. Sin embargo, a diferencia de la DNA
polimerasa, no parece que la RNA polimerasa corrija a
mediada que avanza; esto es, no parece que la RNA
polimerasa verifique la complementariedad de las nuevas
bases añadidas al cadena de RNA creciente. Esta deficiencia
no es grave ya que muchos mRNA tienen vida corta y se
hacen muchas copias a partir de los genes transcritos
activamente. Por lo tanto, un error ocasional no produce un
daño permanente o desastroso. Si un determinado RNA no es
funcional, pronto se sintetizará uno nuevo. Evolutivamente
hablando, es probablemente más importante producir RNA
con rapidez que corregir cada RNA sintetizado.
Conforme la RNA polimerasa se desplaza a lo largo del
DNA, se va produciendo superenrollamiento en la molécula
de DNA molde. El superenrollamiento negativo río arriba del
la RNA polimerasa y el superenrollamiento positivo río abajo
son presumiblemente relajados por topoisomerasas (fig. lO.9).
Terminadores
La transcripción continúa de una manera progresiva conforme
la RNA polimerasa va añadiendo nucleótidos a la cadena de
RNA creciente de acuerdo con las reglas de la
complementariedad (C, G, A, y U en el RNA se emparejan
con G, C, T, y A en el DNA, respectivamente). La RNA
polimerasa se desplaza por el DNA hasta que encuentra una
señal de parada (stop) o secuencia terminadora. Hay dos tipos
de terminadores: dependientes de rho e independientes de rho.
La diferencia entre ellos está en la dependencia de una
proteína, la proteína rho (letra griega ρ). La forma funcional
de rho es un hexámero, seis copias idénticas de la proteína.
Los terminadores inde-
FIGURA 10.10
Una secuencia de bases repetidas e invertida caracteriza las
regiones terminadoras del DNA. Las estructuras de tallo y lazo
pueden encontrarse en el DNA o en la RNA. El doble tallo y
lazo del DNA se denomina estructura cruciforme (en forma de
cruz)
pendientes de rho causan la terminación de la
transcripción
incluso en ausencia de rho. Los
terminadores dependientes de rho requieren la proteína
rho; sin ella la RNA polimerasa continúa transcribiendo
pasado el terminador, un proceso que
se denomina lectura sobrepasada. Los dos tipos de terminadores secuenciados hasta ahora tienen una cosa en común: incluyen una secuencia y su forma invertida separadas por una
secuencia corta, lo cual da lugar a una configuración conocida
como secuencia repetida invertida. El terminador de la
figura 10.10 tiene la secuencia AAAGGCTCC, 5' a 3', tanto
desde la izquierda en la cadena codificante como desde la
derecha en la cadena molde. Hay una secuencia de cuatro
pares de bases que separa las repeticiones. Las repeticiones
invertidas tienen la propiedad interesante de ser capaces de
formar una estructura lazo y tallo mediante el
emparejamiento de bases complementarias en el mRNA
transcrito. En el DNA se puede formar una estructura lazo y
tallo doble, denominada estructura cruciforme (en forma de
cruz) (fig. 10.11),
Ambos terminadores, dependientes de rho e independiente
de rho, tienen la estructura lazo y tallo en el RNA justo antes
de la última base transcrita. Los terminadores independientes
de rho, como se muestra en la figura 10.10, tienen además una
secuencia de nucleótidos de timina después de la repetición invertida, mientras que los dependientes de rho no la tienen.
Aunque no se conoce la secuencia exacta de sucesos que tienen lugar en el terminador, parece que la estructura lazo y tallo
del RNA hace que la RNA polimerasa se detenga justo después de terminarla. Esta pausa puede entonces permitir la terminación en dos circunstancias diferentes.
En los terminadores independientes de rho, la pausa puede
ocurrir justo después de que se haya transcrito la secuencia de
uracilos (fig. 10.12). Los pares de bases uracilo-adenina tienen
dos puentes de hidrógeno y son menos estables termodinámicamente que los pares de bases guanina-citosina. Quizás
durante la pausa los pares de bases se desnaturalizan espontáneamente, liberando el RNA transcrito. Entonces la RNA po-
limerasa puede separarse del DNA, terminando el proceso y
quedando la polimerasa disponible para la transcripción de
otros promotores.
Los terminadores dependientes de rho no tienen la secuencia de
uracilos a continuación de la estructura lazo y tallo. Aquí la
terminación depende de la acción de rho que, al parecer, se une
al extremo 5' del RNA recién formado. En un proceso dependiente de ATP, rho se desplaza a lo largo del RNA a una velocidad comparable a la del mismo proceso de transcripción
(fig. 10.12). Probablemente, cuando la RNA polimerasa se detiene
en la estructura de lazo y tallo, rho alcanza a la polimerasa
desenrolla el híbrido DNA-RNA liberándose el DNA, el
RNA y la polimerasa. Se sabe que rho puede hacer esto porque
tiene propiedades de helicasa de DNA-RNA (desenrolladora). En
la figura 10.13 se muestra una descripción general de la
transcripción. La información de un gen, codificada en la semencia de nucleótidos del DNA, se ha transferido en el proceso de transcripción a una secuencia de nucleótidos complementaria en el RNA. Este RNA transcrito contiene un complenento de la cadena molde del DNA de un gen y por lo tanto
justifica que se le llame mensajero. El transcrito contiene secuencias de nucleótidos que serán traducidos en aminoácidos y
también segmentos anteriores y posteriores al segmento codificante. El segmento traducible, o gen, siempre empieza con
una secuencia de tres bases, AUG, que se conoce como codón
de iniciación, y termina con una de las secuencias de tres bases,
UAA, UAG, o UGA, conocidas como codones sin sentido. (El
estudio de estas señales se ampliará en el capítulo 11.) El
segmento del RNA transcrito que va desde el lugar en que
empieza la transcripción hasta el codón de iniciación de la
traducción (AUG) se conoce como líder. La parte de RNA que va
desde el codón sin sentido (UAA, UAG o UGA) hasta el último
nucleótido transcrito es el tráiler. Estas secuencias juegan un
papel en el reconocimiento y la estabilidad estructural del
mRNA en el ribosoma durante el proceso de traducción; la
región
líder
también
puede
tener
funciones
reguladoras(véase capítulo 13). En la figura 10.14 hay un
esquema de un RNA procariótico completo. En este dibujo
simplificado se muestra el transcrito como si tuviera un
solo gen presente (AUG —> UAA). Sin embargo, los
transcritos procarióticos en general contienen información
de varios genes. Se explicarán más cosas sobre las partes
del transcrito más adelante en este capítulo y en el
siguiente. Ahora fijaremos nuestra atención en los tipos de
transcritos: RNA ribosómico, de transferencia y mensajero.
LOS RIBOSOMAS Y EL RNA RIBOSÓMICO
Los ribosomas son organillos celulares compuestos por
proteínas y RNA (RNA ribosómico o rRNA) en los cuales
se lleva a cabo la síntesis de proteínas (el tema del capítulo
11). En una célula de E. coli en crecimiento rápido, los
ribosomas pueden constituir hasta un 25% de la masa de la
célula. El tamaño de los ribosomas, así como también el de
otras pequeñas partículas y moléculas, se mide en unidades
que describen su velocidad de sedimentación durante la
centrifugación en gradiente de densidad de sacarosa. Se usa
esta técnica porque proporciona información sobre el
tamaño y la forma (debido a la velocidad de
sedimentación) y simultáneamente se aíslan las
moléculas que se están centrifugando. El aislamiento por
centrifugación es una técnica de aislamiento relativamente
suave; las moléculas aisladas mantienen todavía sus
propiedades biológicas y por lo tanto se pueden usar para
experimentos posteriores. El químico físico Svedberg
desarrolló la ultracentri-fugación en los años veinte y la
unidad de sedimentación lleva su nombre, la unidad
Svedberg, S.
En la centrifugación en gradiente de sacarosa, el
gradiente se construye disponiendo sucesivamente las
capas formadas por soluciones de sacarosa de
concentración decreciente. En la centrifugación en
gradiente de densidad de cloruro de cesio, mencionada en
el capítulo anterior, el gradiente de densidad se forma
durante la centrifugación. La centrifugación en sacarosa
se interrumpe al cabo de un tiempo predeterminado, mientras
que en la técnica del cloruro de cesio el sistema va girando
hasta que se alcanza el equilibrio: una substancia se queda en
un nivel determinado del gradiente según cual sea su densidad
en vez de hacerlo por su forma o su tamaño. El método de la
sacarosa tiende a ser más rápido. Las muestras se pueden aislar
de un gradiente de sacarosa haciendo un pequeño agujero en
el fondo del tubo y recolectando las gotas en recipientes numerados secuencialmente. Los primeros recipientes (los de números más bajos) tendrán las moléculas más pesadas (valores
de S mayores).
nidad 50S tiene treinta y cuatro proteínas y dos moléculas
rRNA, una de 23S y otra de 5S (fig. 10.15). Se ha avanzado mucho en la comprensión de la estructura del ribosoma
desde que los químicos de proteínas aislaron y purificaron
todas las proteínas del ribosoma. La consecución de esta
etapa ha permitido la experimentación sobre la secuencia
apropiada de ensamblaje de las subunidades y también el
empleo de técnicas inmunológicas para la determinación de
la posición de muchas de las proteínas en las subunidades
ribosómicas completas.
El nucléolo de los eucariotas
Las subunidades ribosómicas
Los ribosomas de todos los organismos están formados por
dos subunidades de distinto tamaño. En E. coli, el valor de sedimentación de la mayor es 50S (50 unidades Svedberg) y el
de la menor es 30S. Las dos juntas sedimentan a cerca de 70S.
Los ribosomas eucarióticos varían entre 55S y 66S en animales y entre 70S y 80S en hongos y plantas superiores. La mayor
parte de nuestro estudio se limitará a los bien estudiados ribosomas de E. coli.
Cada subunidad ribosómica contiene una o dos moléculas
de rRNA y un número fijo de proteínas. La subunidad 30S tiene veintiuna proteínas y una molécula de rRNA 16S y la subu-
Las tres moléculas de rRNA son transcritas en E. coli
como una sola pieza larga de RN A que luego es cortada y
modificada para formar las tres piezas finales de rRNA
(16S, 23S y 5S). La región de DNA que contiene las tres
moléculas de rRNA también contiene genes de cuatro
tRNA (fig. 10.16). Parece que hay entre cinco y diez
copias de esta región en cada cromosoma de E. coli. La
presencia de los tres segmentos rRNA en la misma pieza
de RNA asegura la proporción final 1:1:1 necesaria para
la construcción del ribosoma.
En los eucariotas hay cuatro segmentos de rRNA en el
ribosoma. La subunidad ribosómica menor tiene un RNA
de 18S y la subunidad mayor tiene segmentos de 5S, 5,8S y
28S. Todos estos segmentos, excepto el 5S, son transcritos
como
proceso de síntesis proteica, dos tRNA se dispondrán en el ribosoma uno al lado del otro y se formará el enlace peptídico entre sus aminoácidos. Por lo tanto, dos tRNA cualesquiera deben
tener las mismas dimensiones generales, y también estructuras
similares, para que puedan ser reconocidos y colocados en los
ribosomas.
Una característica obvia del tRNA de la figura 10.20 es que
tiene bases raras. Este tRNA es transcrito originariamente a
partir de DNA como una molécula que es aproximadamente
un 50% más larga que los ochenta nucleótidos que quedan al
final. De hecho, algunos transcritos contienen dos copias del
mismo tRNA o a veces varios tRNA distintos forman parte del
mismo transcrito (véase fig. 10.16). La transcripción de los
tRNA es completamente normal: no implica bases raras. Después el transcrito es procesado hasta el tamaño final de un
tRNA por varias nucleasas que eliminan trozos del principio y
del final del RNA. A continuación la pieza de RNA acortada
es modificada, frecuentemente por la adición de grupos metilo
a las bases que ya están en el RNA (fig. 10.21). Seguramente,
estas bases raras impiden el emparejamiento normal de las bases y son responsables en parte de los bucles formados por bases no emparejadas (fig. 10.20).
FIGURA 10.23
(a) En los procariotas, la traducción del RNA mensajero por los ribosomas empieza antes de que
haya terminado la transcripción. Los ribosomas se unen a la cadena de RNA creciente en
cuanto el extremo 5’ queda accesible. Entonces se desplazan a lo largo del RNA conforme
éste se va alargando. Cuando el primer ribosoma deja atrás el extremo 5’, se puede colocar un
segundo ribosoma y así sucesivamente. (b) Micrografía electrónica de los acontecimientos
esquematizados en (a). Los péptidos en crecimiento no son visibles en esta preparación. 44000
aumentos.
(b) Fuente: Millar O.L.Jr., B.A. Hamakalo y C.A. Thomas Jr. (1979), “Visualization of bacterial
genes in action”, Science 169:392-395. Fig.2 Copyright 1970 de la AAAS.
Los lazos del tRNA
Se cree que el primer lazo en el extremo 3' (lazo T o bien lazo
T-Ψ-C) del tRNA está implicado en su reconocimiento por el
ribosoma, que debe mantener cada tRNA en la orientación
adecuada para poder verificar la complementariedad entre el
anticodón del tRNA y el codón del mRNA. El lazo central es
el lazo del anticodón. Parece que las aminoacil-tRNA
sintetasas reconocen muchos puntos por toda la molécula de
tRNA (véase recuadro 11.2 sobre el "segundo código
genético").
Todos los tRNA examinados hasta el momento empiezan
con una secuencia adenina-citosina-citosina en el extremo 3'
a la cual se une el aminoácido. El lazo de unión al ribosoma
tiene la secuencia T-Ψ-C-G en todos los tRNA. También el
anti-
codón de todos los tRNA está flanqueado por un uracilo en el
lado 5' y una purina en el lado 3'. Por lo tanto, hay un gran parecido entre todos los tRNA, coherente con el hecho de que todos ellos entran en la síntesis de proteínas de la misma manera.
La forma real del tRNA funcional en la célula no es la de
una hoja de trébol extendida como la de la figura 10.20, sino
que hay un replegamiento helicoidal de toda la molécula. La
figura 10.22 muestra la estructura tridimensional de un tRNA.
Al principio hemos considerado una definición poco precisa de gen como aquella longitud de DNA que codifica una proteína. Sin embargo acabamos de encontrar una inconsistencia:
tanto los tRNA como los rRNA están codificados en genes
pero no son traducidos a proteína. Sus transcritos funcionan
como productos finales sin que nunca sean traducidos. Por eso
el tRNA y el rRNA son las excepciones principales de la
regla general de que un gen codifica una proteína.
TRANSCRIPCIÓN EUCARIÓTICA
Aunque todos los aspectos del proceso de transcripción difieren hasta cierto punto entre procariotas y eucariotas, hay dos
diferencias importantes que veremos a continuación: la simultaneidad de la transcripción y la traducción que es posible
en procariotas y las extensas modificaciones postranscripcionales que tienen lugar en el mRNA eucariótico (véase más
abajo). En E. coli, la traducción del mRNA recién
transcrito a proteína tiene lugar antes de que haya terminado
la transcripción (fig. 10.23), El mRNA es transcrito en
dirección 5' → 3' y la traducción empieza cerca del extremo
5'. En cuanto queda disponible el extremo 5' del mRNA, un
riboso-ma se fija al mRNA y se desplaza a lo largo de él en
la dirección 5'→ 3', alargando el polipéptido en
crecimiento conforme se va desplazando. Cuando el primer
ribosoma se ha alejado del extremo 5' del transcrito, se
puede unir un segundo ribosoma y empezar la traducción.
Estos procesos son repetitivos. Las micrografías electrónicas
lo muestran claramente (fig. 10.23b). En los eucariotas,
sin embargo, el mRNA es sintetizado en el núcleo, pero la
síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma. Esta
división regional del trabajo no existe en E. coli porque,
entre otras cosas, las bacterias no tienen núcleo.
Promotores
Los promotores de eucariotas tienen regiones parecidas a las
secuencias -10 y -35 de los promotores procarióticos, así
como también otras secuencias consenso. En eucariotas se ha
encontrado que la secuencia TATA es relativamente invariante (secuencia consenso) en los promotores de la RNA polimerasa II, el sistema que comentaremos aquí. Esta secuencia ha
sido denominada caja TATA o caja de Hogness, en honor a
su descubridor, D. Hogness. La caja TATA está centrada cerca
de 25 bases río arriba a partir del inicio de transcripción. Más
arriba, alrededor de -70, hay otra secuencia conservada en
muchos promotores eucarióticos: GG(C o T)CAATCT, conocida como caja CAAT (fig. 10.24). Estas regiones promotoras
han sido analizadas mediante secuenciación del DNA, evalua-
ción del efecto de mutaciones y análisis de huellas. Los virus
de animales, como por ejemplo el SV40 (virus de simio 40) y
los adenovirus, han demostrado ser sistemas modelo útiles
para trabajar con ellos porque son simples y, puesto que funcionan dentro de células eucarióticas, son efectivamente "eucarióticos", del mismo modo que los bacteriófagos son
efectivamente "procarióticos".
La distancia abarcada por las cajas CAAT y TATA es más
amplia que la molécula de polimerasa, lo cual lleva a la duda
de cómo puede la RNA polimerasa reconocer ambas secuencias en el inicio de la transcripción. En un modelo, la polimerasa se une primero al DNA en la caja CAAT y se desplaza
después a lo largo del DNA hacia la caja TATA donde empieza realmente el proceso de transcripción. Unas proteínas
simi- lares a los factores sigma, que se denominan factores
de transcripción, reconocen las secuencias promotoras
eucarió- ticas. Hay muchos factores de transcripción
eucarióticos. Por ejemplo, en los promotores transcritos por
la RNA polimerasa II, un factor de transcripción parecido al
factor σ procariótico, llamado factor TFIID, se une a la caja
TATA. A diferencia de los procariotas, las polimerasas
eucarióticas necesitan además
otros factores de
transcripción.
En la transcripción eucariótica están implicadas otras secuencias de DNA situadas río arriba (elementos río arriba).
Algunos de estos elementos río arriba, conocidos como intensificadores, parece que tienen efecto incluso si se colocan
muy lejos del promotor cuya actividad afectan. Por ejemplo.
una secuencia de setenta y dos pares de bases repetida (secuencialmente o en tándem) en el virus SV40 intensifica la transcripción a pesar de que normalmente se encuentra a doscientos
pares de bases río arriba. Esta región también promueve la
transcripción aunque esté colocada más lejos en un punto cualquiera del DNA río arriba, o aunque se haya eliminado una de
las repeticiones, o aunque la secuencia se haya invertido.
Su función y su generalidad se están estudiando actualmente.
Presumiblemente, las proteínas que se unen a los
intensificadores interaccionan con la maquinaria de la
transcripción mediante su enlace bien con la región TATA
del DNA, con el factor TFIID o con la propia polimerasa,
mientras que el DNA que hay entre ellos quede formando
un lazo hacia afuera (fig. 10.25). La regulación de la
transcripción eucariótica es una área de investigación muy
activa a la que volveremos en el capítulo 15.
FIGURA 10.25
Promotor de un gen eucariótico transcrito por la RNA
polime-rasa II. El factor TFIID se une a la caja TATA. TFIIA,
otro factor de transcripción, parece que se une al TFIID.
Otros dos factores de transcripción, TFIIB y TFIIE, parece
que se unen directamente a la RNA polimerasa y también
entre ellos. La proteína de unión al intensificador pudría
unirse a la polimerasa, al TFIID o al DNA en el promotor.
Se conoce poca cosa sobre la terminación de la
transcripción en eucariotas, aunque se han aislado varios
terminadores en el virus SV40 y en algunos otros
organismos. Se parecen mucho a los terminadores
independientes de rho de los proca-notas dando lugar a un
RNA con una estructura de lazo y tallo y una secuencia de
uracilos.
Caperuzas y colas
La transcripción eucariótica da lugar a un transcrito
primario. En contraste con la mayoría de los transcritos
procarióti-cos que contienen varios genes, prácticamente
todos los transcritos eucarióticos contienen únicamente la
información de un solo gen. Antes de su transporte al
citoplasma, los transcritos primarios sufren tres cambios
importantes: modificaciones en los extremos 5' y 3' y
eliminación de secuencias intercaladas. Nos referimos a
estos cambios como a modificaciones postranscripcionales.
El enzima poli-A polimerasa añade una secuencia de
veinte a doscientos nucleótidos de adenina, conocida como
cola poli-A, en el extremo 3' de la mayoría de los transcritos
eucarióticos. La poliadenilación tiene lugar después de que
el extremo 3' del transcrito sea eliminado por una nucleasa
que corta a unos veinte nucleótidos río abajo de la señal 5'AAUAAA-3'. La cola puede añadir estabilidad a la
molécula o bien ayudar de alguna manera en el transporte
desde el núcleo. En el otro extremo, el extremo 5', se añade
una 7-metilguanosina en la dirección "incorrecta", 5' con 5'
(fig. 10.26). Esta caperuza seguramente juega un papel en la
protección del mRNA frente a la degradación
por nucleasas, en el reconocimiento del mRNA por el
ribosoma o en el transporte del RNA dentro o fuera del
núcleo.
Cuando se estudiaron por primera vez los RNA
mensajeros de eucariotas, se encontró que los mRNA del
núcleo eran más largos que los del citoplasma y fueron
llamados mRNA nuclear heterogéneo, o hnRNA.
Resultó que se trataba de transcritos primarios, moléculas
de RNA que no habían tenido ninguna de las
modificaciones postranscripcionales, incluyendo la
eliminación de intrones. En esencia, eran pre-mRNA.
Intrones
En los eucariotas hay segmentos de DNA dentro de los
genes que se transcriben a RNA pero que nunca son
traducidos a secuencia de proteínas. Estas secuencias
intercaladas, o intrones, se eliminan del RNA en el
núcleo antes de su transporte al citoplasma (fig. 10.27).
Los intrones fueron descubiertos por P. Sharp y sus
colegas del MIT y por T. Broker y L. Chow y sus colegas
del Cold Spring Harbor Laboratory en 1977. En
FIGURA 10.28
Secuencia nucleotídica del gen principal de la β-globina de ratón. Se muestra la
cadena codificante del DNA; cAp (posición 79) indica el inicio del mRNA con
caperuza; pA indica el inicio déla cola de poliA (posición 1467); los números que
están dentro de la secuencia son posiciones aminoacídicas adyacentes; Ter es el
codón de terminación (posición 1334). Las abreviaciones de tres letras (p. ej. Met,
Val, His) se refieren a los aminoácidos (véase capítulo 11).
Tomado de David A. Konkel, et al., "The Sequence of the Chromosomal Mouse
β-Globin Major Gene: Homologies in Capping, Splicing and Poly(A) Sites" en
Cell, 15:1125-1132. Copyright © 1978 Cell Press, Cambridge, MA. Reimpreso
con autorización.
El espliceosoma
Los intrones de los mRNA nucleares también se eliminan mediante una estructura de lazo. A diferencia de los intrones mitocondriales del grupo II, los intrones de los mRNA nucleares
son eliminados mediante la ayuda de un complejo de RNA y
proteína denominado espliceosoma, nombre dado por J. Abel-son
y E. Brody. Veamos la estructura de los intrones nucleares y la
estructura y funcionamiento del espliceosoma.
Como se ha mencionado anteriormente, el autoprocesamiento parece estar favorecido por una estructura secundaria
extensa que coloca muy juntos los extremos de los intrones. Los
intrones dependientes de espliceosoma dependen de las interacciones que se dan en el mismo espliceosoma (complementariedad espliceosoma-mRNA y unión de proteínas) para asegurar la
precisión del corte y empalme. En la figura 10.34 se muestran las
secuencias consenso de los intrones del mRNA nuclear. La
secuencia GU en el lado izquierdo (5') del intrón es invariante,
como lo es la secuencia AG del lado derecho (3'). La A situada
más a la derecha de la secuencia UACUAAC es el punto de ramificación del lazo y también es invariante. (En el DNA, la
secuencia de nucleótidos UACUAAC se convierte en la secuencia
TACTAAC; por lo tanto esta región se denomina a veces la caja
TACTAAC).
El aparato de procesamiento de los mRNA eucarióticos
consta de varios componentes denominados ribonucleoproteínas nucleares pequeñas, abreviadas como snRNP y pronunciadas "snurps" (descubiertas y denominadas por J. Steitz y
colaboradores). En el procesamiento intervienen cinco de estas
partículas, cada una de ellas compuesta por una o más proteínas
y una pequeña molécula de RNA. El tamaño de las moléculas
de RNA varía desde 100 a 215 bases y se han designado como
Ul, U2, U4, U5 y U6 (tabla 10.4). Las snRNP Ul y U2 usan la
complementariedad de sus RNA y la del mRNA
para su especificidad. En la figura 10.35 se expone un modelo
general coherente con los hechos conocidos sobre el funcionamiento del espliceosoma. En primer lugar, dos de las snRNP
se unen al extremo 5' y al punto de ramificación del intrón. Entonces, las snRNP U5 y U4/U6 se juntan para formar la estructura completa del espliceosoma (fig. 10.35). Después se forma
el lazo y los extremos del exón se juntan para terminar el proceso, momento en que las snRNP quedan libres para continuar
el proceso en otro intrón. Según investigaciones recientes, se
sabe que hay también muchas otras proteínas asociadas con el
espliceosoma.
Debe hacerse notar que en algunos casos se ha observado
procesamiento alternativo. Por ejemplo, un intrón puede ser
retenido ocasionalmente en el mRNA o bien el corte y empal-
me puede hacerse en sitios 5' y 3' alternativos, dando lugar con
ello a que un solo gen produzca varios mRNA distintos. Estas
rutas alternativas de corte y empalme a menudo son muy importantes para la producción de proteínas que el organismo necesita. El procesamiento alternativo se observa, por ejemplo,
en procesos importantes del desarrollo que comentaremos en
el capítulo 15, tales como la formación de anticuerpos y las conexiones en el desarrollo de Drosophila.
Función y evolución de los intrones
Desde el descubrimiento de los intrones, los genéticos han estado intentando descifrar cuál es su función. Han surgido varias opiniones. Walter Gilbert sugirió que los intrones separan
los exones (regiones codificantes) según los dominios funcio-
nales de las proteínas; esto es, distintos exones tienen probablemente funciones específicas. En una proteína dada, un exón
podría codificar la región de unión a la membrana, otro exón
podría codificar el sitio activo del enzima y otro podría codificar
la actividad ATPasa. Mediante mecanismos de recombinación o
por la exclusión de un exón durante la eliminación de
intrones, un barajamiento de exones podría permitir la evolución rápida de proteínas nuevas cuyas estructuras podrían
ser conglomerados de varios dominios funcionales. En un artículo de 1990 en Science, Gilbert y dos colaboradores, calcularon que todas las proteínas de eucariotas se podrían explicar
mediante sólo unos 1000 a 7000 exones; todas las proteínas
pueden ser conglomerados de varios de estos exones primordiales. Sin embargo, debe quedar claro que este punto de vista
es controvertido.
La hipótesis de Gilbert del barajamiento de exones ha sido
ampliada por J. Darnell y W. F. Doolittle en su punto de vista
de los intrones tempranos. Estos autores propusieron que los
intrones surgieron antes de que evolucionaran las primeras células. Después de que los eucariotas evolucionaran a partir
de los procariotas, los procariotas perdieron sus intrones.
Esto se apoya en la idea de que los procariotas no tienen
intrones. Este punto de vista también es coherente con la
opinión de que el material genético original fue RNA. En
este "mundo de RNA", los intrones surgieron como parte del
aparato genético; fueron los primeros enzimas (ribozimas).
Un punto de vista alternativo es que los intrones surgieron
tarde en la evolución, después de la separación de los eucariotas a partir de los procariotas. Inicialmente, la justificación
para este punto de vista de los intrones tardíos fue que los intrones evolucionaron tarde para dar al organismo la capacidad
de evolucionar rápidamente en ambientes nuevos mediante un
mecanismo del tipo del barajamiento de exones. Sin embargo,
los biólogos evolucionistas no aceptan el razonamiento de la
evolución basada en necesidades futuras. Una explicación alternativa es que de hecho los intrones son "DNA egoísta" invasor, un DNA que se puede mover de un lugar a otro por el
genoma y que no proporciona necesariamente una ventaja al
organismo huésped. Estos "genes saltarines" se llaman transposones y los comentaremos ampliamente en los capítulos 13
y 15. Por lo tanto, ambos marcos temporales del desarrollo de
intrones, tardío o temprano, pueden tener un respaldo conceptual.
Hay evidencias para apoyar todos los puntos de vista. La
opinión del barajamiento de exones de Gilbert está respaldada
por los análisis de algunos genes que encajan muy bien con un
patrón de exones que codifican dominios funcionales de una
proteína. (El análisis consiste en secuenciación de DNA, secuenciación de RNA y análisis estructural de proteínas.) Por
ejemplo, el segundo de los tres exones del gen de la globina
enlaza con el grupo hemo. Un segundo ejemplo es el receptor
de la lipoproteína de baja densidad, que es un mosaico de módulos codificados en exones compartidos por otras varias pro-
teínas. Las propiedades autocatalíticas de los intrones
alimentan la creencia de que el RNA fue el material genético
original y que los intrones se pueden mover por el genoma.
La evidencia en favor de la hipótesis de los intrones tempranos incluye el descubrimiento de varios intrones en genes
de fagos e intrones en genes de tRNA y rRNA de bacterias primitivas (arqueobacterias). Hasta hace poco, sin embargo, no
se conocían intrones en las bacterias verdaderas (eubacterias).
Esto cambió a raíz del trabajo reciente de los laboratorios
de D. Shub y J. Palmer, que descubrieron independientemente
un intrón en un gen de tRNA de siete especies de cianobacterias (las algas verdeazuladas de las eubacterias). Este intrón
se intuyó porque estaba presente en el gen equivalente de los
cloroplastos; los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias invasoras. Sin embargo, esta ampliación de los lugares conocidos donde hay intrones se ha considerado como un
respaldo tanto de la hipótesis de los intrones tempranos como
de la de los intrones tardíos. Los partidarios de los intrones
tempranos dicen que esta evidencia confirma el hecho de que
los intrones surgieron antes de la separación entre procariotas
y eucariotas. Los partidarios de los intrones tardíos dicen que
esperan ver algunos intrones en procariotas debido a la movilidad que tienen estos pedacitos de material genético.
Ambos puntos de vista de los intrones tempranos y de los
intrones tardíos pueden ser correctos. Es posible que los intrones surgieran tempranamente, que los procariotas los perdieran porque en ellos los genomas pequeños y la replicación
rápida y eficiente eran prioritarios y que, posteriormente, evolucionaran en los procariotas para producir el barajamiento de
exones sugerido por Gilbert.
NUEVOS DATOS SOBRE EL FLUJO DE
INFORMACIÓN GENÉTICA
La descripción original del dogma central consideraba el flujo
de información genética desde el DNA hasta el RNA y desde
el RNA hasta las proteínas, con un bucle de DNA-DNA para
la autorreplicación (véase fig. 10.1). Hasta hace relativamente
poco, se creyó que este esquema era inviolable, pero descubrimientos más recientes obligan a modificarlo. En la figura
10.36, se han añadido dos flechas nuevas al dogma central
original de la figura 10.1 para indicar modificaciones que son
necesarias para permitir la transcripción inversa y la autorreplicación del RNA.
Transcripción inversa
En primer lugar, la flecha que retrocede desde el RNA al
DNA indica que el RNA puede servir como molde para la síntesis de DNA. Todos los virus con RNA que producen tumores, tales como el virus del sarcoma de Rous, así como
también el virus del SIDA, pueden producir DNA polimerasa
RNA dependiente (conocida generalmente como transcrip-
de la célula para formar la RNA replicasa que permite que el
RNA de cadena sencilla del fago se replique a sí mismo.
Como la proteína nueva necesaria para construir la RNA
replicasa debe haberse sintetizado antes de que el fago pueda
replicar su propio RNA, el RNA del fago debe actuar de mensajero cuando infecta la célula. Así, tenemos un proceso de
síntesis proteica sin que previamente tenga lugar un proceso
de transcripción. El material genético vírico, su RNA, primero
se usa como mensajero en el proceso de traducción y luego se
usa como molde para la replicación del RNA.
Incluso en nuestro dogma central puesto al día (fig. 10.36),
no hay flechas que salgan de la proteína. En otras palabras, las
proteínas no pueden autorreplicarse ni pueden usar la información de su secuencia de aminoácidos para reconstruir RNA o
DNA. Crick ha llamado a estas flechas "transferencias prohibidas". No conocemos ninguna maquinaria celular que controle estos procesos prohibidos. Esperaremos a conocer análisis futuros de los priones (agentes infecciosos que muy probablemente carecen de DNA y RNA) antes de hacer un juicio
final de las transferencias prohibidas.
La otra única flecha posible en la figura 10.36 es la que va
del DNA directamente a las proteínas. El DNA puede actuar
como mensajero en condiciones de laboratorio adecuadas. Sin
embargo no se sabe que esto ocurra en la naturaleza.
En el capítulo siguiente continuaremos esta exposición de
la síntesis de proteínas mediante la descripción del proceso de
traducción, por el que la información del RNA mensajero es
convertida en las secuencias de aminoácidos de las proteínas.
RESUMEN
El dogma central es una descripción de la dirección de la transferencia de información entre el DNA, el RNA y las proteínas.
En el capítulo anterior hemos descrito el bucle de la autorreplicación del DNA. En este capítulo hemos descrito el proceso
de la transcripción, en el que el DNA actúa como molde para
la producción de RNA. El RNA mensajero (mRNA) es una copia
complementaria del DNA de un gen que migra a los ribosomas,
donde tiene lugar realmente la síntesis de proteínas. Los RNA
de transferencia (tRNA) transportan hacia el ribosoma los
aminoácidos que sirven para construir las proteínas . La
complementariedad entre el codón del mRNA y el anticodón del
tRNA establece la secuencia de aminoácidos de la proteína
sintetizada especificada por el gen. El RNA ribosómico
(rRNA) también está implicado en este proceso de síntesis
proteica dirigida por genes.
El RNA intracelular es de cadena sencilla, aunque puede
presentar una extensa estructura secundaria (lazos y tallos) intracelular. En todo gen, el RNA es transcrito a partir de una
sola cadena de la hélice doble del DNA. El enzima de la transcripción es la RNA polimerasa. En E. coli el núcleo de la enzima
se convierte en holoenzima cuando se asocia con un factor sigma que reconoce la señal de iniciación de la transcripción, el
promotor. Un promotor queda definido por ciertas secuencias
consenso. La terminación de la transcripción requiere una secuencia del DNA llamada terminador, que provoca una estructura de lazo y tallo en el RNA. A veces se necesita la proteína
rho para la terminación (terminación dependiente de rho en
comparación con la terminación independiente de rho). En los
eucariotas hay al menos tres RNA polimerasas. Los genes eucarióticos tienen promotores con secuencias análogas a las de
los promotores procarióticos así como también intensificadores que actúan a distancia. Los terminadores de los genes eucarióticos todavía no han sido bien definidos.
El ribosoma consta de dos subunidades, cada una de ellas
compuesta por proteínas y RNA. Los enzimas llamados aminoacil-tRNA sintetasas cargan los tRNA con sus aminoácidos
específicos. Cada tRNA tiene cerca de ochenta nucleótidos,
con varias bases raras. Todos los tRNA tienen estructuras y dimensiones similares. Los RNA de transferencia y los rRNA
están modificados a partir de sus transcritos primarios.
Los RNA mensajeros procarióticos son transcritos con un
líder en el principio y un tráiler al final de la parte traducible
del gen. En los procariotas, la traducción empieza antes de que
se haya terminado la transcripción. En los eucariotas estos
procesos están completamente desacoplados: la transcripción
es nuclear mientras que la traducción es citoplasmática. El
RNA mensajero es modificado después de la transcripción: se
añaden una caperuza y una cola y se eliminan secuencias intercaladas (intrones) antes de transportarlo al citoplasma. Los
intrones pueden ser eliminados por autoprocesamiento o con
la ayuda del espliceosoma, compuesto por pequeñas ribonucleoproteínas nucleares (snRNP). No se sabe si los intrones
surgieron tempranamente o tardíamente en la evolución ni
cuáles son sus funciones.
El estudio de varios virus de RNA ha demostrado que el
RNA puede actuar como molde para replicarse a sí mismo y
para sintetizar DNA. Estos dos procesos añaden nuevas direcciones de transferencia de información en el dogma central.