Transcripción: Hebras Codificante y No Codificante

T25. Transcripción: Introducción

• La transcripción es la síntesis de ARN utilizando ADN como plantilla.
• Implica la transferencia de información genética del ADN al ARN, haciéndola accesible para la síntesis de proteínas.

Introducción: Hebras Codificante y No Codificante

• La hebra de ADN utilizada como plantilla durante la transcripción se conoce como hebra no codificante (antisense strand).
• La hebra no codificante tiene una secuencia complementaria a la del ARN.
• La hebra de ADN con la misma secuencia que el ARN transcrito (con U en lugar de T) se denomina hebra codificante (sense strand).

Tip para Reconocer Cadenas

• Para determinar la secuencia del ARN transcrito, si se da la secuencia de ADN codificante (5'→3'), se debe cambiar T por U.
• Para determinar la secuencia de ADN no codificante (molde), si se da la secuencia de ADN codificante, se debe obtener la complementaria (3'→5').

Generalidades del proceso de síntesis del ARN

• El proceso se divide en tres etapas principales: iniciación, elongación y terminación, con mecanismos similares entre eucariotas y procariotas.
• La bioquímica de la síntesis es similar entre eucariotas y procariotas, implicando la polimerización en dirección 5'→3' usando ADN como plantilla.
• Las ARN polimerasas catalizan la síntesis de ARN, con diferencias en tipos y subunidades entre eucariotas y procariotas.

Regiones Promotoras

• Zona promotora: se encuentra antes del punto de inicio (+1) en la región upstream, donde la ARN polimerasa reconoce el ADN.
• Zona codificante: Comienza en la posición +1 y se extiende corriente abajo (downstream), conteniendo la información para la síntesis de ARN.
• Zona terminadora: secuencia que marca el final de la transcripción.

RNA Polimerasas

• Se unen a regiones promotoras específicas para iniciar la transcripción.
• Desenrollan un segmento del ADN.
• Llevan a cabo la polimerización del ARN utilizando una hebra de ADN en dirección 5'→3' durante la elongación.
• Detectan señales de terminación para finalizar la transcripción.
• Interactúan con factores de transcripción y elementos en trans para regular el proceso.

Transcripción en Procariotas: ARN Polimerasas en E. Coli

• La ARN polimerasa de E. coli tiene un peso molecular mayor a 400 kDa.
• Beta prima (β'): Participa en la unión al ADN y contiene el centro catalítico.
• Beta (β): Contiene parte del centro activo, une NTPs e interactúa con sigma.
• Sigma (σ): Implicada en el inicio de la transcripción, reconoce las secuencias promotoras en el ADN.
• Alfa (α) (2): Esencial para el ensamblaje y la activación de la enzima por proteínas reguladoras.
• Omega (ω): Estabiliza el oligómero.
• Cataliza la polimerización en el sentido 5'→3'.
• Carece de actividad exonucleasa o proofreading.

Iniciación de la transcripción en procariotas

• La hebra downstream tiene números positivos y la upstream números negativos con respecto a la posición +1.
• Región -10 (Caja Pribnow): también es conocido como caja TATA (secuencia TATAAT).
• Región -35: Secuencias consenso: pese a tener secuencia específica, coinciden en -35 y -10 en procariotas.
• Las secuencias a las que se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción se conocen como promotores.
• Son secuencias de unos 40 pares de bases localizadas en los extremos 5' de los genes.
• El primer elemento que se transcribe está designado como +1 y suele ser una purina.
• Las regiones -10 y -35 están separadas por 17±1 pb, ambas son promotor de la holoenzima de E. coli.
• EUCARIOTAS: SIEMPRE caja TATA o secuencia Hogness-25, pero no SIEMPRE la secuencia CAAT -75. PROCARIOTAS: Siempre caja TATA = región Pribnow =-10 y región -35.

RNA Polimerasa: Proceso en Organismos Procariotas

• La ARN polimerasa localiza los promotores mediante un proceso de búsqueda que implica una unión inespecífica al ADN con baja afinidad, seguida de desplazamiento hasta encontrar una secuencia promotora específica.
• Las secuencias promotoras son reconocidas por la subunidad sigma, generando un complejo promotor cerrado → el ADN aún no se ha desenrollado.
• La ARN polimerasa desenrolla aproximadamente 12 pares de bases del ADN, formando el complejo promotor abierto.
• La síntesis de ARN es de novo, sin necesidad de un cebador.
• La síntesis de ARN se desarrolla en dirección 5'→3', con un grupo trifosfato en el extremo 5' de la cadena de ARN.
• Tras alcanzar una longitud de aproximadamente 10 nucleótidos, la subunidad sigma se disocia.

Superenrollamiento del ADN en la transcripción

• Los giros helicoidales del ADN se desplazan hacia adelante en la burbuja de transcripción, causando un mayor enrollamiento (superenrollamiento positivo).
• El ADN detrás de la burbuja se desenrolla de manera equivalente (superenrollamiento negativo).
• Las topoisomerasas van por delante y por detrás de la ARN polimerasa, eliminando los superenrollamientos positivos y negativos.

Finalización de La Transcripción

• ARN Pol detecta una serie de cosas que harán que termine la transcripción.
• Terminación dependiente de Rho: Rho es una proteína que actúa como factor de terminación.
• Terminación independiente de Rho: por medio de secuencias invertidas y repetidas (ricas en G y C).

Antibióticos

• La rifampicina inhibe la etapa de iniciación al inhibir la formación de los enlaces fosfodiester en procariotas.
• La actinomicina D se une al ADN de doble hélice e impide que sea molde para la síntesis de ARN.
• En procariotas como en eucariotas, a bajas concentraciones es capaz de inhibir sólo la transcripción sin afectar a la replicación.
• La oronja mortal, Amanita phalloides, causa la muerte por inhibición del proceso de transcripción.

Tránscritos Procariontes

• El transcripto primario sirve de mRNA y es utilizado inmediatamente como molde para la síntesis de proteínas ⇒ NO PROCESO DE MADURACIÓN.
• Por el contrario los eucariontes experimentan diversos cortes y empalmes antes de ser transportados al citoplasma ⇒ MADURACIÓN.
• En ninguno de los casos la transcripción implica una traducción inmediata ya que la señal TATAAT (señal de inicio de la transcripción) no implica que se ponga como primer nucleótido metionina en eucariotas ni N-formilmetionina en procariotas.

Regulación de la transcripción en procariotas

• La mayoría de los genes que codifican proteínas (genes estructurales) en eucariotas se transcriben individualmente.
• En procariotas, los genes pueden estar en tándem, permitiendo su transcripción conjunta como operones con funciones relacionadas, que pueden ser represibles o inducibles.

Operones

• mRNA en procariotas: Un operón se transcribe como una unidad única, creando un mRNA policistrónico.
• mRNA en eucariotas: Los genes estructurales eucariotas generan mRNA monocistrónicos.

Operón Lactosa

• El operón lactosa incluye un gen regulador, elementos de control (promotor y operador) y genes estructurales para el metabolismo de la lactosa.
• Si no hay lactosa en el medio, el gen regulador genera una proteína represora activa que impide que la ARN polimerasa transcriba los genes estructurales.
• En presencia de lactosa, la lactosa se une a la proteína represora, permitiendo que la ARN polimerasa transcriba los genes estructurales para el metabolismo de la lactosa.

Transcripción en eucariotas: Introducción

• La bioquímica de la transcripción en eucariotas es similar a la de procariotas, con síntesis 5'→3', utilizando ADN como plantilla y sin cebador.
• Eucariotas tienen tres tipos de ARN polimerasas (I, II y III), reguladas de forma más compleja.
• Elementos de respuesta, enhancers y silencers modulan la transcripción, y los productos de transcripción sufren maduración o procesamiento.
• Existe en ocasiones un proceso de edición del ARN.

Tipos de RNA

• RNAr (ribosómico): 28S, 18S, 5.8S y 5S (80% del RNA total).
• RNAm (mensajero): 10^5 especies (5% del RNA total).
• RNAt (transferente): 10^50 especies (15% del RNA total).
• RNAsn (small nucleolar o nucleolar pequeño): 10^10 especies
• ElsRNAsn están en los ESPLICEOSOMAS, complejos encargados de eliminar los intrones y regulan la expresión génica.

Tipos de ARN Polimerasas de Eucariotas

• Tipo I (A): Localización en el nucléolo, insensible a la Amanitina, producto rRNA.
• Tipo II (B): Localización en el nucleoplasma, sensible a concentraciones bajas (10-9 a 10-8 mol/L) a la Amanitina, producto hnRNA (mRNA).
• Tipo III (C): Localización en el nucleoplasma, sensible a concentraciones elevadas a la Amanitina, producto tRNA, 5S mRNA y snRNA.
• IV: Algunos siRNA de plantas
• V: Moléculas de RNA que participan en la formación de heterocromatina en plantas.

Proceso de Transcripción en Eucariotas

• Similar al procariota, necesita desenrollar el ADN para que entren las RNApol.
• Factores participan en la remodelación de la cromatina, ya que el DNA eucariota está asociado a histonas (formando nucleosomas).
• La apertura de la cromatina se produce por: SWI/SNF y HAT.
• La RNApol avanza por el DNA va encontrándose "muros" o nucleosomas.

Reguladores

• Región del promotor: permite o impide la unión de factores de transcripción.
• Reguladores: Enhancers (activa transcripción) y repressores (no permite transcripción). En la transcripción se encuentran dos factores reguladores:
• Elementos en cis: secuencias en el DNA - Elementos de respuesta
• Elementos en trans: proteínas - Factores de transcripción En la tabla element hace referencia a elemento de respuesta y factor hace referencia a factores de transcripción.

Factores generales de transcripción

• Tfiid (2): TBP y 1complejo de 10 TAfs
• Tfilb (1): media la interacción TFIID y la polimerasa
• Tfiif (4): estabiliza el complejo DNA-TBP-TFIIB.
• Tfiie (4): regula TFIIH y en conjunto promueven la formación la adición del primer nucleótido del RNA.
• Tfiih (9): actividad helicasa y de reparación de DNA. Es necesaria la previa fosforilación del carboxilo terminal por medio de TFIIH, para que avance la RNApol

Funciones de los factores de transcripción

• Metabolismo de la galactosa
• Factor de transcripción SP1
• Gen de la metalotioneina

Finalización de la Trascripción del mRNA en Eucariotas

• La terminación de la transcripción por la RNA polimerasa II requiere la endonucleasa Rat1.
• La escisión del pre-mRNA produce un extremo 59 al que se une Rat1, quien degrada la molécula de RNA en dirección 5939.

Transcritos Procariontes Vs Eucariontes.

• En procariotas no hay intrones.
• El proceso se da en citoplasma y mRNA es directamente maduro.
• Necesita un proceso de maduración post-transcripcional.

En eucariotas tiene que ocurrir Maduración post-transcripcional.

• Capping
• Metilación
• Poliadenilación
• Splicing
• Montaje
• Edición

Splicing o Montaje

• Esta etapa se basa en la eliminación de intrones. (segmentos no codificantes) sobre una secuencia consenso situada al principio y final de cada intrón .

Patologías por mal funcionamiento de spliceosomas

• LUPUS: el organismo produce anticuerpos que atacan spliceosomas.
• TALASEMIA: mutación que cambia A por G en primer intrón creando un centro de corte y empalme; al tomar este sitio como intrón corta al punto que codifica al gen de Hb y no va a ser elminado.

Procesamiento alternativo del pre-mRNA

Las células eucariontes tienen vías alternativas para el procesamiento del mRNA,ambos casos permiten formar varios mRNA a partir de un único pre-mRNA, pudiendo por ello traducirse a distintas proteínas:

• Con corte y empalme alternativo y con múltiples sitios de escisión 3'

Edición del mRNA

Además del proceso de maduración del mRNA también existe un mecanismo de edición o editing postranscripcional por el cual se corrigen/cambian secuencias de mRNA, lo que permite la formación de las isoformas de las proteínas normalmente se da por desaminación:

• CORRECCIÓN DEL RNA DEL mRNA DE LA APOLIPOPROTEÍNA B.
• APO B-48 en intestino y APO B100 en hígado, sintetizado por las células de cada tejido.

Procesamiento del rRNA en eucariotas

• DNAr: secuencias repetidas de DNA que contienen DNA codificante para RNAr.
• ARNr - Biogénesis de ribosomas en eucariotas
• • El ADN que codifica el ARNr 5S se encuentra en una secuencia repetida en el cromosoma 1 y se transcribe por separado.

Síntesis de tRNA y rRNA 5s

• Tanto las células bacterianas como los eucariontes procesan los RNA de transferencia.
• Las células bacterianas como los eucariontes procesan los RNA de transferencia.Los diferentes tRNA son modificados de distintas maneras para dar tRNA maduro (cortes y empalmes).
• La RNApol III va a sintetizar tanto tRNA como RNA 5S.

Micro RNA

• Los microRNAs (miRNA o miARN por las siglas en inglés) es RNA monocatenario, de una longitud de entre 21 y 25 nucleótidos, y que tiene la capacidad de regular la expresión de otros genes mediante diversos procesos, utilizando para ello la RUTA DE RIBOINTERFERENCIA. RNA pequeños que regulan la expresión génica.
• Los siRNA se sintetizan por una vía distinta a los microRNA (no por genes específicos), vienen de mRNA de dobles cadenas que se segmentan y dar lugar al siRNA. Van a tener función análoga a la del microRNA, rompen el mRNA. En este tipo de ARN regulador no existe apareamiento incompleto de bases con el mRNA diana, solo pueden regular la expresión génica por bloqueo del mRNA, pero no de la traducción COMPLEMENTARIEDAD PERFECTA DE BASES, Y DEGRADAN RNA. En la foto de la derecha podemos ver el MICROPROCESADOR, que consta de la nucleasa Drosha17 y la proteína de unión a ARN de doble hélice Pasha.
• **Síndesis de tRNA y rRNA 5s Micro RNAs viene transcritos de un gen concreto.
• En cambio, los siRNAs viene a partir del dsRNA (viral), que se corta para producir los siRNA.
• En resumen, los siRNAs solo funcionan para desintegrar el mRNA. y Los MicroRNA no, si que van por otra estructura.