Transcripción: Proceso y función

Transcripción del ADN

• Es el proceso mediante el cual la información cifrada en el ADN, en forma de secuencia de cuatro bases (A, T, C, G), se transcribe a una cadena de ARN.
• La información se transcribe en el mismo lenguaje (A, U, C, G).
• Implica la síntesis de una molécula de ARN complementaria a una hebra de ADN.
• Es el primer paso de la expresión génica, el proceso por el cual la información de un gen se utiliza para generar un producto funcional, como una proteína.
• El objetivo es producir una copia de ARN de la secuencia de ADN de un gen.
• En genes codificantes, la copia de ARN (transcrito) contiene la información para generar un polipéptido.
• Los transcritos eucariontes requieren pasos de procesamiento antes de ser traducidos a proteínas.

Tipos de ARN en la célula

• ARN ribosómico (ARNr): Constituye el 70% del ARN celular, sus precursores el 5%.
• ARN mensajero (ARNm): Representa el 3% del ARN celular.
• Precursores del ARNm (ARN nuclear heterogéneo o hnARN): Aproximadamente el 7%.
• ARN de transferencia (ARNt): Constituye el 15% del ARN celular.

Diferencias entre ADN y ARN

• Azúcar:
  • ADN: desoxirribosa (ácido desoxirribonucleico).
  • ARN: ribosa (ácido ribonucleico).
• Bases:
  • ADN: Timina, Adenina, Guanina, Citosina.
  • ARN: Uracilo, Adenina, Guanina, Citosina.

Mecanismo General de la Transcripción

• Unidad de transcripción.
• Hebra codificadora (con sentido).
• Hebra complementaria (antisentido).
• Características: selectivo y reiterativo.

Transcripción de Genes de Procariotas

• Se utiliza una de las cadenas del ADN como modelo.
• La transcripción se desplaza del extremo 3' al 5', por lo que el ARN crece en dirección 5' a 3'.

Etapas de la Transcripción

• Iniciación: Unión de la ARN polimerasa al ADN en el promotor (complejo cerrado). El sitio promotor es el sitio de anclaje para la transcripción del ARNm.
• El cofactor p es necesario para completar la holoenzima, la cual es la única forma completa y activa de la enzima.
• El factor p ubica al promotor por su gran afinidad.
• Los promotores tienen secuencias específicas llamadas cajas, siendo la caja TATA la más común.
• La caja TATA contiene muchas timinas y adeninas repetidas.
• La ARN polimerasa ubica el promotor y se sitúa encima para comenzar la lectura del ADN.
• La lectura se da en el sentido 3' - 5', leyendo el complemento del gen para crear el complemento del complemento, que será el ARNm.
• El proceso favorece la apertura parcial de las dos cadenas del ADN (complejo abierto) con ruptura de enlaces.
• Elongación:
  • La ARN polimerasa provoca una "burbuja" de transcripción y añade ribonucleótidos trifosfatados libres complementarios a la base expuesta del ADN molde.
  • Se forma un complejo promotor abierto y se inicia la síntesis de ARNm.
  • Se agrega ribonucleótido fosfatado después de la purina en concordancia con la complementaria del gen, lo que genera un ARNm muy parecido al gen.
• Modelo Burbuja:
  • La polimerasa avanza continuamente y el transcrito se retiene en el complejo mediante la formación de pares de base con el molde.
  • La cadena molde va en sentido 3' - 5', por lo que la polimerasa lee bien y sintetiza en sentido 5' - 3'.
  • El gen está en la parte superior y el complemento en la parte inferior que se lee.
• Terminación:
  • Implica el reconocimiento de secuencias específicas en el ADN que actúan como señales para la terminación.
  • La cadena de ARN y la polimerasa se disocian del molde de ADN.
  • Cualquier forma de terminación implica la separación del cofactor p, lo que hace que la polimerasa pierda afinidad por el ADN.
• Horquilla de terminación:
  • La estructura en horquilla se forma por la complementariedad entre las bases de la cadena de ARN.
  • Esta complementariedad se realiza generalmente entre C y G, creando un bucle que no permite a la polimerasa continuar.
• Dependiente del factor p:
  • Este factor proteico grande tiene sitios de reconocimiento y catálisis en el ARNm.
  • Actúa sobre él causando un superenrollamiento que obliga al ARN a romperse y salir de la estructura, desarmando la burbuja.

Transcripción en Procariotas

• Fases:
  • Iniciación: La ARN polimerasa se une a un cofactor que permite la unión a la región del promotor.
  • Elongación: La ARN polimerasa recorre la hebra de ADN hacia su extremo 5' sintetizando una hebra de ARNm en dirección 5'-3'.
  • Finalización: Ocurre con o sin un cofactor "p". El proceso finaliza al llegar a una secuencia rica en Gy C.
  • Maduración: Si se forma un ARNm no hay maduración, pero si se trata de ARNt o ARNr hay procesos de corte y empalme.
• La ARN polimerasa, al igual que en las células eucariotas, se encarga de la transcripción.
• La secuencia AAUAAA, cerca del extremo 3', actúa como señal para que ocurra una reacción de corte unos 20 pares aguas abajo.
• La enzima polimerasa de poli (A) añade una cola de poli (A), compuesta por 150 a 200 residuos de adenosina al extremo 3’ del sitio de corte.

ARN Polimerasas

• Son enzimas que transcriben el ADN en ARN.
• Construyen una nueva molécula de ARN usando un molde de ADN y el apareamiento de bases.
• Siempre construye una nueva cadena de ARN en la dirección 5' a 3', agregando nucleótidos (A, U, G, o C) al extremo 3' de la cadena.
• La forma procariota tiene cuatro subunidades que pueden transcribir todos los tipos de ARN.
• En eucariotas, tienen ocho o más subunidades que facilitan la unión y el procesamiento del ADN.
• Los seres humanos tienen tres tipos de ARN polimerasas: I, II y III. Las plantas tienen dos tipos adicionales: IV y V.

Tipos de ARN Polimerasas

• ARN polimerasa I (Gen I):
  • Sintetiza las transcripciones de ARNr y se produce dentro del nucleolo.
  • Afecta las funciones celulares esenciales.
• ARN polimerasa II (Gen II):
  • Transcribe genes que codifican proteínas en ARNm.
  • Esta enzima de 12 subunidades funciona como un complejo que influye directamente en la expresión génica.
  • Después de que la ARN polimerasa II libera los pre-ARNm, se preparan transcripciones para la traducción.
  • También produce moléculas de micro ARN (miARN) que median la expresión génica.
• ARN polimerasa III (Gen III):
  • Transcribe genes de ARNr pequeños como ARNt y ARNr 5S.
  • Estas transcripciones desempeñan un papel en la función celular normal en todo el núcleo y el citoplasma.
• ARN polimerasa IV y V:
  • Se encuentran exclusivamente en plantas.
  • Producen pequeñas transcripciones de ARN interferente (ARNip).

Transcripción de Eucariotas

• Iniciación:
  • La ARN polimerasa II se une a una zona del ADN llamada promotor el cual posee secuencias CAAT y TATA.
• Elongación:
  • La síntesis continua en el sentido 5'-3'.
  • Se añade una caperuza (metil-guanosín trifosfato) al extremo 5'.
• Finalización:
  • Parece estar relacionada con la secuencia TTATTT.
  • Una poli-A polimerasa añade una cola de poli-A al pre-ARNm (ARNhn).
• Maduración:
  • Se produce en el núcleo por una enzima RNPpn, que elimina los intrones.
  • Las ARN ligasas empalman los exones y forman el ARNm.
• Los transcritos portadores de caperuza (m7Gppp) y cola de poli (A) se acortan mediante la eliminación de intrones, empalmándose los exones.
• Caperuza, GTP en el 5', enlaces fosfodiéster atípico 5′ - 5′, Cola de poliA, en el extremo 3.

Intrones

• Son regiones del ADN que deben ser eliminadas de la transcripción.
• No codifican para una determinada proteína
• Por lo que se consideran ADN o ARN basura.

Exones

• Son regiones de un gen que no es separada durante el proceso de corte y empalme.
• Se mantienen en el ARNm maduro.
• En los genes que codifican una proteína, son los exones los que contienen la información para producir la proteína codificada en el gen.

Diferencias en la Transcripción entre Procariotas y Eucariotas

• Todas las enzimas eucariotas requieren factores proteicos adicionales.
• Transcripción:
  • Procariota: El ARN mensajero se traduce directamente a aminoácidos.
  • Eucariota: El proceso es más lento; primero se transcribe un pre ARN mensajero.
• ARN transcrito primario:
  • Procariota: Es funcional y no necesita maduración postranscripcional ni porta restos en sus extremos.
  • Eucariota: Sufre maduración o procesamiento postranscripcional, llevando un resto metil-guanosinatrifosfato (5') y resto poli-A (3').
• ARN polimerasas:
  • Procariota: Hay un solo tipo de polimerasa.
  • Eucariota: Hay tres polimerasas (ARNr, ARNm, ARNt).
• Donde se produce:
  • Procariota: Tanto transcripción como traducción se hacen en el citosol.
  • Eucariota: Se realiza en el núcleo y la traducción en el citosol.
• ARNm:
  • Procariota: Es policistrónico (codifica para varias cadenas polipeptídicas).
  • Eucariota: Es monocistrónico (codifica para una sola cadena polipeptídica).
• Secuencia de terminación:
  • Procariota: Secuencia palindrómica.
  • Eucariota: Suele ser TTATT
• ADN:
  • Procariota: Está muy empaquetada, a diferencia de las eucariotas.
  • Eucariota: También está asociado a histonas.
• Transcribir ADN:
  • Procariota: Todo el ADN en cualquier momento.
  • Eucariota: Solo el ADN de la eucromatina

Cambios Postranscripcionales

• En procariotas, la degradación del ARNm es de 2 a 3 minutos.
• El splicing de ARN o empalme del ARN:
  • Es un proceso postranscripcional de maduración del ARN.
  • Elimina ciertos fragmentos secuenciales (intrones) y une los exones.
• Edición del ARN:
  • En algunos casos, la secuencia del ARNm es modificada luego de ser transcripta.
  • Incluye la inserción de nucleótidos en regiones específicas, motivando un corrimiento y generando proteínas muy diferentes.
• Transporte del ARNm al citoplasma:
  • Para poder ser transportado, debe haber sido procesado correctamente; degradándose de lo contrario.
• Iniciación de la síntesis proteica:
  • Contiene en sus extremos secuencias que no son traducidas, sirviendo para regular la traducción.
• Estabilidad del ARNm:
  • La vida media está determinada por la longitud de la cola poliA.
  • Una vez en el citoplasma, la secuencia comienza a acortarse y se degrada.
• Eliminación de ARNm con errores:
  • Los ribosomas detectan codones de terminación en lugares erróneos (splicing o mutaciones).
  • Se reconocen las secuencias de unión entre los exones.
• ARN de interferencia:
  • En una célula humana infectada por un virus que fabrica doble cadena de ARN.
  • Ciertas enzimas lo reconocen y lo degradan.
  • Sirve también para regular la traducción de un mensajero.
• En el ARNr y ARNt sufren reacciones de corte y modificaciones de nucleótidos.
• El ARN de eucarioticas es ARN nuclear heterogéneo (ARNhn)

Inhibidores de la Transcripción

• Antibióticos Tipo I:
  • Se unen a la ARN polimerasa, inactivándola de modo directo.
  • Rimaficinas y su derivado (rifampicina): inhibición específica a la subunidad beta.
  • A-Amanitina inhibidor especifico ARN polimerasa II en la etapa de elongación.
• Antibióticos Tipo II:
  • La transcripción se inactiva indirectamente.
  • Se une en el ADN girasa procariótica.
  • Acridina y sus derivados.
• Antibióticos Tipo III:
  • La transcripción se inactiva indirectamente.
  • Se une en el ADN