Definición y estructura del gen, transcripción y modificaciones post-transcripcionales - U. Científica del Sur - 2024-II-Sem02

 Concepto de gen, Transcripción, modificaciones post- transcripcionales Semana 2 2 Ciclo 2024-2  Logro de sesión: Al término de la sesión, el estudiante reconoce la gran importancia de la transcripción y la traducción para la expresión de...

 Concepto de gen, Transcripción, modificaciones post- transcripcionales Semana 2 2 Ciclo 2024-2  Logro de sesión: Al término de la sesión, el estudiante reconoce la gran importancia de la transcripción y la traducción para la expresión de los genes. Secciones 4 REFLEXIÓN DESDE LA EXPERIENCIA 5  Evaluemos Reflexión desde la experiencia Gen ¿Pará que sirve la 5’ Exón 1 GT Intrón 1 AG Exón 2 GT Intrón 2 AG Exón 3 3’ transcripción del Transcripción ADN? 5’ Exón 1 GU Intrón 1 AG Exón 2 GU Intrón 2 AG Exón 3 3’ AUG UGA, UAA, UAG ¿Qué estructuras y Splicing secuencias 5’ UTR CDS 3’ UTR Cola Poli-A 5’CAP observas en la Núcleo AUG UGA, UAA, UAG AAA~AAA imagen? Citoplasma Traducción Proteína 6  Vídeo Link 7  Una célula solo expresa los genes que necesita o En cada organismo hay distintos tipos de células y cada una de ellas tiene la misma información genética (mismo genoma, mismos genes) o Pero no todos los genes se expresan simultáneamente. Ninguna célula tiene a todos sus genes activos al mismo tiempo, sino solo a aquellos genes que necesita dependiendo de su función, estadio de desarrollo, necesidades metabólicas o señalización (p. ej. hormonas). o En conclusión, cada tipo de célula expresa un conjunto diferente de genes, a pesar de tener el mismo ADN. Esa expresión génica diferencial es lo que hace a los tejidos tan diferentes entre sí. 8  Una célula solo expresa los genes que necesita Link 9  Expresión génica o Llegar desde el ADN hasta la proteína requiere dos etapas fundamentales: la transcripción y la traducción. o Pero recordar que el ADN y las proteínas tienen información escrita en dos lenguajes químicos diferentes. Se requiere un sistema de traducción llamado código genético. 10 Expresión génica 11  ADN codificante vs ADN no codificante ADN codificante ADN no codificante o Es todo ADN formado por codones. o Es todo ADN carente de codones o Contiene información para fabricar o No codifica ningún aminoácido. Es el alguna proteína. tipo de ADN más abundante en el o Dentro de un gen codificante, la genoma. secuencia de codones es llamado o Ejemplos: CDS o Genes no codificantes: genes de ARNt, ARNr o Mutaciones en el ADN codificante (CDS) pueden afectar la proteína final o Dentro de los genes codificantes: UTRs, y traer consecuencias en el fenotipo intrones de un individuo (e.g. enfermedades o Promotores, enhancers, regiones de unión a scaffold, sitios ori, pseudogenes, genéticas). centrómeros, telómeros, transposones y o NOTA: La palabra codificante significa retrotransposones. “contiene información para producir o Regiones intergénicas proteína (cadena de aminoácidos)”. o Cerca del 98% del genoma es no codificante. 12 DESARROLLO DEL TEMA 13  Contenido Concepto de gen Concepto de gen ARN Transcripción Modificación post-transcripcional Modificación post-transcripcional 14 Gen 15  ¿Qué es un gen? o Un gen es toda secuencia de nucleótidos que puede transcribirse, es decir, que pueda usarse para fabricar cualquier tipo de ARN. El gen es llamado también unidad de transcripción. o Hay dos tipos de genes: genes de proteína y genes de ARN Tipo de gen Descripción Genes de proteína: Genes que contienen la receta (CDS: secuencia codificante o secuencia de También llamados: genes codones) para fabricar una proteína. Estos genes transcriben ARNs codificantes, genes mensajeros (ARNm), los cuales transportan el CDS que será traducido a codificadores, coding genes, proteína. protein genes Genes de ARN: Genes que pueden transcribirse en cualquier ARN que no sea ARN También llamados: genes mensajero (ARNm). Este tipo de genes no codifican para ninguna proteína no codificantes, non-coding por tanto son en su totalidad ADN no codificante. Ejemplos: los genes para genes, RNA genes ARN de transferencia, genes para ARN ribosomal, genes de microRNA, etc. 16  Tipos de genes ARN ARNs no codificante codificantes (ARNm) (ARNnc) 17 El producto funcional de todo gen o es ARN o es proteína Link 18  Estructura de un gen codificante eucariota o Región promotora o promotor: Zona del gen que sirve como indicador de dónde y en qué dirección procede la transcripción. Contiene la Caja TATA y es el lugar donde se unen los factores de transcripción y posteriormente la ARN polimerasa. La región promotora no se transcribe a ARN, su función es de regulación. o Región codificadora: Es la zona que contiene la información para la síntesis de la proteína. Si bien, todo el gen se transcribe a ARN mensajero, no toda esa información se traduce. Contiene segmentos de ADN codificante (exones) y no codificantes (UTRs, intrones) o Región terminadora: En la transcripción eucariótica de ARNm, las señales de terminación son reconocidas por factores proteicos que están asociados con la ARN polimerasa II y que desencadenan el proceso de terminación. 19 Estructura de un gen eucariota codificante 5’UTR 3’UTR 20  Exones e intrones o Si bien todo el gen transcribe a ARN mensajero, no toda la secuencia traduce debido a que presenta exones e intrones de forma intercalada: o Intrones: Segmentos de ADN no codificante (no tienen codones). Son removidos durante el splicing, por lo que nunca salen del núcleo. Son de tamaño muy variable. NOTA: existen algunos genes que carecen de intrones (intronless genes) o Exones: Segmentos de ADN codificante, es decir, están formados por codones y sí serán traducidos a aminoácidos. Salen del núcleo en el ARN mensajero maduro. o Sin embargo, los exones extremos, el primero y el último exón, no traducen de forma completa pues incluyen a los UTR. Por tanto, una mejor definición de exón sería: secuencias del ARNm que no son eliminadas por el splicing y que pueden llegan a salir del núcleo aunque no necesariamente traduzcan a proteína. NOTA: Debido al splicing alternativo, hay exones que pueden no salir del núcleo. 21  UTRs (Untranslated regions) o Son dos regiones de ADN no codificante dentro de un gen codificante y del ARNm que no se traducen pues no poseen codones. A pesar de no tener codones son importantes para el ARN mensajero. o Generalmente, la 5’UTR y la 3’UTR están dentro del primer y último exón respectivamente: o La 5’UTR (también llamado “leader”) empieza en el sitio de inicio de transcripción y termina un nucleótido antes del codón de iniciación (AUG). Puede ser de cientos a miles de nucleótidos de longitud. Posee la secuencia Kozak (ACCAUGG) que es una secuencia que facilita el reconocimiento del codón de iniciación AUG por parte del ribosoma. o La 3’UTR (también llamado “trailer”) es la sección del ARNm que inmediatamente sigue al codón STOP. Contiene varias regiones regulatorias. 22 ARN En eucariotas 23  ARN o Es un ácido nucleico de una sola cadena presente en el núcleo y en el citoplasma. También presente en virus ARN. o Todo ARN es producido mediante la transcripción de algún gen. o La mayoría de tipos de ARN están relacionadas con la traducción y la regulación génica. En virus ARN, el ARN es la molécula que almacena la información genética. Algunos ARN tienen actividad catalítica (e.g. ribozimas). 24 Tipos de ARN 25  Tipos de ARN Tipo de ARN Función ARN codificante. Dirige la secuencia de aminoácidos de las proteínas. mRNA (ARN mensajero) Presenta codones. De tamaño variable. Monocistrónico (eucariotas) o policistrónico (procariotas) Pre-mRNA (transcrito primario) ARN mensajero inmaduro (aún con intrones). mRNA maduro Sale del núcleo para la traducción en el citoplasma ncRNA (ARN no codificante) Nucleótidos que no codifican proteínas (no traducen) tRNA (ARN de transferencia) Transfiere aminoácidos a los ribosomas durante la traducción. Contiene los anticodones. rRNA (ARN ribosomal) Varios tipos. Se combina con proteínas para formar ribosomas snRNA (ARN pequeño nuclear) Involucrado en el procesamiento del ARN snoRNA (ARN pequeño nucleolar) Involucrado en el procesamiento del ARN dsRNA (ARN de doble cadena) Encontrado en algunos virus, usado en regulación génica siRNA (ARN de interfencia pequeño) Un tipo de dsRNA usado en regulación génica miRNA (micro-RNA) Secuencia de ARN corta usada en regulación génica 26 Transcripción 27  Transcripción o Es la síntesis de una molécula de ARN basado en un gen. o Transcribir significa depositar la información genética desde una plataforma o soporte (ADN) hacia otra (ARN), pero el idioma no cambia (codones). o Es el ADN quien se transcribe, la ARN polimerasa la encargada de transcribir, y el ARN es el transcrito. o Dependiendo del tipo de gen, el ARN producido podrá tener diferentes funciones. Por ejemplo, el ARN mensajero lleva la receta para fabricar una proteína hacia fuera del núcleo. 28  ARN polimerasa II o En eucariotas, la encargada de transcribir genes codificantes en ARN mensajero es la ARN polimerasa II. o Esta enzima tiene las siguientes características: o Necesita solo una cadena molde de ADN (la hebra 3’-5’) o Polimeriza ARN en sentido 5’-3’ o No necesita primers o Introduce NTPs: ATP, GTP, CTP y UTP y los une mediante enlace fosfodiéster 29  Importante: No confundir ARN polimerasa con ADN polimerasa ARN polimerasa ADN polimerasa o Sintetiza ARN o Sirve para la replicación del ADN o Trabaja durante toda la interfase. o Solo trabaja en la fase S de la o Solo trabaja en una sola hebra de interfase ADN o Trabaja sobre las dos hebras del o Se une a los promotores de los ADN genes o Se une a sitios ori o No necesita primers o Necesita primers o Puede abrir el ADN por sí sola o No puede abrir la doble hélice por (tiene sistema helicasa sí sola (necesita de una helicasa) incorporado) o Es 10 veces más rápida que la o Es lenta ARN pol 30  Definiendo las cadenas del gen codificante Cadena Descripción Cadena codificante o codificadora o gen: No es transcrita a ARN. Está en dirección 5’-3’. Coding strand, cadena con sentido, sense strand, Contiene la misma secuencia que el mRNA (T en non-template strand, plus strand, positive strand. vez de U). Contiene los codones. No hay ninguna interacción entre esta cadena y el ARN mensajero. Cadena no codificadora, plantilla o molde Es transcrita a ARN porque es la molde. Está en Nnon-coding strand, cadena, sin sentido, anti-sense dirección 3’-5’. Esta cadena está temporalmente strand, non-sense strand, template strand, minus unida con enlaces puente hidrógeno con el strand, negative strand. transcrito recién formado. 31 Definiendo las cadenas del gen codificante 32  Un gen puede estar en cualquiera de las dos hebras de un cromosoma, pero siempre escrito en 5’ 3’ o En una secuencia de ADN, p. ej. un cromosoma, genes diferentes habitan en ambas hebras e incluso pueden solaparse o Los genes siempre están escritos siempre en dirección 5’-3’, sin importar en cuál hebra se encuentren. 33  Un gen puede estar en cualquiera de las dos hebras de un cromosoma, pero siempre escrito en 5’ 3’ Cromosoma Este gen está escrito en dirección 5’→3’ 5’ Gen A 3’ 3’ Gen B 5’ Este otro gen, que está en la otra cadena, está escrito en dirección 5’→3’ también 34  Un gen puede estar en cualquiera de las dos hebras de un cromosoma, pero siempre escrito en 5’ 3’ Gen PKLR (Piruvate kinase) Canis familiaris Gen THBS3 (Thrombospondin 3) Canis familiaris 35  Factores de transcripción o Son proteínas que se unen a secuencias específicas de ADN controlando la transcripción de los genes. o Se unen a regiones potenciadoras (enhancers) o promotoras adyacentes a los genes que regulan. o Dependiendo del factor de transcripción, el gen se regula positiva o negativamente. o Existen factores de transcripción que permiten la apertura de la cromatina para que otros factores de transcripción se adhieran a la secuencia del promotor. 36  Etapas de la transcripción de genes codificantes: ARNm Se retiran las histonas, los factores de transcripción se Iniciación posan sobre el promotor y reclutan a la enzima ARN pol 1 II. Esta enzima abrirá la doble hélice. La ARN pol II ahora empieza a introducir ribonucleótidos en Elongación sentido 5’-3’ usando la cadena 3’-5’ 2 de ADN como molde. Como complementario a una (A) coloca un (U). La ARN pol II transcribe el gen completo: exones, intrones y UTRs La transcripción termina Terminación cuando la ARN pol II llega 3 al terminador del gen. El ARN mensajero inmaduro queda libre y el ADN se reasocia con las histonas. 37  Iniciación Factores de transcripción Complejo de pre-iniciación Link ARN polimerasa II 38 Iniciación 39  Elongación Burbuja de Movimiento transcripción ARN Polimerasa II ADN reenrollándose Cadena codificadora 5’-3’ ARNm inmaduro Cadena molde 3’-5’ ADN desenrollándose naciente (5’-3’) Nucleótidos de ARN Región híbrido ARN-ADN libres (NTPs) 40  Terminación o Una vez que la ARN polimerasa llega a la región terminadora del gen reconoce la señal de terminación, finaliza la síntesis del ARN liberándose el ARN transcrito. 41  Resumen de la transcripción Link 42  Transcripción (Vídeo) 43 Link  Importante o En caso la célula necesite con urgencia la expresión de un determinado gen, ese gen puede ser transcrito por muchas ARN polimerasas una seguida de otra, en simultáneo, para formar muchos ARNs. Movimiento de las ARN polimerasas Link 44 Comparación de la expresión génica entre procariotas y eucariotas 45 En procariotas, la transcripción y la traducción son acoplados 46 Link  Expresión génica entre procariotas y eucariotas: comparación Procariotas Eucariotas o Sus genes no tiene intrones. o El gen tiene que desasociarse primero de sus histonas para poder transcribir. o La transcripción y la traducción ocurren en simultáneo (acoplados) o La transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma. o Ocurre en el citoplasma o El ARNm inmaduro es procesado. o Los ARNm no necesita ser o Los ARNm son monocistrónicos procesado. o Ocurre durante el ciclo celular, excepto o Los ARNm pueden ser policistrónicos mitosis. o Ocurre cuando la bacteria lo necesite. o Las ARN polimerasas I, II y III sintetizan o Una única ARN polimerasa sintetiza ARNr, ARNm y ARNt respectivamente mRNA, tRNA y rRNA. o La ARN Polimerasa II necesita primero la unión de factores de transcripción para o La ARN polimerasa reconoce por sí fijarse al promotor. misma al promotor del gen y se le une. 47 Los ARNm procariotas son policistrónicos y los ARN eucariotas son monocistrónicos 48 Modificación post- transcripcional Eucariotas 49  Modificación post-transcripcional: Maduración del transcrito primario o La transcripción de un gen codificante produce un pre-ARNm, transcrito primario, ARN precursor o ARN heterogéneo nuclear (son sinónimos). o Este pre-ARNm necesita madurar antes de salir del núcleo: se necesita modificar los extremos y eliminar a los intrones. Ciertas enzimas realizan estas modificaciones: o Capping: Adición de una caperuza, capuchón, casquete o cap (7- metilguanosina trifosfato) en el extremo 5’. o Poliadenilación: Adición de una cola poli-A (50-250 nt) en el extremo 3’. o Splicing: Remoción de intrones. o Estas modificaciones sirven para facilitar la exportación del ARNm maduro desde el núcleo, a ayudar a protegerlo de las enzimas hidrolíticas y a ayudar a que el ribosoma se fije al extremo 5’. 50 Capping y poliadenilación 51  Splicing o Al transcrito primario, que ya tiene incorporado la caperuza y la cola Poli-A, se le remueve los intrones. Este proceso se llama splicing y es realizado por un complejo proteico llamado ayustosoma (en inglés: spliceosome). Los exones son “empalmados” y se genera finalmente al mRNA maduro. 52 GU-AG: “donador – aceptor” 53 El Splicing es realizado por el spliceosoma 54 Splicing 55  Splicing alternativo o No todos los genes codifican un único ARN mensajero. Muy pocos genes siguen la idea tradicional de “un gen, una proteína”. o La mayoría de los genes pueden producir docenas de ARNm maduros diferentes gracias al splicing alternativo. o En efecto, la idea “un gen muchas proteínas” es lo más común en eucariotas. o La célula no siempre va a usar todos los exones de un gen para producir una proteína. El splicing alternativo es el proceso en que la célula decide qué exones incluir y qué exones excluir del ARNm. Las diferentes proteínas posibles son producidas de acuerdo a las necesidades de la célula. o Los posibles variantes de ARNm son llamados variantes de splicing (𝑠𝑝𝑙𝑖𝑐𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑛𝑡𝑠). 56 Splicing alternativo 57 Ejemplo de splicing alternativo: Gen BRCA1 humano tiene 34 transcritos diferentes 58  CDS (coding sequence) o El CDS es la secuencia de codones por lo que es la porción que codifica a la proteína. El CDS empieza con el codón de inicio (AUG) y termina en el codón stop (UAG, UAA, UGA) o En la secuencia de ADN un gen codificante eucariota, el CDS está disperso debido a los intrones, pero se junta en el ARNm maduro luego del splicing. 59  El ARN mensajero contiene al CDS y los UTRs AUG Proteína Met Thr Gly Leu Arg Ser stop 60  En el ARN mensajero maduro los UTRs son muy importantes CDS Link 61 Exportación del mRNA 62  El splicing permite formar el ARNm maduro Gen Exón 1 Intrón 1 Exón 2 Intrón 2 Exón 3 5’ GT AG GT AG 3’ ADN Transcripción Exón 1 Intrón 1 Exón 2 Intrón 2 Exón 3 5’ GU AG GU AG 3’ ARN mensajero inmaduro AUG UGA, UAA, UAG Splicing 5’ UTR CDS 3’ UTR Cola Poli-A 5’CAP AAA~AAA ARN mensajero maduro Núcleo AUG UGA, UAA, UAG Citoplasma Traducción Proteína Proteína 63 MUCHAS GRACIAS