Del DNA al RNA Capitulo 7 PDF

Del DNA a la proteína: cómo leen el genoma las células Una vez determinada la estructura de doble hélice del DNA (ácido desoxirri- bonucleico) a principios de la década de 1950, resultó evidente que la infor-mación hereditaria de las células estaba codificada en el orden lineal -o se-cuencia-de las...

Del DNA a la proteína: cómo leen el genoma las células Una vez determinada la estructura de doble hélice del DNA (ácido desoxirri- bonucleico) a principios de la década de 1950, resultó evidente que la infor-mación hereditaria de las células estaba codificada en el orden lineal -o se-cuencia-de las cuatro subunidades nucleotidicas diferentes que componian el DNA. En el capítulo 6, estudiamos cómo esta información puede ser trans-mitida sin cambios de una célula a sus descendientes mediante el proceso de replicación del DNA. Pero ¿cómo hace la célula para decodificar y utilizar esta información? ¿Cómo dirigen las instrucciones genéticas escritas en un alfabeto de solo cuatro “letras” la formación de una bacteria, de una mosca de la fruta o de un ser humano? Todavía hay mucho que aprender acerca del modo en que la información almacenada en los genes de un organismo pro-duce, incluso, la bacteria unicelular más simple, para no mencionar cómo dirige el desarrollo de organismos multicelulares complejos, por ejemplo, el hombre. Sin embargo, se ha descifrado el código del DNA y se ha avanzado mucho en comprender cómo lo leen las células. Aun antes de que se descifrara el código, se sabia que la información con-tenida en los genes dirigia, de algún modo, la sintesis proteica. Las protei-nas son los principales componentes de las células y determinan no solo su estructura, sino también su función. En capítulos previos, mencionamos algunas de las miles de diferentes clases de proteinas que pueden producir las células. En el capítulo 4, observamos que las propiedades y la función de una molécula proteica están determinadas por la secuencia de las 20 dife-rentes subunidades aminoacidicas de su cadena polipeptidica: cada tipo de proteina tiene su propia secuencia de aminoácidos, que determina cómo se plegará la cadena para dar origen a una molécula con una forma y propieda-des químicas caracteristicas. Por lo tanto, las instrucciones genéticas trans-portadas por el DNA deben especificar las secuencias de aminoácidos de las Proteinas. En este capitulo, explicaremos cómo ocurre esto exactamente. El DNA no sintetiza proteinas por si mismo, sino que actúa más bien como un gerente que delega las múltiples tareas a un equipo de trabajadores.cuando la celula necesita una determinada pode derimoto se copia Cuando la de nucleotidos del segmento a tecula de DNA secotro tipo de ácido nucleico, el RNA (ácido ribonucleico). Ese segmento DNA se denomina gen, y las copias de Relleu antes se utilizan despute para dirigir la sintesis proteica. En cada célula de nuestro cuerpo se produs para muchos miles de estas conversiones de DNA a proteina por segundo. En cen muchosia, la información genética desde las bacterias a DNA al RNA, a Coproteina (fig. 7-1). Todas las células, desde las bacterias a los seres huma la protepresan su información genética de esta manera, un principio tan fun. Damental que ha sido denominado el dogma central de la biologia molecular En este capitulo, explicamos los mecanismos mediante los cuales las células copian DNA en RNA (un proceso denominado transcripción) y, luego, utilizan la información del RNA para sintetizar proteinas (un proceso denominado traducción). Asimismo, analizamos algunas de las variaciones clave de este esquema básico Entre ellas, la principal es el corte y empalme del RNA, un proceso de las células eucariontes en el que se eliminan segmentos de un transcrito de RNA y los segmentos restantes se vuelven a unir antes de que el RNA sea traducido en una proteina. Además, aprenderemos que, en algunos genes, el producto final es el RNA, no una proteina. En la última sección consideraremos la manera en que el presente esquema de almacenamiento transcripción y traducción de la información podría haberse originado a par tir de sistemas mucho más simples en las primeras etapas de la evolución celular DEL DNA AL RNA El primer paso de la expresión génica, el proceso por el que las células leen las instrucciones de sus genes, es la transcripción. Se pueden crear muchas copias de RNA idénticas a partir del mismo gen. En la mayoria de los genes, el RNA solo actúa como intermediario en la vía para producir una proteina En estos genes, cada molécula de RNA puede dirigir la sintesis, o traducción, de muchas moléculas proteicas idénticas. Esta amplificación sucesiva per-mite que las células sinteticen con rapidez grandes cantidades de proteina siempre que sea necesario. Al mismo tiempo, cada gen puede ser transcrito y su RNA, traducido a diferentes velocidades, lo que le otorga a la célula una manera de producir grandes cantidades de algunas proteinas y cantidades minimas de otras (fig. 7-2). Además, como se verá en el capitulo 8, una celula puede modificar (o regular) la expresión de cada uno de sus genes según las necesidades del momento. En esta sección, nos enfocamos en la producción de RNA. Describimos el mecanismo por el cual la maquinaria de transcrip ción reconoce los genes y copia las instrucciones que contienen en moléculas de RNA. Luego, analizamos como se procesan estos RNA, los diversos papeles que desempeñan en la célula y, por último, cómo son eliminados de circulación. Fosfodiester 0- H © 3 Porciones de la secuencia de DNA son transcritas a RNA El primer paso que da una célula al expresar uno de sus muchos miles de genes es copiar la secuencia nucleotidica de ese gen en el RNA. El proceso se denomina transcripción porque la información, aunque copiada en otra forma química, está escrita esencialmente en el mismo lenguaje: el lengua je de los nucleótidos. Al igual que el DNA, el RNA es un polimero lineal compuesto por cuatro subunidades nucleotidicas diferentes unidas por en-laces fosfodiéster. Desde el punto de vista químico, difiere del DNA en dos aspectos (1) los nucleótidos del RNA son ribonucleótidos, es decir: contie-nen el azúcar ribosa (de ahí el nombre de ácido ribonucleico) en lugar de la desoxirribosa hallada en el DNA; (2) si bien el RNA contiene, como el DNA, las bases adenina (A), guanina (G) y citosina (C), tiene uracilo (U) en lugar de la timina (T) presente en el DNA (fig. 7-3). Como U, al igual que T. puede formar pares de bases mediante enlaces de hidrógeno con A (fig. 7-4), las propiedades de apareamiento de bases complementarias descritas para el DNA en el capitulo 5 también se aplican al RNA Aunque sus diferencias químicas son pequeñas, el DNA y el RNA difieren de manera bastante sustancial en la estructura general. Mientras que el DNA siempre está presente en las células como una hélice bicatenaria, el RNA es. En gran medida, monocatenario. Esta diferencia tiene importantes conse-cuencias funcionales. Como la cadena del RNA es simple, se puede plegar de diversas formas, al igual que una cadena polipeptidica se pliega para deter-minar la forma final de una proteina (fig. 7-5); el DNA bicatenario no puede plegarse de este modo. Como se verá más adelante en este capítulo, la capa cidad de plegarse en una forma tridimensional compleja permite que el RNA cumpla distintas funciones en las células, además de transmitir información entre el DNA y la proteina. Mientras que el DNA actúa solo como un depósito de información, algunos RNA tienen funciones estructurales, reguladoras 0. Incluso, catalíticas. La transcripción produce RNA, que es complementario de una cadena de DNA Todo el RNA de una célula es producido por transcripción, un proceso que tiene ciertas similitudes con la replicación del DNA (se analiza en el cap. 6). La transcripción comienza con la apertura de un pequeño fragmento de la doble hélice de DNA para exponer las bases de cada una de sus hebras. Después una de las dos hebras de la doble hélice de DNA actúa como molde para la síntesis del RNA. Se agregan ribonucleótidos, uno por uno, a la cadena de RNA en crecimiento; como en la replicación del DNA, la secuencia de nucleótidos de la cadena de RNA es determinada por el apareamiento de bases complementarias con la hebra molde de DNA. Cuando hay una bue-na correspondencia, el ribonucleosido trifosfato entrante es unido en forma covalente a la cadena de RNA en crecimiento por la enzima RNA polimerasa Por lo tanto, la cadena de RNA producida por la transcripción -el transcrito de RNA- tiene una secuencia de nucleótidos exactamente complementaria de la hebra de DNA utilizada como molde (fig. 7-6). Sin embargo, la transcripción difiere de la replicación del DNA en varios as pectos cruciales. A diferencia de una hebra de DNA recién formada, la hebra De RNA no se mantiene unida por enlaces de hidrógeno a la hebra molde de DNA. Por el contrario, justo por detrás de la región donde se añaden los ribo nucleótidos, la cadena de RNA es desplazada, jose vuelve a formar la hélice de DNA. Por esta razón, y porque solo se transcribe una hebra de la molécula de DNA, las moléculas de RNA son monocatenarias. Además, una molécula dada de RNA es una copia de solo una región limitada de DNA, por lo que es mucho más corta que la molécula de DNA a partir de la cual fue sintetizada. Una molécula de DNA de un cromosoma humano puede tener hasta 250 millones de pares de nucleótidos de longitud, mientras que la mayoría de los RNA maduros no pasan de algunos miles de nucleotidos de longitud, y muchos son mucho más cortos Al igual que la DNA polimerasa que lleva a cabo la replicación del DNA (se analiza en el cap. 6), las RNA polimerasas catalizan la formación de los en-laces fosfodiéster que unen entre si a los nucleótidos y forman el esqueleto azúcar-fosfato de la cadena de RNA (véase fig. 7-3). La RNA polimerasa se mueve paso a paso a lo largo del DNA y desenrolla la hélice del DNA justo por delante a fin de exponer una nueva región de la hebra molde para el apa-reamiento de bases complementarias. De esta manera, la cadena de RNA en crecimiento se extiende de un nucleótido por vez en la dirección 5 a 3 (fig. 7-7). Los ribonucleósidos trifosfato entrantes (ATP, CTP, UTP у GTP) aportan la energía necesaria para impulsar el avance de la reacción, de manera aná-loga al proceso de sintesis del DNA (vease fig. 6-11). La liberación casi inmediata de la hebra de RNA del DNA a medida que es sin-tetizada significa que se pueden producir muchas copias de RNA a partir del mismo gen en un tiempo relativamente breve, la sintesis del RNA siguiente suele iniciarse antes de que se haya completado el primer RNA (fig. 7-8). Un gen de tamaño mediano-p. ej., 1500 pares de nucleótidos- requiere alrede-dor de 50 segundos para ser transcrito por una molécula de RNA polimerasa. En un momento dado, podría haber docenas de polimerasas desplazándose a gran velocidad a lo largo de este segmento aislado de DNA, pisándose los talones, lo que permite que se sinteticen más de 1000 transcritos en una hora. Sin embargo, para la mayoría de los genes, el grado de transcripción es mucho menor que este. Aunque la RNA polimerasa cataliza, en esencia, la misma reacción quími ca que la DNA polimerasa, hay algunas diferencias importantes entre las dos enzimas. En primer lugar y lo más evidente, la RNA polimerasa utilizas dos enzieosidos trifosfato como sustratos, de manera que cataliza la unión ribonucleosiotidos, no de desoxirribonucleótidos. En segundo lugar, a dife deria de la DNA polimerasa que interviene en la replicación del DNA, las RONA polimerasas pueden comenzar una cadena de RNA sin un cebador y no Romgen con exactitud su trabajo. Este descuido se tolera porque el RNA, a diferencia del DNA, no se utiliza como depósito permanente de información genética en las células, de manera que los errores en los transcritos de RNA genéticonsecuencias relativamente menores para una célula. Las RNA po-limerasas cometen alrededor de un error por cada 104 nucleótidos copiados en el RNA, mientras que la DNA polimerasa comete solo un error por cada 107 nucleótidos. Las células producen diversos tipos de RNA La mayoría de los genes transportados en el DNA de una célula especifican la secuencia de aminoácidos de las proteinas. Las moléculas de RNA codi-ficadas por estos genes-que, en última instancia, dirigen la síntesis de pro-teinas- se denominan RNA mensajeros (mRNA). En los eucariontes, cada mRNA suele transportar información transcrita de un único gen, que codifica una sola proteína; en las bacterias, a menudo, se transcribe un grupo de ge-nes adyacentes a un solo mRNA que, por lo tanto, transporta la información de varias proteínas diferentes. Sin embargo, el producto final de otros genes es el propio RNA. Como ve-remos más adelante, estos RNA no codificantes, al igual que las proteinas, cumplen diversas funciones y actúan como componentes reguladores, es-tructurales y catalíticos de las células. Por ejemplo, desempeñan papeles fundamentales en la traducción del mensaje genético a proteinas: los RNA ribosómicos (rRNA) forman el centro de los ribosomas, que traduce los mRNA a proteína, y los RNA de transferencia (IRNA) actúan como adaptadores que seleccionan aminoácidos específicos y los retienen en el lugar sobre el ri-bosoma para su incorporación a la proteína. Otros RNA pequeños, deno-minados micro-RNA (miRNA), son reguladores clave de la expresión génica eucarionte, como analizamos en el capitulo 8. En el cuadro 7-1, se resumen los tipos más comunes de RNA. En el sentido más amplio, el término expresión génica hace referencia al Proceso por el cual la información codificada en una secuencia de DNA es convertida en un producto, ya sea proteína o RNA, que ejerce algún efecto sobre una célula o un organismo. En los casos en los que el producto final del gen es una proteina, la expresión génica comprende tanto la transcrip-ción como la traducción. En cambio, cuando el producto final de un gen es una molécula de RNA, la expresión génica no requiere traducción. Las señales en el DNA le indican a la RNA polimerasa dónde comenzar y dónde terminar la transcripción La iniciación de la transcripción es un proceso especialmente critico porque es el punto principal en el que una célula selecciona qué RNA va a producir-se. Para iniciar la transcripción, la RNA polimerasa debe ser capaz de reco-nocer el comienzo de un gen y de unirse firmemente al DNA en este sitio. El modo mediante el cual las RNA polimerasas reconocen el sitio de inicio de la transcripción es algo diferente en bacterias y eucariontes. Como la situación en las bacterias es más simple, la describiremos primero. Cuando una RNA polimerasa choca en forma aleatoria con una molécula de DNA, la enzima se adhiere débilmente a la doble hélice y, después, se desliza con rapidez a lo largo de esta. La enzima solo se aferra estrechamente des-pués de que ha encontrado una región del gen denominada promotor, que contiene una secuencia especifica de nucleòtidos localizada en dirección 5’ inmediatamente antes del punto inicial para la sintesis del RNA. Cuando se une estrechamente a esta secuencia, la RNA polimerasa abre la doble hélice inmediatamente por delante del promotor para exponer los nucleótidos de cada hebra de un breve segmento de DNA. Después, una de las dos hebras de DNA expuestas actúa como molde para el apareamiento de bases com-plementarias con los ribonucleósidos trifosfato entrantes, dos de los cuales son unidos por la polimerasa para comenzar la sintesis de la hebra de RNA Luego, continúa la elongación hasta que la enzima encuentra una segunda señal en el DNA, el terminador (o sitio de terminación), donde la polimerasa se detiene y libera el molde de DNA, y el trascripto de RNA recién sintetizado fig. 7-9). La secuencia de terminación en sí misma también es transcrita, y es la interacción de este segmento 3’ del RNA con la polimerasa lo que causa que la enzima libere el DNA molde. Como la ’olime’asa debe unirse estrechamente al DNA antes de que pue da iniciar la transcripción, un segmento de DNA solo será transcrito si estä precedido por un promotor. Esto garantiza que solo las porciones de una molécula de DNA que contienen un gen sean transcritas a RNA. En la figura 7-10, se presentan las secuencias nucleotidicas de un promotor típico y un terminador típico. En las bacterias, una subunidad de la RNA polimerasa bacteriana, el factor sigma (o) (véasefig. 7.9), es el responsable principal de reconocer la secuen-cia del promotor en el DNA. Pero ¿cómo puede “ver” este factor el promotor, dado que los pares de bases en cuestión están situados en el interior de la doble hélice de DNA? Resulta que cada base presenta características únicas hacia el exterior de la doble hélice, que permiten que el factor sigma identifi que inicialmente la secuencia del promotor sin tener que separar las hebras de DNA enrolladas. Cuando comienza a abrir la doble hélice de DNA, el fac tor sigma se une a los pares de bases expuestos, lo que mantiene abierta la doble hélice. El siguiente problema que enfrenta la RNA polimerasa consiste en determi nar cuál de las dos hebras de DNA utilizará como molde para la transcrip ción: cada hebra tiene una secuencia nucleotidica distinta y produciría un transcrito de RNA diferente. El secreto reside en la estructura del propio pro Chator. Todo promotor presenta cierta contiene dos secuen clas nucleotidicas diferentes, dispna cierta polaridad: contiene specifico, en dirección 5’ respecto del sitio de inicio de la transcripción. Estas secuenolor en la coricas ubican a la RNA polimerasa de transcripcione une al promotor en la orientación correcta (véase ngrasa de modo tal quel merasa solo puede sintetizar RNA en la dirección 5’ a 3’, una vez que la enzima está unida, esta debe usar la hebra de DNA orientada en dirección 3 a 5’ como molde La selección de una hebra molde no implica que, en un cromosoma dado, toda la transcripción avance en la misma dirección. Con respecto al cromo-soma como un todo, la dirección de la transcripción puede variar de un gen al siguiente. Pero, como cada gen suele tener solo un promotor, su orienta-ción determina en qué dirección se transcribe el gen y, en consecuencia, qué hebra actúa como la hebra molde (fig. 7-11). La iniciación de la transcripción de genes eucariontes es un proceso complejo Muchos de los principios recién comentados para la transcripción bacteriana también se aplican a los eucariontes. Sin embargo, hay varias diferencias importantes entre la iniciación de la transcripción en los eucariontes y en las bacterias: I Mientras que las bacterias utilizan un solo tipo de RNA polimerasa para la transcripción, las células eucariontes emplean tres. RNA polimerasa I, RNA polimerasa II y RNA polimerasa III. Estas polimerasas son responsables de la transcripción de diferentes tipos de genes. Las RNA polimerasas I y III transcriben los genes que codifican RNA de transferencia, RNA ribosomi-co y otros diversos RNA que cumplen funciones estructurales y cataliticas en la célula (cuadro 7-2). La RNA polimerasa II transcribe el resto, incluidos todos los que codifican proteinas, que constituyen la mayoría de los genes en los eucariontes. Por consiguiente, la siguiente exposición se centrará en la RNA polimerasa II. 2. Mientras que la RNA polimerasa bacteriana (junto con su subunidad sig-ma) puede iniciar la transcripción por si sola, las RNA polimerasas euca-riontes requieren la ayuda de un gran grupo de proteinas accesorias. Entre ellas, las principales son los factores de transcripción general, que se deben ensamblar en cada promotor, junto con la polimerasa, antes de que pueda comenzar la transcripción. 3. Los mecanismos que controlan la iniciación de la transcripción en los eu-cariontes son mucho más elaborados que los que actúan en procariontes, un punto que se analiza en detalle en el capitulo 8. En las bacterias, los genes tienden a estar muy cerca entre si, solo con segmentos muy cortos de DNA no transcrito entre ellos. Pero en las plantas y los animales, inclui-dos los seres humanos, los genes individuales se localizan a lo largo del DNA, con segmentos de hasta 100000 pares de nucleótidos entre un gen y el siguiente. Esta arquitectura hace posible que un gen individual sea con-trolado por una gran variedad de secuencias reguladoras del DNA dispersas a lo largo del DNA, y permite que los eucariontes presenten formas más complejas de regulación de la transcripción que las bacterias. 4. En los eucariontes, la iniciación de la transcripción debe manejar el em- paquetamiento del DNA en nucleosomas y formas de orden superior de estructura de la cromatina, como describiremos en el capítulo 8. Para comenzar a analizar la transcripción en los eucariontes, revisaremos los factores de transcripción general y veremos cómo ayudan a la RNA poli-merasa II a iniciar el proceso La RNA polimerasa eucarionte requiere factores de transcripción General El hallazgo inicial de que, a diferencia de la RNA polimerasa bacteriana, la RNA polimerasa II eucarionte purificada no podia iniciar por si misma la transcripción en un tubo de ensayo llevó a descubrir y purificar los factores de transcripción general. Estas proteínas accesorias se ensamblan en el promotor, donde posicionan a la RNA polimerasa y separan la doble hélice de DNA para exponer la hebra molde, lo que permite que la polimerasa ini cie la transcripción. Por consiguiente, los factores de transcripción general tienen un papel similar en la transcripción eucarionte al del factor sigma en La transcripción bacteriana. La figura 7-12 muestra el ensamblado de los factores de transcripción gene ral en un promotor usado por la RNA polimerasa II. Por lo general, el proceso se inicia con la unión del factor de transcripción general TFIID a un seg mento corto de la doble hélice de DNA compuesto, principalmente, por los nucleótidos T y A; dada su composición, esta parte del promotor se conoce como caja TATA Tras unirse al DNA, el TFIID causa una distorsión local sus tancial de la doble hélice de DNA (fig. 7-13); esta estructura ayuda a servir como punto de referencia para el ensamblado ulterior de otras proteinas en el promotor. La caja TATA es un componente clave de muchos promotores usados por la RNA polimerasa II y, por lo general, se localiza alrededor de 30 nucleótidos en dirección 5’ respecto del sitio de inicio de la transcripción Una vez que el TFIID se ha unido a la caja TATA, se ensamblan los otros fac tores, junto con la RNA polimerasa II, para formar un complejo de iniciación de la transcripción completo. Si bien la figura 7-12 muestra los factores de transcripción general cargados sobre el promotor en una cierta secuencia es probable que el orden real de ensamblado difiera algo de un promotor al siguiente. Al igual que los promotores bacterianos, los promotores eucarion tes están compuestos por varias secuencias de DNA distintas; estas dirigen a los factores de transcripción al lugar de ensamblado y orientan a la RNA po limerasa de manera que esta inicie la transcripción en la dirección correcta y sobre la hebra molde de DNA correcta (fig. 7-14). Lina vez que la RNA polimerasa II se ha ubicado en el promotor, debe ser Sinteada del complejo de los factores de transcripción para iniciar su tarea de Polimeras una molécula de RNA. Un pasoanscripción parderación de la RNA Polimerasa es el agregado de grupos fosfato a para cola (vease fig. 7-128Esta acción es iniciada por el factor de transcripción general TFIIH, que con-tiene una proteína cinasa como una de sus subunidades. Una vez que ha comenzado la transcripción, la mayoría de los factores de transcripción ge-neral se disocian del DNA y, entonces, quedan disponibles para iniciar otra ronda de transcripción con una nueva molécula de RNA polimerasa. Cuando la RNA polimerasa II termina de transcribir un gen, también es liberada del DNA: los fosfatos de la cola son eliminados por fosfatasas y, entonces, la polimerasa está preparada para hallar un nuevo promotor. Solo la forma desfosforilada de la RNA polimerasa II puede reiniciar la sintesis de RNA. Los mRNA eucariontes son procesados en el núcleo El principio de molde mediante el cual se transcribe DNA a RNA es el mismo en todos los organismos; sin embargo, la manera de manejar los transcritos de RNA antes de que sean traducidos a proteina difiere entre bacterias y eucariontes. Como las bacterias carecen de núcleo, su DNA está directamen-te expuesto al citosol, que contiene los ribosomas en los que tiene lugar la sintesis de proteinas. Cuando se inicia la síntesis de una molécula de mRNA de una bacteria, los ribosomas se unen de inmediato al extremo 5’ libre del transcrito de RNA y comienzan a traducirla a proteina. Por el contrario, en las células eucariontes, el DNA está encerrado dentro del núcleo, que es donde tiene lugar la transcripción. En cambio, la traducción se realiza en los ribosomas, que están localizados en el citosol. Asi, antes de que un mRNA eucarionte pueda ser traducido a proteina, debe ser trans-portado fuera del núcleo a través de pequeños poros de la envoltura nuclear (fig. 7-15). Pero antes de que pueda ser exportado al citosol, el RNA euca-rionte debe atravesar varios pasos de procesamiento del RNA, que com-prenden: encapuchamiento (adición de casquete), corte y empalme, y poliade-nilación, como analizaremos en breve. Estos pasos se producen mientras se está sintetizando el RNA. Las enzimas responsables del procesamiento del RNA cabalgan sobre la “cola” fosforilada de la RNA polimerasa II eucarionte, mientras esta sintetiza una molécula de RNA (véase fig. 7-12) y procesan el transcrito a medida que este emerge de la RNA polimerasa (fig. 7-16). Dos de estos pasos de procesamiento, encapuchamiento y poliadenilación se producen en todos los transcritos de RNA destinados a convertirse en moléculas de mRNA El encapuchamiento del RNA modifica el extremo 5’ del transcrito de mRNA, la parte del RNA que se sintetiza en primer lugar. Casquete de RNA contiene un nucleótido atipico: un nucleótido de guani na (G) con un grupo metilo unido al extremo 5’ del RNA de una manera inusual (fig. 7-17). Por el contrario, en las bacterias, el extremo 5’ de una molécula de mRNA es simplemente el primer nucleótido del transcrito. En las células eucariontes, el encapuchamiento tiene lugar una vez que la RNA polimerasa ha producido alrededor de 25 nucleótidos de RNA, mucho antes de que haya completado la transcripción de todo el gen. 2. La poliadenilación genera un mRNA recién transcrito con una estructura especial en su extremo 3. A diferencia de las bacterias, donde el extremo 3’ de un mRNA es solo el final de la cadena sintetizada por la RNA po-limerasa, el extremo 3 de un RNA eucarionte primero es recortado por una enzima que corta la cadena de RNA en una secuencia particular de nucleótidos. Después, el transcrito es terminado por una segunda enzima que agrega una serie de nucleótidos de adenina repetidos (A) al extremo recortado. Por lo general, esta cola de poli-A tiene unos pocos cientos de Nucleótidos de longitud (véase fig. 7-17ª). Estas dos modificaciones -encapuchamiento y poliadenilación- aumentan la estabilidad de la molécula de mRNA eucarionte, facilitan su exportación del núcleo al citosol y, por lo general, marcan a la molécula de RNA como un mRNA. Asimismo, son utilizadas por la maquinaria de síntesis proteica para corroborar que ambos extremos del mRNA estén presentes y que, por lo tanto, el mensaje está completo antes de que se inicie la sintesis proteica En los eucariontes, los genes que codifican proteínas están interrumpidos por secuencias no codificantes denominadas intrones La mayoria de los mRNA eucariontes deben atravesar otro paso de procesa-miento antes de ser funcionales. Este paso implica una modificación mucho más radical del transcrito de RNA que el encapuchamiento o la poliadenila-ción, y es la consecuencia de una caracteristica sorprendente de la mayoria de los genes eucariontes. En las bacterias, la mayor parte de las proteinas son codificadas por un segmento ininterrumpido de secuencia de DNA que es transcrita a un mRNA que, sin ningún procesamiento adicional, puede ser traducido a proteina. En cambio, la mayoría de los genes eucariontes que codifican proteinas tienen sus secuencias de codificación interrumpidas por largas secuencias interpuestas no codificantes, denominadas intrones. Los fragmentos dispersos de secuencias codificantes- denominadas secuencias expresadas o exones- suelen ser más cortos que los intrones y, a menudo, representan solo una pequeña fracción de la longitud total del gen (fig. 7-18) Los intrones varian de un solo nucleótido a más de 10 000 nucleotidos de Longitud. Algunos genes eucariontes que codifican proteínas carecen de intrones y otros tienen solo unos pocos, pero la mayoria contiene muchos (fig. 7-19). Obsérvese que los términos “exon” e “intrón” se aplican tanto al DNA como a las secuencias de RNA correspondientes. Los intrones son eliminados de los pre-mRNA mediante corte y Empalme del RNA Para producir un mRNA en una célula eucarionte, se transcribe a RNA toda la longitud del gen, tanto los intrones como los exones. Después del enca-puchamiento, y mientras la RNA polimerasa continúa transcribiendo el gen, comienza el corte y empalme del RNA. En este proceso se eliminan los intrones del RNA recién sintetizado y se unen entre sí los exones. Por último, cada transcrito recibe una cola de poli-A; en muchos casos, esto sucede des-pués del corte y empalme, mientras que, en otros, esto se produce antes que se hayan completado las reacciones finales de corte y empalme. Una vez que se ha cortado y empalmado el transcrito y que se han modificado sus extre-mos 5’ y 3’, el RNA es, ahora, una molécula de mRNA funcional que puede abandonar el núcleo y ser traducida a proteína. Antes de que se completen estos pasos, el transcrito de RNA se conoce como precursor de mRNA o, para abreviar, pre-mRNA.¿Cómo hace la célula para determinar qué partes del transcrito de RNA debe eliminar durante el corte y empalme? A diferencia de la secuencia codifican te de un exón, la mayor parte de la secuencia nucleotidica de un intrón no es importante. Aunque hay escasa semejanza global entre las secuencias un-cleotidicas de diferentes intrones, cada intrón contiene unas pocas secuen cias nucleotidicas cortas que actúan como señales para su eliminación del pre-mRNA. Estas secuencias especiales se encuentran en cada extremo del intrón o cerca de este y son las mismas o muy similares en todos los intrones (fig. 7-20). Guiada por estas secuencias, una elaborada maquinaria de corte y empalme corta el intrón en forma de una estructura en “lazo” (fig. 7-21 formado por la reacción de un nucleótido de adenina, resaltado en rojo en las figuras 7-20 y 7-21, con el comienzo del intrón. On de RNA Si bien no describiremos en detalle el proceso de corte y empalme, vale la pena destacar que, a diferencia de otros pasos de la producción de mRNA. Este es llevado a cabo, en gran medida, por moléculas de RNA en lugar de por proteinas. Estas moléculas de RNA, denominadas RNA nucleares pe queños (snRNA), están empaquetadas con proteinas adicionales para for mar ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNP). Las snRNP reconocen secuencias del sitio de corte y empalme a través del apareamiento de ba ses complementarias entre sus componentes de RNA y las secuencias del pre-mRNA, y son responsables de la química del corte y empalme (fig. 7-24) Las moléculas de RNA que catalizan reacciones en este sentido se conocen como ribozimas y se describen con más detalle más adelante en este capitulo. En conjunto, estas snRNP forman el centro del empalmosoma (ayus- tosoma), el gran ensamblado de moléculas de RNA y proteínas que llevan a cabo el corte y empalme del RNA en el núcleo. El tipo de disposición intrón-exón del gen eucarionte podria parecer un derro-che, pero, de hecho, confiere algunos beneficios importantes. En primer lugar, los transcritos de muchos genes eucariontes se pueden cortar y empalmar de diferentes maneras, cada una de las cuales puede producir una proteina dis-tinta. Por lo tanto, este corte y empalme alternativo permite producir mu-chas proteinas diferentes a partir del mismo gen (fig. 7-23). Se considera que alrededor del 95% de los genes humanos son sometidos a corte y empalme alternativo. Así, el corte y empalme del RNA permite que los eucariontes au-menten el ya enorme potencial de codificación de sus genomas. En el capítulo 9, comentaremos otra ventaja del corte y empalme -la producción de nuevas proteinas- al analizar cómo evolucionaron las proteínas.La sintesis y el procesamiento del RNA tienen lugar en “fábricas dentro del núcleo En los eucariontes, la sintesis y el procesamiento del RNA requiere la acci coordinada de un gran número de proteinas, desde las RNA polimerasa y proteinas accesorias que llevan a cabo la transcripción hasta las enz responsables del encapuchamiento, la poliadenilación, y el corte y empalme Con tantos componentes necesarios para producir y procesar cada una de Las moléculas de RNA que se transcriben, ¿cómo logran encontrarse tod estos factores? Intranucleares RNA son sintetizados DNA es replicado intracelulares que os independientes e mamifero. En stos agregados to nucleico se sön de DNA y RNA algunos casos io la transcripción o sitio (amarillo) Vansink et al. J Cell Con autorización ogists) Ya hemos mencionado que las enzimas responsables del procesamiento del RNA cabalgan sobre la cola fosforilada de la RNA polimerasa II eucarione Rientras esta sintetiza una molécula de RNA, de manera que el transcrito miRNA puede ser procesado a medida que es sintetizado (véase fig. 7-161 deemás de esta asociación, las RNA polimerasas y las proteinas de proce samiento del RNA también forman agregados moleculares laxos-denom nados, en general, condensados intracelulares- que actúan como “fabricas para la producción de RNA. Estas fábricas, que reúnen las numerosas RNA polimerasas, componentes de procesamiento del RNA y los genes que se es tán expresando, son lo suficientemente grandes como para ser observada por microscopia (fig. 7-24). La agregación de los componentes necesarios para realizar una tarea espe cífica no es privativa de la transcripción del RNA. Las proteinas involucradas en la replicación y la reparación del DNA también convergen para formar fábricas funcionales dedicadas a sus tareas especificas. Y los genes que co difican RNA ribosómicos se agrupan en el nucléolo (véase fig. 5-17), donde sus productos RNA se combinan con proteínas para formar ribosomas. Lue go, estos ribosomas, junto con los mRNA maduros que decodifican, deben ser exportados al citosol, donde tendrá lugar la traducción. Los mRNA eucariontes maduros son exportados del núcleo De todos los pre-mRNA sintetizados por una célula, solo una pequeña frac ción -las secuencias contenidas dentro de los mRNA maduros- serán de ull lidad. Los fragmentos de RNA restantes -intrones escindidos, RNA rotos, y transcritos cortados y empalmados de manera aberrante- no solo son inutiles, sino que podrian ser peligrosos para la célula si se les permitiera abandonar el núcleo. Entonces, ¿cómo hace la célula para distinguir entre las moléculas de mRNA maduras relativamente raras que necesita exportar al citosol y la abrumadora cantidad de restos generados por el procesamiento del RNA? La respuesta es que el transporte de mRNA del núcleo al citosol es en extrema gulenivo, solo se exportan los RNA correctamente procesados que, por const meente, quedan disponibles para ser traducidos. Este transporte selectivo es mtosiodo por complejos del poro nuclear, que conectan el nucleoplasma con e den ingresar en el núcleo o abandonarlo (se analiza en el cap. 15). Para estar deosol y actúan como compuertas que controlan qué macromoléculas pue un grarada para la un grupo apropiado de proteinas, cada molecula de males reconoce diferentes partes de una molécula de mRNA madura destas proteinas comprenden les has qinas de unión a poli-A, un compadura. Estas proteinas com las protei apropiada (fig. 7-25). Finalmente, todo el grupo de proteínas unidas, mas que nas que se unen al mRNA, que complejo de unión a la capuados de manque una única proteina, determina si una molécula de RNA abandonará el núcleo Los “RNA de desecho” que permanecen en el núcleo son degradados ahí, y sus componentes nucleotidicos se reutilizan para la transcripción. Las moléculas de mRNA finalmente son degradadas en el citosol Como una sola molécula de mRNA puede ser traducida a proteina muchas veces (véase fig. 7-2), el tiempo durante el cual una molécula de mRNA madura persiste en la célula influye mucho en la cantidad de proteina que pro-duce. Cada molécula de mRNA finalmente es degradada a nucleótidos por las ribonucleasas (RNAsas) presentes en el citosol, pero el tiempo de vida de las moléculas de mRNA difiere de manera considerable según la secuencia de nucleotidos del mRNA y el tipo de célula. En las bacterias, la mayoria de los mRNA son degradados con rapidez, y su tiempo de vida habitual es de alrededor de 3 minutos. En las células eucariontes, los mRNA suelen persistir más: algunos, como los que codifican la B-globina, tienen una vida de más de 10 horas, mientras que otros permanecen menos de 30 minutos. Estas diferencias en cuanto al periodo de vida son controladas, en parte, por secuencias nucleotidicas del propio mRNA: la mayoría de las veces, las de la porción del RNA denominada región 3 no traducida, que se localiza entre el extremo 3’ de la secuencia codificante y la cola de poli-A (vease fig. 7-17) Los diferentes periodos de vida del mRNA ayudan a la célula a controlar la cantidad de cada proteina que sintetizará. Por lo general, las proteinas producidas en altas cantidades, como la ẞ- globina, son traducidas a partir de mRNA con vidas prolongadas, mientras que las proteinas sintetizadas en menor cantidad o cuyas concentraciones deben cambiar con rapidez en respuesta a señales, suelen ser sintetizadas a partir de mRNA de vida corta En la figura 7-26 se resumen y comparan la sintesis, el procesamiento y la degradación de RNA en eucariontes y procariontes.