Genética Molecular I:Síntesis de ARN TRANSCRIPCIÓN

TEMA 12

1. Genética Molecular• La genética molecular utiliza la vía inversa que la mendeliana; parte de la secuencia de bases

de un gen y deduce el fenotipo ( la secuencia de aminoácidos de una proteína que desempeña una actividad biológica determinada.

• El ADN se replica y heredamos copias del ADN paterno y materno ( el genotipo), en cuyas moléculas se localizan los genes. Estos poseen mensajes codificados y cuando se expresan ( se transcriben y se traducen) se forman las diversas proteínas, que ejecutan sus órdenes y ponen de manifiesto los caracteres heredados ( el fenotipo).

Contexto Histórico y Social

El ADN es la molécula portadora de la información genética

Del Gen a la Proteína: El Flujo de la información genética

• El ADN es la molécula portadora de la información transmitida en los genes, y no las proteínas. Pero los genes , es decir, el ADN no lleva a cabo las funciones. Son las proteínas las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada individuo la especificidad( pelo rizado o liso, los ojos azules o verdes,….)– Por tanto debe existir algún mecanismo que permita a los

genes expresar su información para que se formen la proteínas.

– El flujo de la información va desde un gen ( segmento de ADN) pasa su información al ARNm y de éste a las proteínas( se pasa de un lenguaje de 4 bases nitrogenadas y una secuencia de aminoácidos que forman las proteínas y que serán las que ejecuten la orden que contiene el ADN.

La expresión de los genes1. Transcripción: biosíntesis de ARN.Una de las dos cadenas que componen el ADN de un gen actúa como molde

para la síntesis de una cadena de ARN.

Pero en el ADN hay secuencias génicas distintas:a) Genes que se transcriben y se traducen: porque poseen información

para la síntesis de proteínas. Al transcribirse originan ARNmb) Genes que se transcriben pero no se traducen: tienen información para

la síntesis de ARNr y ARNt, que colaboran en la síntesis de las proteínas.c) Secuencias génicas reguladoras, que ni se transcriben, ni se traducen,

pero son fundamentales indicando por dónde se debe comenzar a transcribir el gen y dónde debe finalizar la lectura.

2. Traducción : biosíntesis de proteínas.Las instrucciones del gen, son traducidas por los ribosomas, según el código genético, que establece la correspondencia entre la secuencia de bases del ARN y la secuencia de aminoácidos de la proteína,

La expresión de los genes

La expresión de los genes

La Transcripción en Eucariotas: síntesis del ARNm en el núcleo

• En los eucariotas todos los tipos de ARN (ARNr, ARNt y ARNm) se sintetizan en el núcleo, y luego se exportan al citoplasma a través de los poros nucleares, para que participen en la traducción( en mitocondrias y cloroplastos también hay genes que se transcriben para la síntesis de ARN mitocondrial y de los cloroplastos).

• Para que se lleve a cabo la transcripción necesitamos tres elementos: 1. Una cadena de ADN molde2. Ribonucleótidos trifosforilados de A,G,C y U3. La enzima ARN polimerasa II o transcriptasa.

1

2

3• La ARN polimerasa, enzima que cataliza la polimerización de los

ribonucleótidos basándose en la complementariedad de bases con la hebra molde del ADN, debe de tener las siguientes capacidades:

a) Reconocer las secuencias promotoras, que marcan el inicio de la transcripción, para lo que cuenta con la ayuda de los factores proteicos de transcripción.

b) Leer la hebra molde del ADN en sentido 3´ 5´; lee la secuencia de bases y selecciona los ribonucleótidos trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde. Polimeriza en sentido5´ 3´.

c) Cataliza la formación del enlace éster entre los nucleótidos. La enzima cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato del nucleótido monofosfato que se incorpora a la cadena del ARNm en formación mediante enlace éster y para ello utiliza la energía desprendida de su hidrólisis.

d) Reconocer las secuencias de terminación de la transcripción.

Etapas de la transcripción:

• Iniciación• Elongación • Terminación• Maduración postranscripcional

Etapas de la transcripción:Iniciación

• Para que la ARN polimerasa transcribe los genes, existen en los genes eucariotas tres tipos de secuencias génicas reguladoras:

1. El promotor: es la región más próxima al inicio de la transcripción y esta formada por la secuencia -25 TATA, -80CAAT Y -120 GC. Los factores proteicos de transcripción que se unen al promotor, conocidos como factores basales, ayudan a la ARN polimerasa a colocarse en el sitio de iniciación del gen.

2. Las secuencias potenciadoras (enhancers): situadas mucho más lejos, entre -200,-10000, a ellas se unen los factores activadores de la transcripción, que cumplen dos funciones:1. Desempaquetar la cromatina al disgregar los nucleosomas, y consiguen desenrollar la

doble vuelta del ADN, para que la región promotora quede accesible.2. Incrementar la velocidad de transcripción.

3. Las secuencias silenciadoras( silencers): se encuentran intercaladas entre las activadoras y a ellas se unen los represores, disminuyendo la velocidad de transcripción.

• Elongación: la enzima ARN polimerasa recorre la hebra molde en sentido 3´5´, mientras que la cadena del ARNm transcrito primario o preARN , continua creciendo en dirección 5´3´, a razón de 30 nucleótidos por segundo.

• Terminación: la transcriptasa reconoce la secuencia TTATTT, que determina el final de la transcripción y la separación de la cadena de pre-ARNm recién sintetizada de la hebra molde de ADN

Maduración postranscripcional

• Se le añade una metil guanosina trifosforilada en posición 5´. Esta especie de “caperuza”protege al ARNm del ataque de las nucleasas y evita su inmediata degradación en el núcleo. Ademas este “cap” es reconocido por los ribosomas como lugar de inicio de la traducción.

• Se le añade una cola de poli-A de unos 150 a 200 ribonucleótidos de Adenina, en el extremo 3´. Cuanto menor sea el tamaño más rapidamente se degradará el ARNm

• Corte de intrones y pegado de exones o splicing: como los genes de eucariotas están fragmentados, ya que contienen los intrones sin información y los exones con información, hay que eliminar los intrones mediante un proceso de maduración en el núcleo del pre-ARNm, que supone cortes entre los intrones y los exones, de manera que las secuencias intrónicas se enrollan en forma de lazos y se eliminan, mientras que las secuencias exónicas se empalman y forman una moléculas de ARNm funcional que sale al citoplasma , para la síntesis proteica.

Maduración postranscripcional: del ARNr y ARNt

Los tres tipos de ARNr ( 28S,18S y 5’8S) , son sintetizados por la ARN polimerasa I, proceden de largas cadenas de ARN transcrito primario , e ARN nucleolar y que después de un proceso de maduración , de cortes origina los distintos tipos de ARNr.

Los pre-ARNt sintetizados por la ARN polimerasa III suele sufrir cortes en determinados lugares, así como la modificación de algunas de sus bases y la adición de la secuencia CCA, en el brazo aceptor de lo s aminoácidos.

Regulación de la expresión génica en eucariotas

Para evitar el despilfarro de la energía, las células no disponen de todas las proteínas que están codificadas en sus genes, sino en cada momento sintetizan solamente aquellas que necesitan y en las concentraciones adecuadas, mediante la regulación de la expresión génica.

La regulación de la expresión génica en eucariotas se puede llevar a cabo en cinco niveles diferentes tres en el núcleo:1.Control de la estructura de la cromatina2.Control de la transcripción3.Control de la maduración postranscripcional

Y dos en el citoplasma:1.Control de la traducción 2.Control del procesamiento postraduccional

Control de la estructura de la cromatina

• El ADN de los eucariotas, está formado por ADN e histonas y forma la cromatina. En algunas zonas la cromatina se encuentra en forma de HeterocromatinaHeterocromatina, tan altamente condensada que sus genes prácticamente no se trascriben, mientras que en otras regiones adopta la forma de EucromatinaEucromatina con menor grado de empaquetamiento. Es en la eucromatina dónde se encuentran los genes que pueden ser transcritos en cada tipo de célula, pero aún se encuentran densamente empaquetados y resultan inaccesibles para ser transcritos por la ARN polimerasas. Esto significa que antes de la trascripción es necesario un proceso de descondensación de una región de la cromatina durante un periodo de tiempo corto , pero suficiente para que se transcriba los genes.

• Por ello podemos modificar la estructura de la cromatina, impidiendo la transcripción mediante :a)a) Metilación del ADNMetilación del ADN: la adición de grupos metilo (-CH3) a las bases del ADN, silencia la

expresión de los genes.b)b) Acetilación y metilación de las histonasAcetilación y metilación de las histonas: Las histonas acetiladas (-CO-CH3) ,disminuyen

su afinidad por el ADN y favorece la descondensación de la cromatina, adoptando una conformación extendida que activa la trascripción al facilitar el acceso de la enzima ARN polimerasa hasta el promotor del gen específico que se va a transcribir. Por otro lado, la metilación de las histonas, ejerce el efecto contrario: aumenta la condensación de la cromatina y por tanto favorece la inactivación génica.

Control de la transcripción• Es el más importante de todos los mecanismos de regulación y se puede llevar a cabo

mediante genes saltarines o mediante factores de transcripción:a)a) Elementos traslocables o genes saltarines: Elementos traslocables o genes saltarines: no tienen una posición fija en el genóma y saltan

de una posición a otra del genoma en cada generación, provocando la inestabilidad de los genes, cuando estos genes saltarines se insertan en las secuencias codificantes o en las reguladoras de un gen, pueden dar lugar a inactivaciones o el caso contrario de sobreactivación.

b)b) Factores de la transcripción: Factores de la transcripción: la unión de la ARN polimerasa con el promotor para la transcripción de un gen requiere de una variedad de factores proteicos de la transcripción. La expresión de un gen comienza cuando determinados factores activadores reconocen las secuencias activadoras del ADN (enhancers) de dicho gen y se unen a ellas. Comienza una secuencia de activaciones que conducen finalmente a la unión de la enzima al promotor para que se inicie la transcripción.

Ej: regulación hormonal de la expresión génica: hormonas como la insulina( hormona proteica) o la progesterona ( esteroídica) se unen a receptores celulares específicos y activan determinados factores activadores de la transcripción. Cuando estos se unen a los potenciadores inducen la expresión de los genes que codifican proteínas esenciales en la respuesta hormonal, así, p.ej. La insulina provoca la síntesis de enzimas responsables del metabolismo de la glucosa

Control de la maduración postranscripcional

El splicing alternativo permite modular y amplificar la expresión de los genes. Se pueden dar mecanismos alternativos de corte y pegado a partir de un mismo pre ARNm, no siempre se unen en la misma secuencia los exones, lo que origina cadenas distintas de ARNm que en la traducción originaran distintas proteínas. Es decir, un mismo gen eucariota que contienen varios exones, según se unan en el proceso de maduración pueden dar lugar a diferentes proteínas con actividades distintas, es decir, amplifican su expresión génica.

Control de la traducción

• Se puede realizar de varias formas pero una de ellas, consiste en eliminar el CAP de la posición 5’ , acortar la cola de poli A.

Control del procesamiento postraduccional

Una vez sintetizada la proteína, algunas experimentan un conjunto de modificaciones químicas, antes de convertirse en moléculas funcionales. También podemos marcarlas añadiéndole una pequeña proteína ,llamada ubiquitina, de esto modo acortamos la vida media de la proteína, para que finalmente sea degradada en los proteosomas.

RETROTRANSCRIPCIÓN

En la década de los sesenta, se enuncio el dogma central de la biología molecular:

ADN ARNm PROTEÍNA

En todas las células y en algunos virus existen enzimas retrotranscriptasas que son capaces de invertir el flujo de información genética al sintetizar ADN a partir de ARN

LOS RETROVIRUS.En 1970 HowardM, Temin, dio un duro golpe al dogma, al descubrir que los retrovirus (una clase

de virus cuyo material génico es ARN), eran capaces de sintetizar ADN a partir de ARN, mediante una enzima llamada retrotranscriptasaretrotranscriptasa. ( Un ej., es el virus del SIDA.)

Se pueden encontrar en forma de virus infectantes de vida libre, constituidos por una envoltura proteica o cápsidacápsida en cuyo interior se aloja la hebra de ARN junto con la enzima retrotranscriptasaretrotranscriptasa. Y también adoptan la estructura de provirusprovirus, formados por una doble hebra de ADN que está integrada en un cromosoma de la célula hospedadora infectada como si fuera uno más de sus genes

TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN

RETROTRANSCRIPCIÓN

Ciclo vital de un retrovirus1.1. Fijación y entradaFijación y entrada. El retrovirus se une a determinados receptores de la membrana de los linfocitos TH(a) y penetra en la

célula al fusionarse su envoltura membranosa con la membrana plasmática (b). Una vez en el interior, se despoja de su cápsidacápsida proteica y quedan libres las dos hebras de ARN© Y las enzimas retrotranscriptasasretrotranscriptasas. (d).

2.2. Retrotranscripción: Retrotranscripción: cada enzima retrotranscriptasa utiliza una cadena de ARN como molde para sintetizar una cadena de ADN copia ( ADNc) (e), con secuencia complementaria, que forma un híbrido con la hebra de ARN(f). La enzima retrotranscriptasa tiene, además, otras dos funciones: degrada la hebra de ARN y sintetiza otra cadena de ADN complementaria de la hebra de ADNc(g).

3.3. Integración: Integración: se forma una doble hélice de ADN vírico(h) que se integra en el genoma de la célula hospedadora y se convierte en provirus(i)

4.4. Transcripción y traducción: Transcripción y traducción: el provirus se comporta como un gen más y continúa su ciclo vital de reproducción. Utiliza la maquinaria metabólica celular para replicar, transcribir y traducir sus genes que dan lugar a nuevas copias de ARN vírico(j), proteínas de la cápsida(k) y de la envoltura (l) y enzimas retrotranscriptasas(m).

5.5. Ensamblaje: Ensamblaje: Las vesículas del AG (n) transportan las glucoproteínas de la envoltura (l) hasta el lugar de la membrana plasmática ( secreción constitutiva) (o) donde tendrá lugar la gemación (p). Los demás componentes víricos de la cápsida se ensamblan alrededor de las moléculas de ARN de los genomas virales y de las enzimas retrotranscriptasas.

6.6. Gemación: Gemación: Una vez formados los retrovirus (q) abandonan la célula mediante un proceso de gemación (p) para volver de nuevo a la vida libre con capacidad para infectar a otras células ®

Retrovirus, cáncer y evolución• Algunos retrovirus se llaman oncógenos porque son portadores de un tipo de genes,

llamados oncogenes, que cuando se insertan en una célula normal provocan su transformación en célula cancerosa.

• Otros retrovirus carecen de oncogenes, pero cuando se insertan en determinadas regiones del genoma celular activan los promotores de ciertos genes que tienen efectos carcinógenos.

El genoma

1. Genoma vírico: están formados por una sola molécula lineal o circular de ADN o ARN, con pocos genes o varios cientos. Se piensa que los transposones y los plásmidos bacterianos pueden haber estado en el origen de los virus, al ser fragmentos de ácido nucleico que pudieron alcanzar la capacidad de replicarse de forma independiente de sus células hospedadoras. Es unánime la opinión de que los virus son posteriores a las células, pero estos han tenido un papel muy importante en la evolución celular por su gran facilidad de transferir secuencias de ácidos nucleicos de unas células a otras y de unas especies a otras.

2. Genoma de procariotas: un cromosoma principal de doble cadena de ADN y circular. A veces un plásmido de replicación independiente. Los plásmidos se utilizan como vectores de genes, que pueden ser insertados en ellos y de esta forma pueden ser introducidos en una célula hospedadora a la cual transforman.

3. Genoma de eucariotas: en el núcleo , en cromosomas lineales; y una pequeña parte en cloroplastos y mitocondrias.

El genoma humano: solo contiene unos 25000 genes que codifican para proteínas , lo que representa apenas un 1.5% del total del ADN

Epigenética

• Es el conjunto de cambios del ADN, reversibles y heredables que no afectan a la secuencia de nucleótidos de los genes, pero sí son capaces de alterar su expresión, haciendo que unos genes se expresen y otros no en función de las condiciones medioambientales.