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Introducción
La transcripción es el mecanismo por el cual un filamento patrón del DNA es utilizado por las polimerasas específicas del ARN para generar una de las tres diferentes clasificaciones del ARN. Estas 3 clases del ARN son:
1. ARNs Mensajero (mARNs): Esta clase de ARNs son el patrón de codificación genética utilizado por la maquinaria de traducción para determinar el orden de los aminoácidos que se incorporan en un polipéptido creciente durante el proceso de traducción.
2. ARNs de Transferencia (tARNs): Esta clase de pequeños ARNs forman enlaces covalentes con aminoácidos individuales y reconoce las secuencias codificadas de los mARNs para permitir la correcta inserción de los aminoácidos en la cadena creciente del polipéptido.
3. ARNs Ribosomal (rARNs): Esta clase de ARNs está montada junto con las numerosas proteínas ribosomales, para formar los ribosomas. Los ribosomas enlazan los mARNs y forman un dominio catalítico en el cual los tARNs entran con sus aminoácidos unidos. Las proteínas de los ribosomas catalizan todas las funciones de la síntesis del polipéptido.
Todos las ARN polimerasas son dependientes de un patrón de DNA para sintetizar el ARN. El ARN resultante es, por lo tanto, complementario al patrón del filamento del duplex de DNA e idéntico al filamento que no s utilizó como patrón. El filamento que no se utilizó como patrón se llama filamento de codificación porque sus secuencias son idénticas a las del mARN. Sin embargo, en el ARN, U es sustituida por T.
Regreso al inicioClases de las ARN Polimerasas
En las células procarióticas, las 3 clases de ARN son sintetizadas por una sola polimerasa. En las células eucarióticas hay 3 distintas clases de ARN polimerasa, el ARN polimerasa (pol) I, II y III. Cada polimerasa es responsable de la síntesis de una clase diferente de ARN. La capacidad de las diferentes polimerasas para sintetizar varoios ARNs fue demostrada con la toxina α-amanitina. En bajas concentraciones de α-amanitina la síntesis de mARNs se afectan pero no los rARNs ni los tARNs. En altas concentraciones, se afectan los mARNs y los tARNs. Estas observaciones han permitido la identificación de que polimerasa sintetiza que clase de ARNs. La ARN pol I es la responsable de la síntesis de rARN (excepto 5S rARN). Hay 4 rARNs importantes en las células eucarióticas designados por su tamaño de sedimentación. Los ARNs 28S, 5S 5.8S están asociados a la subunidad ribosomal más grande y a el rARN 18S esta asociado con la subunidad ribosomal pequeña. La ARN pol II sintetiza los mARNs y algunos de los pequeños ARNs nucleares (snARNs) implicados en el procesamiento del ARN. La ARN pol III sintetiza los tARNs, los rARN 5S y algunos snARNs.
Regreso al inicioMecanismo de las ARN Polimerasas
La síntesis del ARN exhibe varias características que son sinónimos con la replicación del DNA. La síntesis del ARN requiere de la iniciación exacta y eficiente, la elongación procede en la dirección 5'——>3' (es decir, la polimerasa se mueve a lo largo del filamento patrón del DNA en la dirección 3'——>5'), y la síntesis del ARN requiere de una terminación distinta y exacta. La transcripción exhibe varias características que son distintas de la replicación.
1. La transcripción se inicia tanto en procariotas como en eucariotas, desde muchos más sitios que la replicación.
2. Hay muchas más moléculas de la ARN polimerasa por célula que de la DNA polimerasa.
3. La ARN polimerasa procede en un rango mucho más lento que la DNA polimerasa (aproximadamente 50-100 bases/seg. para el ARN versus cerca de 1000 bases/seg. para el DNA).
4. Finalmente la fidelidad de la polimerización del ARN es mucho más baja que la del DNA. Esto es permisible puesto que las moléculas aberrantes del ARN pueden simplemente reciclarse y se pueden hacer nuevas moléculas correctamente hechas.
Regreso al inicioProcesos de Transcripción
Las señales están presentes dentro de la plantilla de ADN que actúan en cis para estimular la iniciación de la transcripción. Estas secuencias se denominan elementos promotores. Promotor secuencias de promover la capacidad de ARN polimerasa a reconocer el inicio de nucleótidos en la que comienza. Secuencia adicional de elementos están presentes en los genes que actúan en cis para mejorar aún más la actividad de la polimerasa. Estas secuencias se denominan elementos potenciadores. Transcripcional promotor y potenciador de los elementos son importantes las secuencias utilizadas en la control de la expresión génica.
E. coli RNA polimerasa se compone de 5 diferentes cadenas del polipéptido. Asociación de varios de estos genera la RNA polimerasa holoenzyme. La subunidad sigma es sólo transitoria asociada a la holoenzyme. Esta subunidad es necesario para la iniciación de la transcripción exacta de la polimerasa con el suministro de señales de que un buen comienzo sitio se ha encontrado. En ambos procarióticas transcripción eucariota y el primer incorporado ribonucleotide es una purina y es incorporado como una trifosfato. En E. coli varios nucleótidos se añaden antes de la subunidad sigma se disocia.
El proceso de inicio de transcripción eucariota ARNm es extremadamente complejo caso. Existen numerosos factores que controlan el inicio de proteína, algunos basales de los cuales son factores presentes en todas las células y otros son concretos a la celda tipo y / o el estado de diferenciación de la célula. Dos elementos basales promotor que se encuentran en prácticamente todos los genes de ARNm eucariotas son los TATA-box y la CAAT-box. Estos elementos se llama así porque las secuencias de ADN de la que constituyen el elemento promotor. La caja TATA se encuentra aproximadamente 20–25 bases aguas arriba del lugar para iniciar la transcripción y la caja CAAT es alrededor de 100 bases de río arriba. Muchos de los factores de transcripción basales son identificados por la hecho de que el control de la actividad de RNA pol II. Por lo tanto, la nomenclatura de estas proteínas es TFII, por factor de transcripción de RNA pol II. TFIID es el factor que se une a la TATA-box y su unión se ve facilitada por TFIIA. Una vez TFIID y TFIIA están obligados TFIIB y esto obliga a los reclutas del RNA pol II de la promotor. Siguiente TFIIE y TFIIH obligar. TFIIH es en realidad un complejo de proteínas y este complejo no es sólo participan en la transcripción, sino también en ciertas medidas de Reparación del ADN. La función de reparación del ADN en TFIIH puede considerarse como crítica ya que defectos en su función son responsables de ciertas formas de xerodermia pigmentosum. La función crítica de la iniciación TFIIH en la transcripción se debe el hecho de que una de las proteínas del complejo es una quinasa que fosforila un residuo de serina en el C-terminal de la gran amenaza de la subunidad de ARN pol II (este es identificado como serina Ser-5 y es diferente de la serina fosforilados por pTEF-b (que participan en el proceso de nivelación, véase más adelante). Después de transcripcional inicio ha comenzado y RNA pol II se mueve hacia abajo el ADN factores TFIIA plantilla y TFIID permanecen en el promotor para permitir más rondas de apertura que tendrá lugar.
Además implica el alargamiento de los 5'-ribonucleótidos de fosfato a la 3'–OH de la alargándose ARN con la concomitante liberación de pirofosfato. Nucleótidos Además continúa hasta la terminación específica señales encontradas. Tras la revocación de la polimerasa núcleo desvincula de la plantilla. En procarióticas transcripción, el núcleo y la subunidad sigma reassociate pueden formar de nuevo la holoenzyme dispuesta a iniciar otra ronda de la transcripción.
En E. coli transcripcional de terminación se produce por tanto el factor de dependencia y el factor de medios independientes. Dos características estructurales de todos los E. coli el factor de forma independiente por concluido los genes han sido identificados. Una característica es la presencia de 2 simétrica GC-ricos segmentos que son capaces de formar una estructura tallo-lazo en el ARN y el segundo es un Una rica secuencia en la plantilla. La formación del tallo de circuito en el ARN desestabiliza la relación entre la ADN polimerasa y la plantilla. Esto es aún más desestabilizada por la debilidad de la naturaleza de la UA de pares de bases que se forman, entre la plantilla y el ARN, a raíz de la raíz de circuito. Esto conduce a la disociación de la polimerasa y la terminación de la transcripción. La mayoría de los genes en E. coli terminar con este método. Factor que dependen de la terminación requiere el reconocimiento de la terminación de la terminación de las secuencias de proteínas, rho. El factor rho reconoce y se une a las secuencias en el 3' de la ARN. Esta unión desestabiliza la plantilla de la polimerasa-la interacción de la disociación de la polimerasa y la terminación de la transcripción.
Regreso al inicioProceso Post-transcripción de los ARNs
Cuando la transcripción de los rARNs y tARNs bacterianos se termina estos están inmediatamente listos para ser usados en la traducción. Ningún proceso adicional ocurre. La traducción de los mARNs bacterianos puede comenzar incluso antes que la transcripción esté terminada debido a la carencia de separación nuclear citoplasmática que existe en eucariotas. La capacidad para iniciar la traducción de los ARNs procarióticos mientras la transcripción todavía está en progreso produce una oportunidad única para regular la transcripción de ciertos genes. Una característica adicional de los mARNs bacterianos es que la mayoría son policistrónicos. Esto significa que múltiples polipéptidos pueden ser sintetizados a partir de un transcripto primario.
Los mARNs policistrónicos son muy raros en las células eucarióticas pero han sido identificados. Los genomas mitocondriales en los mamíferos y en el Distyostelium discoideum, codifican los mARNs policistrónicos que son procesados en transcripciones primarias mono, di-, y tricistrónicas. Además, varios virus codifican los ARNs policistrónicos.
En contraste con las transcripciones bacterianas, los ARNs eucarióticos (las 3 clases) experimentan procesamiento de post-transcripción que es significativo. Las 3 clases de ARNs son transcritas de los genes que contienen intrones. Las secuencias codificadas por el DNA intrónico deben ser removidas del transcripto primario antes que los ARNs sean biológicamente activos. El proceso de remoción del intrón es llamado empalme (splicing) del ARN. El proceso adicional ocurre en los mARNs. Los extremos 5' de todos los mARNs eucarióticos son bloqueados (capped) con una unión única 5'——>5' a un residuo 7-metil guanosina. El extremo bloqueado (capped) del mARN es entonces, protegido de las exonucleasas y es reconocido por las proteínas específicas de la maquinaria de traducción.
Estructura de la capsula 5' de los mARNs eucarióticos
Los ARN mensajeros también son poliadenilados en el extremo 3'. Una secuencia específica, AAUAAA, es reconocida por la actividad endonucleasa de la polimerasa de poliadenilato que rompe el transcripto primario aproximadamente entre 11–30 pares de bases 3' del elemento de secuencia, entonces un segmento de 20–250 residuos A es añadido al extremo 3' por la actividad polimerasa de poliadenilato.
Procesos de Poliadenilación
Además de la remoción de los intrones en los tARNs, nucleótidos adicionales son rotos tanto en el extremo 5' como en el 3', la secuencia 5'–CCA–3' se añade al extremo 3' de todos los tARNs y varios nucleótidos experimentan modificación. Ha habido más de 60 diferentes bases modificadas identificadas en los tARNs.
Los rARNs procarióticos y eucarióticos son sintetizados como precursores largos llamados ARNs preribosomales. En eucariotas un ARN 45S preribosomal sirve como el precursor para los rARNs 18S, 28S y 5.8S.
Regreso al inicioProcesamiento (splicing) de los ARNs
Hay diversas clases de reacciones implicadas en la remoción de los intrones. Las 2 más comunes son los intrones del grupo I y del grupo II. Los intrones del grupo I son encontrados en los genes rARN nucleares, mitocondriales y del cloroplasto, los del grupo II en genes mARN mitocondriales y del cloroplasto. Muchos de los intrones del grupo I y del grupo II son autoprocesados (self splicing), es decir, no son necesarios factores proteicos adicionales para que los intrones sean eliminados (splice out) eficiente y exactamente.
Los intrones del grupo I requieren un nucleótido externo de guanosina como cofactor. El 3'-OH del nucleótido de guanosina actúa como un nucleofilo que ataca al 5'-fosfato del 5' nucleótido del intrón. El 3'-OH resultante en el 3' terminal del exón 5' entonces ataca el 5'nucleótido del exón 3' liberando el intrón y covalentemente adhiriendo a los dos exones. El extremo 3' del exón 5' es denominado sitio donante del empalme y el extremo 5' del exón 3' se denomina el sitio receptor del empalme.
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Empalme por intrones grupo 1 |
Empalme por intrones grupo 2 |
Los intrones del grupo II se empalman semejantemente excepto que en vez de un nucleofilo externo los 2'-OH de un residuo de adenina dentro del intrón es el nucleofilo. Este residuo ataca el nucleoido 3' del exón 5' formando un lazo interno llamado estructura de lazo. El extremo 3' del exón 5' entonces ataca el extremo 5' del exón 3' como en el empalme del grupo I liberando el intrón y uniendo covalentemente los dos exones.
La tercera clase de intrones es también la clase más grande que se encuentra en los mARNs nucleares. Esta clase de intrones experimenta una reacción de empalme similar a los intrones del grupo II en donde una estructura interna de lazo se forma. Sin embargo, el empalme es catalizado por los complejos especializados ARN proteína llamadas pequeñas partículas nucleares de ribonucleoproteína (snRNPs, pronunciado snurps). Los ARNs encontrados en los snRNPs son identificados como U1, U2, U4, U5 y U6. Los genes que codifican estos snARNs son altamente conservados en vertebrados e insectos y también se encuentran en levaduras y en Distyostelium discoideum indicando su importancia.
El análisis de un gran número de genes de mARN ha conducido a la identificación de consenso de secuencias altamente conservadas en los extremos 5' y 3' de todos los intrones de mARN.
El ARN U1 tiene secuencias que son complementarias a las secuencias cerca del extremo 5' del intrón. La unión del ARN U1 distingue el GU en el extremo 5' del intrón de otras secuencias aleatoriamente puestas de GU en el mARNs. El ARN U2 también reconoce secuencias en el intrón, en este caso cerca del extremo 3'. La adición de ARNs U4, U5 y U6 forma un complejo identificado como espliceosoma que después remueve el intrón y ensambla los dos exones.
Un mecanismo adicional de remoción del intrón es el proceso de empalme del tARN. Estos intrones son empalmados por una endonucleasa específica de empalme que involucra un mecanismo de cortar y pegar. Para que la remoción del intrón del tARN ocurra el tARN debe primero ser doblado correctamente en su forma característica de hoja de trébol. Los precursores mal doblados de tARNs no son procesados, lo que permite que la reacción de empalme sirva como un paso de control en la generación de tARNs maduros.
Regreso al inicioSignificado Clínico del Procesamiento (splicing) Alternativo y Aberrante
La presencia de intrones en los genes eucarióticos parecería ser una pérdida extrema de energía celular cuando se considera el número de nucleótidos incorporados en el transcripto primario y que luego son eliminados, así como también por la energía utilizada en la síntesis de la maquinaria de empalme. Sin embargo, la presencia de intrones puede proteger el genoma de un organismo del daño genético por influencias externas tales como productos químicos o radiación. Una función adicional importante de los intrones es permitir que ocurra el empalme alternativo, de tal modo, aumentando la diversidad genética del genoma sin el aumento del número total de genes. Por alteración de los patrones de exones de un solo transcripto primario, que son empalmados juntos, diferentes proteínas pueden presentarse del mARN procesado a partir de un solo gen. El empalme alternativo puede ocurrir tanto en las etapas específicas de desarrollo o en los diferentes tipos de células.
Este proceso de empalme alternativo ha sido identificado en los transcriptos primarios de por lo menos 40 genes diferentes. Dependiendo del sitio de la transcripción, el gen de calcitonina produce un ARN que sintetiza la calcitonina (tiroides) o el péptido relacionado con el gen de calcitonina (CGRP, cerebro). Aún más complejo es el empalme alternativo eso ocurre en el transcripto de la α-tropomiosina. Se han identificado al menos 8 diferentes mARNs de α-tropomiosina empalmados alternativamente.
Las anormalidades en el proceso de empalme pueden conducir a varios estados de enfermedad. Muchos defectos en los genes de β-globina se conoce que conducen a las β-talasemias. Algunos de estos defectos son causados por mutaciones en las secuencias del gen que se requiere para el reconocimiento del intrón y, por lo tanto, resulta en un proceso anormal en el transcripto primario de la β-globina.
Los pacientes que sufren de varias enfermedades del tejido conectivo tienen autoanticuerpos que reconocen complejos celulares ARN-proteína. Pacientes que sufren de lupus eritematoso sistémico tienen autoanticuerpos que reconocen el ARN U1 del espliceosoma.
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Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu