El código genético se denomina con frecuencia «plan maestro» porque contiene las instrucciones que una célula necesita para mantenerse.
Ahora sabemos que hay más en estas instrucciones que simplemente la secuencia de letras en el código de nucleótidos.
Por ejemplo, grandes cantidades de evidencia demuestran que este código es la base para la producción de varias moléculas, incluyendo ARN y proteína. La investigación también ha demostrado que las instrucciones almacenadas en el ADN se «leen» en dos pasos: transcripción y traducción.
En la transcripción, una porción del molde de ADN bicatenario da lugar a una molécula de ARN monocatenario. En algunos casos, la molécula de ARN en sí misma es un «producto terminado» que cumple una función importante dentro de la célula.
A menudo, sin embargo, la transcripción de una molécula de ARN es seguida por una etapa de traducción, que finalmente da como resultado la producción de una molécula de proteína.
Transcripción
Una micrografía electrónica muestra hebras negras de cromatina sobre un fondo gris. Los hilos de cromatina se ven como líneas finas y verticales.
Las líneas horizontales se ramifican desde las líneas verticales a la izquierda y a la derecha; las líneas horizontales se parecen a las ramas de un árbol de pino.
Las estructuras circulares negras oscuras al final de cada rama son perillas terminales y contienen maquinaria de procesamiento de ARN.
El proceso de transcripción se puede visualizar mediante microscopía electrónica, de hecho, se observó por primera vez usando este método en 1970. En estas primeras micrografías electrónicas, las moléculas de ADN aparecen como «troncos», con muchas «ramas» de ARN que se extienden desde ellas.
Cuando DNAse y RNA se (enzimas que degradan el ADN y el ARN, respectivamente) se añadieron a las moléculas, la aplicación de DNAsa eliminó las estructuras del tronco, mientras que el uso de RNAse eliminó las ramas.
El ADN es bicatenario, pero solo una cadena sirve como plantilla para la transcripción en cualquier momento dado. Esta cadena de plantilla se denomina cadena no codificante. La cadena no estampar se denomina la cadena codificante porque su secuencia será la misma que la de la nueva molécula de ARN.
En la mayoría de los organismos, la cadena de ADN que sirve de plantilla para un gen puede ser la cadena no variable para otros genes dentro del mismo cromosoma.
El proceso de transcripción
El proceso de transcripción comienza cuando una enzima llamada ARN polimerasa (ARN pol) se une a la cadena de ADN molde y comienza a catalizar la producción de ARN complementario.
Las polimerasas son enzimas grandes compuestas por aproximadamente una docena de subunidades, y cuando están activas en el ADN, también suelen estar formando complejos con otros factores. En muchos casos, estos factores indican qué gen se transcribe.
Etapas de la transcripción:
El primer paso en la transcripción es la iniciación, cuando el ARN pol se une al ADN corriente del gen en una secuencia especializada llamada promotor. En las bacterias, los promotores generalmente se componen de tres elementos de secuencia, mientras que en los eucariotas, hay hasta siete elementos.
En procariotas, la mayoría de los genes tienen una secuencia llamada Pribnow box, con la secuencia consenso TATAAT situada a unos diez pares de bases del sitio que sirve como la ubicación de la iniciación de la transcripción.
No todas las cajas de Pribnow tienen esta secuencia de nucleótidos exacta; estos nucleótidos son simplemente los más comunes encontrados en cada sitio. Aunque se producen sustituciones, cada recuadro, sin embargo, se parece bastante a este consenso.
Muchos genes también tienen la secuencia consenso TTGCCA en una posición 35 bases aguas arriba del sitio de inicio, y algunos tienen lo que se denomina un elemento ascendente, que es una región rica en AT de 40 a 60 nucleótidos cadena arriba que aumenta la tasa de transcripción.
En cualquier caso, al unirse, la «enzima central» del ARN pol se une a otra subunidad llamada subunidad sigma para formar una holoezima capaz de desenrollar la doble hélice del ADN para facilitar el acceso al gen.
La subunidad sigma transmite la especificidad del promotor a la ARN polimerasa; es decir, es responsable de decirle a la ARN polimerasa dónde unirse. Hay varias subunidades sigma diferentes que se unen a diferentes promotores y, por lo tanto, ayudan a activar y desactivar los genes a medida que cambian las condiciones.
Los promotores eucariotas son más complejos que sus contrapartes procariotas, en parte porque los eucariotas tienen las tres clases de ARN polimerasa antes mencionadas que transcriben diferentes conjuntos de genes.
Muchos genes eucarióticos también poseen secuencias potenciadoras, que se pueden encontrar a distancias considerables de los genes que afectan.
Las secuencias potenciadoras controlan la activación del gen uniéndose a las proteínas activadoras y alterando la estructura 3-D del ADN para ayudar a «atraer» el ARN pol II, regulando así la transcripción.
Debido a que el ADN eucariótico está empaquetado de manera hermética como la cromatina, la transcripción también requiere una serie de proteínas especializadas que ayudan a que la cadena de la plantilla sea accesible.
Terminación de la transcripción
Las secuencias de terminación independientes de rho detienen la transcripción. Los terminadores independientes de Rho contienen repeticiones invertidas seguidas de una cola de adenina.
Cuando las repeticiones invertidas se transcriben al final de una secuencia de ARNm, las repeticiones invertidas pueden formar un asa en horquilla, lo que hace que la ARN polimerasa detenga la transcripción.
Cuando los enlaces rompen entre los pares de bases de adenina-uracilo en la cola de adenina, se libera el ARNm y se interrumpe la transcripción.
Las secuencias repetidas invertidas al final de un gen permiten el plegamiento de la secuencia de ARN recién transcrita en un bucle de horquilla. Esto termina la transcripción y estimula la liberación de la cadena de ARNm de la maquinaria de transcripción.
Las secuencias
Las secuencias de terminador se encuentran cerca de los extremos de las secuencias que no codifican. Las bacterias poseen dos tipos de estas secuencias.
En los terminadores independientes de rho, las secuencias de repetición invertidas se transcriben; luego pueden doblarse sobre sí mismos en bucles de horquilla, haciendo que RNA pol se detenga y se libere la transcripción.
Por otro lado, los terminadores dependientes de rho hacen uso de un factor llamado rho, que desenrolla activamente el híbrido ADN-ARN formado durante la transcripción, liberando así el ARN recién sintetizado.
En eucariotas, la terminación de la transcripción ocurre por diferentes procesos, dependiendo de la polimerasa exacta utilizada. Para los genes pol I, la transcripción se detiene usando un factor de terminación, a través de un mecanismo similar a la terminación dependiente de rho en bacterias.
La transcripción de genes pol III termina después de transcribir una secuencia de terminación que incluye un estiramiento de poliuracilo, mediante un mecanismo que se parece a la terminación procariótica independiente de rho. Sin embargo, la terminación de las transcripciones de pol II es más compleja.
La transcripción de genes pol II puede continuar durante cientos o incluso miles de nucleótidos más allá del final de una secuencia no codificante. La cadena de ARN luego se divide por un complejo que parece asociarse con la polimerasa.
La escisión parece estar acoplada con la terminación de la transcripción y ocurre en una secuencia consenso. Los ARNm de pol II maduros se poliadenilan en el extremo 3 ‘, dando como resultado una cola poli (A); este proceso sigue la división y también se coordina con la terminación.
Tanto la poliadenilación como la terminación hacen uso de la misma secuencia de consenso, y la interdependencia de los procesos se demostró a fines de la década de 1980 por el trabajo de varios grupos.
Un grupo de científicos que trabajan con genes de globina de ratón mostró que la introducción de mutaciones en la secuencia consenso AATAAA, que se sabe que es necesaria para la adición de poli (A), inhibía tanto la poliadenilación como la terminación de la transcripción.
Midieron la extensión de la terminación hibridando transcripciones con los diferentes mutantes de secuencia de consenso poli (A) con transcritos de tipo salvaje, y pudieron ver una disminución en la señal de hibridación, sugiriendo que se inhibía la terminación apropiada.
Por lo tanto, concluyeron que la poliadenilación era necesaria para la terminación (Logan et al., 1987).
Otro grupo obtuvo resultados similares usando un sistema viral mono, SV40 (virus simio 40). Introdujeron mutaciones en un sitio poli (A), lo que provocó que los ARNm se acumularan a niveles muy por encima del tipo salvaje (Connelly y Manley, 1988).
Relación de escisión y terminación
La relación exacta entre la escisión y la terminación aún no se ha determinado.
Un modelo supone que la escisión en sí desencadena la terminación; otro propone que la actividad de la polimerasa se ve afectada cuando pasa a través de la secuencia consenso en el sitio de corte, quizás a través de cambios en los factores de activación transcripcional asociados.
Por lo tanto, la investigación en el área de la transcripción procariota y eucariota todavía se centra en desentrañar los detalles moleculares de este complejo proceso, datos que nos permitirán comprender mejor cómo se transcriben y silencian los genes.
