Un gen estructural es un gen que codifica cualquier ARN o producto proteico distinto de un factor regulador (es decir, proteína reguladora ). Los genes estructurales, un término derivado del operón lac , generalmente se consideran aquellos que contienen secuencias de ADN correspondientes a los aminoácidos de una proteína que se producirá, siempre que dicha proteína no funcione para regular la expresión génica. Los productos de genes estructurales incluyen enzimas y proteínas estructurales. También codificados por genes estructurales están los ARN no codificantes, como los ARNr y los ARNt (pero excluyendo los miARN y los ARNip reguladores ).
Colocación en el genoma.
En los procariotas , los genes estructurales de función relacionada suelen estar adyacentes entre sí en una sola cadena de ADN, formando un operón . Esto permite una regulación más sencilla de la expresión genética, ya que un único factor regulador puede afectar la transcripción de todos los genes asociados. Esto se ilustra mejor con el bien estudiado operón lac , en el que tres genes estructurales ( lacZ , lacY y lacA ) están regulados por un único promotor y un único operador. Los genes estructurales procarióticos se transcriben en un ARNm policistrónico y posteriormente se traducen. [1]
En los eucariotas , los genes estructurales no están colocados de forma secuencial. En cambio, cada gen está compuesto por exones codificantes e intrones no codificantes intercalados . Las secuencias reguladoras se encuentran típicamente en regiones no codificantes aguas arriba y aguas abajo del gen. Los ARNm de genes estructurales deben cortarse antes de la traducción para eliminar las secuencias intrónicas. Esto, a su vez, se presta al fenómeno eucariota del empalme alternativo , en el que un único ARNm de un único gen estructural puede producir varias proteínas diferentes en función de los exones que se incluyen. A pesar de la complejidad de este proceso, se estima que hasta el 94% de los genes humanos están empalmados de alguna manera. [2] Además, se producen diferentes patrones de empalme en diferentes tipos de tejido. [3]
Una excepción a esta disposición en los eucariotas son los genes de las proteínas histonas, que carecen por completo de intrones. [4] También son distintos los grupos de ADNr de genes estructurales, en los que las secuencias 28S, 5.8S y 18S son adyacentes, separadas por espaciadores cortos transcritos internamente, y de la misma manera el ADNr 45S se encuentra en cinco lugares distintos del genoma, pero está agrupado en repeticiones adyacentes. En las eubacterias, estos genes están organizados en operones. Sin embargo, en las arqueobacterias estos genes no son adyacentes y no presentan ningún vínculo. [5]
Papel en las enfermedades humanas
La identificación de la base genética del agente causante de una enfermedad puede ser un componente importante para comprender sus efectos y su propagación. La ubicación y el contenido de los genes estructurales pueden dilucidar la evolución de la virulencia [6] , así como proporcionar la información necesaria para el tratamiento. Asimismo, comprender los cambios específicos en las secuencias genéticas estructurales que subyacen a una ganancia o pérdida de virulencia ayuda a comprender el mecanismo por el cual las enfermedades afectan a sus huéspedes. [7]
Por ejemplo, se descubrió que Yersinia pestis (la peste bubónica ) portaba varios genes estructurales relacionados con la virulencia y la inflamación en los plásmidos. [8] Asimismo, se determinó que el gen estructural responsable del tétanos también se encuentra en un plásmido. [9] La difteria es causada por una bacteria, pero sólo después de que esa bacteria ha sido infectada por un bacteriófago que porta los genes estructurales de la toxina. [10]
En el virus del herpes simple , la secuencia del gen estructural responsable de la virulencia se encontró en dos lugares del genoma a pesar de que solo un lugar produce realmente el producto del gen viral. Se planteó la hipótesis de que esto serviría como un mecanismo potencial para que las cepas recuperaran la virulencia si se perdieran por mutación. [11]
Comprender los cambios específicos en los genes estructurales que subyacen a una ganancia o pérdida de virulencia es un paso necesario en la formación de tratamientos específicos, así como en el estudio de posibles usos medicinales de las toxinas. [10]
filogenética
Ya en 1974, la similitud de secuencias de ADN fue reconocida como una herramienta valiosa para determinar las relaciones entre taxones. [12] Los genes estructurales en general están mejor conservados debido a restricciones funcionales y, por lo tanto, pueden resultar útiles en exámenes de taxones más dispares. Los análisis originales enriquecieron muestras en busca de genes estructurales mediante hibridación con ARNm. [13]
Los enfoques filogenéticos más recientes se centraron en genes estructurales de función conocida, conservados en diversos grados. Las secuencias de ARNr son objetivos frecuentes, ya que se conservan en todas las especies. [14] La microbiología se ha centrado específicamente en el gen 16S para determinar las diferencias a nivel de especie. [15] En taxones de orden superior, el COI ahora se considera el “código de barras de la vida” y se aplica para la mayoría de las identificaciones biológicas. [dieciséis]
Debate
A pesar de la clasificación generalizada de los genes como estructurales o reguladores, estas categorías no constituyen una división absoluta. Descubrimientos genéticos recientes ponen en duda la distinción entre genes reguladores y estructurales. [17]
La distinción entre genes reguladores y estructurales se puede atribuir al trabajo original de 1959 sobre la expresión de la proteína del operón Lac. [18] En este caso, se detectó una única proteína reguladora que afectó la transcripción de las otras proteínas que ahora se sabe que componen el operón Lac. A partir de este momento, se separaron los dos tipos de secuencias codificantes. [18]
Sin embargo, los crecientes descubrimientos sobre la regulación genética sugieren una mayor complejidad. La expresión de genes estructurales está regulada por numerosos factores, incluida la epigenética (p. ej., metilación), ARNi y más. Los genes reguladores y estructurales pueden regularse epigenéticamente de manera idéntica, por lo que no toda la regulación está codificada por "genes reguladores". [17]
También hay ejemplos de proteínas que no encajan decididamente en ninguna de las categorías, como las proteínas chaperonas . Estas proteínas ayudan en el plegamiento de otras proteínas, una función aparentemente reguladora. [19] [20] Sin embargo, estas mismas proteínas también ayudan en el movimiento de sus proteínas acompañantes a través de las membranas, [21] y ahora se han implicado en las respuestas inmunes (ver Hsp60 ) [22] y en la vía apoptótica (ver Hsp70 ). [23]
Más recientemente, se descubrió que los microARN se producían a partir de espaciadores internos transcritos de genes de ARNr. [24] Así, un componente interno de un gen estructural es, de hecho, regulador. También se detectaron sitios de unión para microARN dentro de secuencias codificantes de genes. Normalmente, los ARN de interferencia se dirigen a la 3'UTR, pero la inclusión de sitios de unión dentro de la secuencia de la proteína misma permite que las transcripciones de estas proteínas regulen eficazmente los microARN dentro de la célula. Se demostró que esta interacción tiene un efecto sobre la expresión y, por lo tanto, nuevamente un gen estructural contiene un componente regulador. [25]
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enlaces externos
- Modelo de Lac Operon
- El navegador de proteínas SGC
- Base de datos SILVA de datos de secuencias de ARNr alineados
- Base de datos Barcode of Life de especies con códigos de barras COI