En genética molecular , las tres regiones principales no traducidas ( 3′-UTR ) es la sección del ARN mensajero (ARNm) que sigue inmediatamente al codón de terminación de la traducción . La 3′-UTR a menudo contiene regiones reguladoras que influyen postranscripcionalmente en la expresión génica .
Durante la expresión genética , una molécula de ARNm se transcribe a partir de la secuencia de ADN y luego se traduce en una proteína . Varias regiones de la molécula de ARNm no se traducen en una proteína, incluida la tapa 5' , la región no traducida 5' , la región no traducida 3' y la cola poli(A) . Las regiones reguladoras dentro de la región 3' no traducida pueden influir en la poliadenilación , la eficiencia de la traducción, la localización y la estabilidad del ARNm. [1] [2] La 3′-UTR contiene sitios de unión tanto para proteínas reguladoras como para microARN (miARN). Al unirse a sitios específicos dentro de la 3′-UTR, los miARN pueden disminuir la expresión génica de varios ARNm al inhibir la traducción o causar directamente la degradación de la transcripción. La 3′-UTR también tiene regiones silenciadoras que se unen a proteínas represoras e inhibirán la expresión del ARNm.
Muchas 3′-UTR también contienen elementos ricos en AU (ARE). Las proteínas se unen a los ARE para afectar la estabilidad o la tasa de descomposición de las transcripciones de manera localizada o afectar el inicio de la traducción. Además, la 3′-UTR contiene la secuencia AAUAAA que dirige la adición de varios cientos de residuos de adenina llamados cola poli(A) al final del transcrito de ARNm. La proteína de unión poli(A) (PABP) se une a esta cola, contribuyendo a la regulación de la traducción, estabilidad y exportación del ARNm. Por ejemplo, la PABP unida a la cola poli(A) interactúa con proteínas asociadas con el extremo 5' del transcrito, provocando una circularización del ARNm que promueve la traducción.
La 3′-UTR también puede contener secuencias que atraen proteínas para asociar el ARNm al citoesqueleto , transportarlo hacia o desde el núcleo celular , o realizar otros tipos de localización. Además de las secuencias dentro de la 3′-UTR, las características físicas de la región, incluida su longitud y estructura secundaria , contribuyen a la regulación de la traducción. Estos diversos mecanismos de regulación genética garantizan que los genes correctos se expresen en las células correctas en el momento adecuado.
La 3′-UTR del ARNm tiene una gran variedad de funciones reguladoras que están controladas por las características físicas de la región. Una de esas características es la longitud de la 3′-UTR, que en el genoma de los mamíferos tiene una variación considerable. Esta región de la transcripción del ARNm puede oscilar entre 60 nucleótidos y aproximadamente 4000. [3] En promedio, la longitud de la 3′-UTR en humanos es de aproximadamente 800 nucleótidos, mientras que la longitud promedio de las 5'-UTR es de solo aproximadamente 200 nucleótidos. [4] La longitud de la 3′-UTR es significativa ya que las 3′-UTR más largas se asocian con niveles más bajos de expresión genética. Una posible explicación para este fenómeno es que las regiones más largas tienen una mayor probabilidad de poseer más sitios de unión de miARN que tienen la capacidad de inhibir la traducción. Además de la longitud, la composición de nucleótidos también difiere significativamente entre 5' y 3'-UTR. El porcentaje medio de G+C de la 5'-UTR en vertebrados de sangre caliente es aproximadamente del 60% en comparación con sólo el 45% de las 3′-UTR. Esto es importante porque se ha observado una correlación inversa entre el% G+C de 5' y 3′-UTR y sus longitudes correspondientes. Las UTR pobres en GC tienden a ser más largas que las ubicadas en regiones genómicas ricas en GC. [4]
Las secuencias dentro de la 3′-UTR también tienen la capacidad de degradar o estabilizar la transcripción del ARNm. Las modificaciones que controlan la estabilidad de una transcripción permiten controlar rápidamente la expresión de un gen sin alterar las tasas de traducción. Un grupo de elementos en la 3′-UTR que puede ayudar a desestabilizar una transcripción de ARNm son los elementos ricos en AU (ARE). Estos elementos varían en tamaño de 50 a 150 pares de bases y generalmente contienen múltiples copias del pentanucleótido AUUUA. Los primeros estudios indicaron que los ARE pueden variar en secuencia y dividirse en tres clases principales que difieren en el número y disposición de los motivos. [1] Otro conjunto de elementos que está presente tanto en 5' como en 3′-UTR son los elementos de respuesta al hierro (IRE). El IRE es una estructura de tallo-bucle dentro de las regiones no traducidas de los ARNm que codifican proteínas involucradas en el metabolismo celular del hierro. La transcripción de ARNm que contiene este elemento se degrada o se estabiliza dependiendo de la unión de proteínas específicas y de las concentraciones de hierro intracelular. [3]
La 3′-UTR también contiene secuencias que indican que se realizarán adiciones, ya sea a la transcripción misma o al producto de la traducción. Por ejemplo, hay dos señales de poliadenilación diferentes presentes dentro de la 3′-UTR que señalan la adición de la cola poli(A). Estas señales inician la síntesis de la cola poli(A) con una longitud definida de aproximadamente 250 pares de bases. [1] La señal principal utilizada es la señal de poliadenilación nuclear (PAS) con la secuencia AAUAAA ubicada hacia el final de la 3′-UTR. [3] Sin embargo, durante el desarrollo temprano, la poliadenilación citoplasmática puede ocurrir y regular la activación traduccional de los ARNm maternos. El elemento que controla este proceso se llama CPE, que es rico en AU y también está ubicado en la 3′-UTR. El CPE generalmente tiene la estructura UUUUUUAU y suele estar dentro de los 100 pares de bases del PAS nuclear. [3] Otra adición específica señalizada por la 3′-UTR es la incorporación de selenocisteína en los codones UGA de los ARNm que codifican selenoproteínas. Normalmente, el codón UGA codifica una parada de la traducción, pero en este caso una estructura de tallo-bucle conservada llamada secuencia de inserción de selenocisteína (SECIS) provoca la inserción de selenocisteína. [4]
La región 3′ no traducida juega un papel crucial en la expresión génica al influir en la localización, estabilidad, exportación y eficiencia de traducción de un ARNm. Contiene varias secuencias que participan en la expresión génica, incluidos los elementos de respuesta de microARN (MRE), los elementos ricos en AU (ARE) y la cola poli(A). Además, las características estructurales de la 3′-UTR, así como su uso de poliadenilación alternativa, desempeñan un papel en la expresión génica.
La 3′-UTR a menudo contiene elementos de respuesta de microARN (MRE), que son secuencias a las que se unen los miARN. Los miARN son moléculas de ARN cortas y no codificantes capaces de unirse a transcripciones de ARNm y regular su expresión. Un mecanismo de miARN implica el emparejamiento de bases parcial de la secuencia semilla 5' de un miARN con un MRE dentro de la 3'-UTR de un ARNm; esta unión provoca entonces una represión traslacional.
Además de contener MRE, la 3′-UTR también suele contener elementos ricos en AU (ARE) , que tienen una longitud de 50 a 150 pb y generalmente incluyen muchas copias de la secuencia AUUUA. Las proteínas de unión a ARE (ARE-BP) se unen a elementos ricos en AU de una manera que depende del tipo de tejido, el tipo de célula, el momento, la localización celular y el entorno. En respuesta a diferentes señales intracelulares y extracelulares, las ARE-BP pueden promover la descomposición del ARNm, afectar la estabilidad del ARNm o activar la traducción. Este mecanismo de regulación genética está implicado en el crecimiento celular, la diferenciación celular y la adaptación a estímulos externos. Por tanto, actúa sobre transcritos que codifican citoquinas , factores de crecimiento , supresores de tumores, protooncogenes , ciclinas , enzimas , factores de transcripción , receptores y proteínas de membrana . [1]
La cola poli(A) contiene sitios de unión para proteínas de unión poli(A) (PABP). Estas proteínas cooperan con otros factores para afectar la exportación, la estabilidad, la descomposición y la traducción de un ARNm. Las PABP unidas a la cola poli(A) también pueden interactuar con proteínas, como los factores de iniciación de la traducción, que están unidas a la tapa 5' del ARNm. Esta interacción provoca la circularización de la transcripción, lo que posteriormente promueve el inicio de la traducción. Además, permite una traducción eficiente al provocar el reciclaje de ribosomas . [1] [2] Si bien la presencia de una cola poli(A) generalmente ayuda a desencadenar la traducción, la ausencia o eliminación de una a menudo conduce a la degradación del ARNm mediada por exonucleasa. La propia poliadenilación está regulada por secuencias dentro de la 3′-UTR del transcrito. Estas secuencias incluyen elementos de poliadenilación citoplasmática (CPE), que son secuencias ricas en uridina que contribuyen tanto a la activación como a la represión de la poliadenilación. La proteína de unión a CPE (CPEB) se une a las CPE junto con una variedad de otras proteínas para provocar diferentes respuestas. [2]
Si bien la secuencia que constituye la 3′-UTR contribuye en gran medida a la expresión génica, las características estructurales de la 3′-UTR también desempeñan un papel importante. En general, las 3'-UTR más largas corresponden a tasas de expresión más bajas, ya que a menudo contienen más sitios de unión de miARN y proteínas que participan en la inhibición de la traducción. [1] [2] [5] Las transcripciones humanas poseen 3′-UTR que son, en promedio, dos veces más largas que las 3′-UTR de otros mamíferos. Esta tendencia refleja el alto nivel de complejidad involucrado en la regulación de los genes humanos. Además de la longitud, la estructura secundaria de la región 3' no traducida también tiene funciones reguladoras. Los factores proteicos pueden ayudar o alterar el plegamiento de la región en diversas estructuras secundarias. La estructura más común es un tallo-bucle, que proporciona un andamio para las proteínas de unión al ARN y los ARN no codificantes que influyen en la expresión de la transcripción. [1]
Otro mecanismo que involucra la estructura de la 3′-UTR se llama poliadenilación alternativa (APA), que da como resultado isoformas de ARNm que difieren solo en sus 3′-UTR. Este mecanismo es especialmente útil para organismos complejos , ya que proporciona un medio para expresar la misma proteína pero en diferentes cantidades y ubicaciones. Es utilizado por aproximadamente la mitad de los genes humanos. El APA puede resultar de la presencia de múltiples sitios de poliadenilación o exones terminales mutuamente excluyentes . Dado que puede afectar la presencia de sitios de unión de proteínas y miARN, el APA puede provocar una expresión diferencial de transcripciones de ARNm al influir en su estabilidad, exportación al citoplasma y eficiencia de traducción. [1] [5] [6]
Los científicos utilizan varios métodos para estudiar las complejas estructuras y funciones de la 3′UTR. Incluso si se demuestra que una 3′-UTR determinada en un ARNm está presente en un tejido, se deben determinar los efectos de la localización, la vida media funcional, la eficiencia de la traducción y los elementos de acción trans para comprender la funcionalidad completa de la 3′-UTR. . [7] Los enfoques computacionales, principalmente mediante análisis de secuencia, han demostrado la existencia de ARE en aproximadamente del 5 al 8 % de las 3′-UTR humanas y la presencia de uno o más objetivos de miARN en hasta el 60 % o más de las 3′ humanas. -UTR. El software puede comparar rápidamente millones de secuencias a la vez para encontrar similitudes entre varias UTR 3' dentro del genoma. Se han utilizado enfoques experimentales para definir secuencias que se asocian con proteínas de unión a ARN específicas; Específicamente, las mejoras recientes en las técnicas de secuenciación y entrecruzamiento han permitido un mapeo preciso de los sitios de unión de proteínas dentro del transcrito. [8] Las mutaciones específicas de sitio inducidas, por ejemplo aquellas que afectan el codón de terminación, la señal de poliadenilación o la estructura secundaria de la 3′-UTR, pueden mostrar cómo las regiones mutadas pueden causar desregulación de la traducción y enfermedades. [9] Estos tipos de métodos de transcripción deberían ayudar a nuestra comprensión de los elementos cis conocidos y los factores reguladores trans dentro de las 3′-UTR.
Las mutaciones 3′-UTR pueden tener muchas consecuencias porque una alteración puede ser responsable de la expresión alterada de muchos genes. Transcripcionalmente, una mutación puede afectar sólo al alelo y a los genes que están físicamente vinculados. Sin embargo, dado que las proteínas de unión 3′-UTR también funcionan en el procesamiento y la exportación nuclear del ARNm, una mutación también puede afectar a otros genes no relacionados. [9] La desregulación de las proteínas de unión a ARE (AUBP) debido a mutaciones en regiones ricas en AU puede provocar enfermedades que incluyen tumorigénesis (cáncer), neoplasias malignas hematopoyéticas, leucemogénesis y trastornos del espectro autista/retraso del desarrollo. [10] [11] [12] Un número ampliado de repeticiones de trinucleótidos (CTG) en la 3'-UTR del gen de la proteína quinasa de la distrofia miotónica (DMPK) causa distrofia miotónica . [7] La inserción retrotransposición de 3 kilobases de secuencias repetidas en tándem dentro de la 3′-UTR de la proteína fukutina está relacionada con la distrofia muscular congénita de tipo Fukuyama. [7] Los elementos en la 3′-UTR también se han relacionado con la leucemia mieloide aguda humana , la alfa-talasemia , el neuroblastoma , la queratinopatía , la aniridia , el síndrome IPEX y los defectos cardíacos congénitos . [9] Las pocas enfermedades mediadas por UTR identificadas sólo dan una idea de los innumerables vínculos que aún están por descubrir.
A pesar de la comprensión actual de las 3′-UTR, siguen siendo relativos misterios. Dado que los ARNm suelen contener varios elementos de control superpuestos, a menudo es difícil especificar la identidad y función de cada elemento 3′-UTR, y mucho menos los factores reguladores que pueden unirse en estos sitios. Además, cada 3′-UTR contiene muchos elementos alternativos ricos en AU y señales de poliadenilación. Estos elementos que actúan en cis y trans, junto con los miARN, ofrecen una gama prácticamente ilimitada de posibilidades de control dentro de un solo ARNm. [7] Las investigaciones futuras mediante el mayor uso de perfiles de ribosomas basados en secuenciación profunda revelarán más sutilezas regulatorias, así como nuevos elementos de control y AUBP. [1]
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