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Ráfaga transcripcional

La ráfaga transcripcional , también conocida como pulso transcripcional , es una propiedad fundamental de los genes en la que la transcripción de ADN a ARN puede ocurrir en "ráfagas" o "pulsos", lo que se ha observado en diversos organismos, desde bacterias hasta mamíferos. [1] [2] [3] [4] [5]

Detección del fenómeno

Este fenómeno salió a la luz con la aparición de tecnologías, como el etiquetado MS2 y la hibridación in situ con fluorescencia de ARN de una sola molécula , para detectar la producción de ARN en células individuales, a través de mediciones precisas del número de ARN o la apariencia del ARN en el gen. Otras técnicas más extendidas, como el Northern blotting , los microarrays , la RT-PCR y el RNA-Seq , miden los niveles de ARN en masa a partir de extractos de población homogéneos. Estas técnicas pierden información dinámica de las células individuales y dan la impresión de que la transcripción es un proceso continuo y suave. Observada a nivel de célula individual, la transcripción es irregular, con fuertes períodos de actividad intercalados con largos períodos de inactividad.

Mecanismo

La activación puede ser el resultado de la naturaleza estocástica de los eventos bioquímicos superpuestos a una fluctuación de dos pasos. En su forma más simple, se propone que el gen existe en dos estados, uno donde la actividad es insignificante y otro donde hay una cierta probabilidad de activación. [6] Solo en el segundo estado se produce fácilmente la transcripción. Parece probable que algunos eucariotas rudimentarios tengan genes que no presenten activación. Los genes están siempre en el estado permisivo, con una probabilidad simple que describe la cantidad de ARN generados. [7]

Datos más recientes indican que el modelo de dos estados puede ser una simplificación excesiva. La transcripción del gen c-Fos en respuesta a la estimulación sérica puede, en su mayor parte, resumirse en dos estados, aunque en ciertos momentos después de la estimulación, un tercer estado explica mejor la varianza en los datos. [8] Otro modelo sugiere que se puede aplicar un modelo de dos estados, pero con cada célula teniendo una tasa de transcripción diferente en el estado activo. [9] Otros análisis indican un espectro o continuo de estados de actividad. [10] [11] Los paisajes nucleares y de señalización de los núcleos eucariotas complejos pueden favorecer más de dos estados simples; por ejemplo, hay más de varias docenas de modificaciones postraduccionales de nucleosomas y quizás un centenar de proteínas diferentes involucradas en la reacción de transcripción eucariota promedio.

¿Qué representan los estados represivos y permisivos? Una idea atractiva es que el estado reprimido es una conformación de cromatina cerrada mientras que los estados permisivos son más abiertos. Otra hipótesis es que las fluctuaciones entre estados reflejan transiciones reversibles en la unión y disociación de complejos de preiniciación. [12] Las ráfagas también pueden ser resultado de la señalización en ráfagas, efectos del ciclo celular o movimiento de cromatina hacia y desde fábricas de transcripción . Se ha demostrado que la dinámica de las ráfagas está influenciada por el tamaño celular [13] y la frecuencia de la señalización extracelular. [14] Datos recientes sugieren que diferentes grados de superenrollamiento distinguen los estados permisivos e inactivos. [15]

El fenómeno de estallido, a diferencia de los modelos probabilísticos simples de transcripción, puede explicar la alta variabilidad (ver ruido transcripcional ) en la expresión génica que ocurre entre células en poblaciones isogénicas. Esta variabilidad a su vez puede tener enormes consecuencias en el comportamiento celular y debe mitigarse o integrarse. Los mecanismos sugeridos por los cuales se puede amortiguar el ruido incluyen una fuerte señalización extracelular, [16] difusión de ARN y proteína en sincitios celulares, [17] pausa proximal del promotor, [18] y retención nuclear de transcripciones. [19] En ciertos contextos, como la supervivencia de microbios en entornos estresantes que cambian rápidamente, la variabilidad de la expresión puede ser esencial. [20] La variabilidad también impacta en la efectividad del tratamiento clínico, con resistencia de bacterias a antibióticos demostrablemente causada por diferencias no genéticas. [21] [22] Fenómenos similares pueden contribuir a la resistencia de subpoblaciones de células cancerosas a la quimioterapia. [23] También se propone que la variabilidad espontánea en la expresión genética actúa como una fuente de diversidad del destino celular en los procesos de diferenciación autoorganizada, [24] y puede actuar como una barrera para estrategias efectivas de reprogramación celular. [25]

Notas

  1. ^ Golding, I; Paulsson, J; Zawilski, SM; Cox, EC (2005). "Cinética en tiempo real de la actividad genética en bacterias individuales". Cell . 123 (6): 1025–36. doi : 10.1016/j.cell.2005.09.031 . PMID  16360033.
  2. ^ Chubb, JR; Trcek, T; Shenoy, SM; Singer, RH (2006). "Pulsación transcripcional de un gen del desarrollo". Current Biology . 16 (10): 1018–25. doi :10.1016/j.cub.2006.03.092. PMC 4764056 . PMID  16713960. 
  3. ^ Raj, A; Peskin, CS; Tranchina, D; Vargas, DY; Tyagi, S (2006). "Síntesis estocástica de ARNm en células de mamíferos". PLOS Biology . 4 (10): e309. doi : 10.1371/journal.pbio.0040309 . PMC 1563489 . PMID  17048983. 
  4. ^ Bahar Halpern, K; Tanami, S; Landen, S; Chapal, M; Szlak, L; Hutzler, A; Nizhberg, A; Itzkovitz, S (2015). "Expresión genética explosiva en el hígado intacto de mamíferos". Célula molecular . 58 (1): 147–56. doi :10.1016/j.molcel.2015.01.027. PMC 4500162 . PMID  25728770. 
  5. ^ Suter, DM; Molina, N; Gatfield, D; Schneider, K; Schibler, U; Naef, F (2011). "Los genes de los mamíferos se transcriben con cinéticas de estallido muy diferentes". Science . 332 (6028): 472–4. Bibcode :2011Sci...332..472S. doi :10.1126/science.1198817. PMID  21415320. S2CID  20816960.
  6. ^ Raj, A; Van Oudenaarden, A (2008). "Expresión genética estocástica y sus consecuencias". Cell . 135 (2): 216–26. doi :10.1016/j.cell.2008.09.050. PMC 3118044 . PMID  18957198. 
  7. ^ Zenklusen, D; Larson, DR; Singer, RH (2008). "El recuento de ARN único revela modos alternativos de expresión génica en levadura". Nature Structural & Molecular Biology . 15 (12): 1263–71. doi :10.1038/nsmb.1514. PMC 3154325 . PMID  19011635. 
  8. ^ Senecal, A; Munsky, B; Proux, F; Ly, N; Braye, FE; Zimmer, C; Mueller, F; Darzacq, X (2014). "Los factores de transcripción modulan las ráfagas transcripcionales de c-Fos". Cell Rep . 8 (1): 75–83. doi :10.1016/j.celrep.2014.05.053. PMC 5555219 . PMID  24981864. 
  9. ^ Sherman, MS; Lorenz, K; Lanier, MH; Cohen, BA (2015). "La variabilidad de célula a célula en la propensión a transcribir explica las fluctuaciones correlacionadas en la expresión génica". Cell Syst . 1 (5): 315–325. doi :10.1016/j.cels.2015.10.011. PMC 4662655 . PMID  26623441. 
  10. ^ Corrigan, AM; Tunnacliffe, E; Cannon, D; Chubb, JR (2016). "Un modelo continuo de estallido transcripcional". eLife . 5 . doi : 10.7554/eLife.13051 . PMC 4850746 . PMID  26896676. 
  11. ^ Featherstone, K; Hey, K; Momiji, H; McNamara, AV; Patist, AL; Woodburn, J; Spiller, DG; Christian, HC; McNeilly, AS; Mullins, JJ; Finkenstädt, BF; Rand, DA; White, MR; Davis, JR (2016). "Transcripción génica dinámica coordinada espacialmente en tejido pituitario vivo". eLife . 5 : e08494. doi : 10.7554/eLife.08494 . PMC 4749562 . PMID  26828110. 
  12. ^ Rieckh, G; Tkačik, G (2014). "Ruido y transmisión de información en promotores con múltiples estados internos". Biophys. J . 106 (5): 1194–204. arXiv : 1307.8075 . Bibcode :2014BpJ...106.1194R. doi :10.1016/j.bpj.2014.01.014. PMC 4026790 . PMID  24606943. 
  13. ^ Padovan-Merhar, O; Nair, GP; Biaesch, AG; Mayer, A; Scarfone, S; Foley, SW; Wu, AR; Churchman, LS; Singh, A; Raj, A (2015). "Las células de mamíferos individuales compensan las diferencias en el volumen celular y el número de copias de ADN a través de mecanismos transcripcionales globales independientes". Mol. Cell . 58 (2): 339–52. doi :10.1016/j.molcel.2015.03.005. PMC 4402149 . PMID  25866248. 
  14. ^ Corrigan, AM; Chubb, JR (2014). "Regulación de la ráfaga transcripcional mediante una señal de oscilación natural". Curr Biol . 24 (2): 205–11. doi :10.1016/j.cub.2013.12.011. PMC 3928820 . PMID  24388853. 
  15. ^ Chong, S; Chen, C; Ge, H; Xie, XS (2014). "Mecanismo de estallido transcripcional en bacterias". Cell . 158 (2): 314–26. doi :10.1016/j.cell.2014.05.038. PMC 4105854 . PMID  25036631. 
  16. ^ Corrigan, AM; Tunnacliffe, E; Cannon, D; Chubb, JR (2016). "Un modelo continuo de estallido transcripcional". eLife . 5 . doi : 10.7554/eLife.13051 . PMC 4850746 . PMID  26896676. 
  17. ^ Little, SC; Tikhonov, M; Gregor, T (2013). "La expresión precisa de genes de desarrollo surge de una actividad transcripcional estocástica global". Cell . 154 (4): 789–800. doi :10.1016/j.cell.2013.07.025. PMC 3778922 . PMID  23953111. 
  18. ^ Lagha, M; Bothma, JP; Esposito, E; Ng, S; Stefanik, L; Tsui, C; Johnston, J; Chen, K; Gilmour, DS; Zeitlinger, J; Levine, MS (2013). "La Pol II pausada coordina la morfogénesis tisular en el embrión de Drosophila". Cell . 153 (5): 976–87. doi :10.1016/j.cell.2013.04.045. PMC 4257494 . PMID  23706736. 
  19. ^ Battich, N; Stoeger, T; Pelkmans, L (2015). "Control de la variabilidad de la transcripción en células de mamíferos individuales". Cell . 163 (7): 1596–610. doi : 10.1016/j.cell.2015.11.018 . PMID  26687353.
  20. ^ Losick, R.; Desplan, C. (2008). "Estocasticidad y destino celular". Science . 320 (5872): 65–68. Bibcode :2008Sci...320...65L. doi :10.1126/science.1147888. PMC 2605794 . PMID  18388284. 
  21. ^ Moyed, HS; Bertrand, KP (1983). "HipA, un gen recientemente reconocido de Escherichia coli K-12 que afecta la frecuencia de persistencia después de la inhibición de la síntesis de mureína". Journal of Bacteriology . 155 (2): 768–75. doi :10.1128/JB.155.2.768-775.1983. PMC 217749 . PMID  6348026. 
  22. ^ Lewis, K. (2010). "Células persistentes". Revisión anual de microbiología . 64 : 357–372. doi :10.1146/annurev.micro.112408.134306. PMID  20528688.
  23. ^ Sharma, SV; Lee, DY; Li, B.; Quinlan, MP; Takahashi, F.; Maheswaran, S.; McDermott, U.; Azizian, N.; Zou, L.; Fischbach, MA; Wong, KK; Brandstetter, K.; Wittner, B.; Ramaswamy, S.; Classon, M.; Settleman, J. (2010). "Un estado de tolerancia reversible a fármacos mediado por cromatina en subpoblaciones de células cancerosas". Cell . 141 (1): 69–80. doi :10.1016/j.cell.2010.02.027. PMC 2851638 . PMID  20371346. 
  24. ^ Martinez Arias, A; Brickman, JM (2011). "Heterogeneidades de la expresión génica en poblaciones de células madre embrionarias: origen y función". Curr. Opin. Cell Biol . 23 (6): 650–6. doi :10.1016/j.ceb.2011.09.007. PMID  21982544.
  25. ^ Huang, S (2009). "Reprogramación del destino celular: conciliación de la rareza con la robustez". BioEssays . 31 (5): 546–60. doi : 10.1002/bies.200800189 . PMID  19319911.