stringtranslate.com

Gen estructural

Un gen estructural es un gen que codifica cualquier producto de ARN o proteína que no sea un factor regulador (es decir, proteína reguladora ). Un término derivado del operón lac , los genes estructurales se consideran típicamente como 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 están codificados por genes estructurales los ARN no codificantes, como los ARNr y los ARNt (pero excluyendo cualquier miRNA y siRNA reguladores ).

Ubicación en el genoma

En los procariotas , los genes estructurales de función relacionada suelen estar adyacentes entre sí en una sola hebra de ADN, formando un operón . Esto permite una regulación más sencilla de la expresión génica, ya que un único factor regulador puede afectar a la transcripción de todos los genes asociados. Esto se ilustra mejor con el operón lac , muy estudiado , en el que tres genes estructurales ( lacZ , lacY y lacA ) están regulados por un único promotor y un único operador. Los genes estructurales procariotas se transcriben en un ARNm policistrónico y posteriormente se traducen. [1]

En los eucariotas , los genes estructurales no se colocan secuencialmente. En cambio, cada gen está compuesto de 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 empalmarse antes de la traducción para eliminar las secuencias intrónicas. Esto, a su vez, se presta al fenómeno eucariota de empalme alternativo , en el que un solo ARNm de un solo gen estructural puede producir varias proteínas diferentes en función de los exones que se incluyan. 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 tejidos. [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 genes estructurales del ADNr, en los que las secuencias 28S, 5.8S y 18S son adyacentes, separadas por espaciadores cortos que se transcriben internamente, y de la misma manera, el ADNr 45S aparece en cinco lugares distintos en el genoma, pero se agrupa en repeticiones adyacentes. En las eubacterias, estos genes están organizados en operones. Sin embargo, en las arqueobacterias, estos genes no son adyacentes y no muestran ningún enlace. [5]

Papel en las enfermedades humanas

La identificación de la base genética del agente causal 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 de genes 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 ( peste bubónica ) portaba varios genes estructurales relacionados con la virulencia y la inflamación en plásmidos. [8] Asimismo, se determinó que el gen estructural responsable del tétanos también se encontraba en un plásmido. [9] La difteria es causada por una bacteria, pero solo después de que esa bacteria haya sido infectada por un bacteriófago que porta los genes estructurales de la toxina. [10]

En el virus del herpes simple , la secuencia genética estructural responsable de la virulencia se encontró en dos lugares del genoma a pesar de que solo uno de ellos producía el producto genético viral. Se planteó la hipótesis de que esto podría servir como un mecanismo potencial para que las cepas recuperen la virulencia si la pierden debido a una 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 formulación de tratamientos específicos, así como en el estudio de los posibles usos medicinales de las toxinas. [10]

Filogenética

Ya en 1974 se reconoció que la similitud de secuencias de ADN era una herramienta valiosa para determinar las relaciones entre taxones. [12] Los genes estructurales en general están más conservados debido a la restricción funcional, por lo que pueden resultar útiles en los exámenes de taxones más dispares. Los análisis originales enriquecieron las muestras para los genes estructurales mediante la 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. [16]

Debate

A pesar de la clasificación generalizada de los genes como estructurales o reguladores, estas categorías no constituyen una división absoluta. Recientes descubrimientos genéticos ponen en tela de juicio 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 sola proteína reguladora que afectaba la transcripción de las otras proteínas que ahora se sabe que componen el operón Lac. A partir de este punto, los dos tipos de secuencias codificantes se separaron. [18]

Sin embargo, los descubrimientos cada vez más numerosos sobre la regulación genética sugieren una mayor complejidad. La expresión de genes estructurales está regulada por numerosos factores, entre ellos la epigenética (por ejemplo, la metilación), la interferencia del ARN y otros. Los genes reguladores y estructurales pueden ser regulados 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 chaperonas a través de las membranas, [21] y ahora se las ha implicado en las respuestas inmunes (ver Hsp60 ) [22] y en la vía apoptótica (ver Hsp70 ). [23]

Más recientemente, se descubrió que los microARN se producen a partir de los espaciadores transcritos internos de los genes ARNr. [24] Por lo tanto, un componente interno de un gen estructural es, de hecho, regulador. También se detectaron sitios de unión para microARN dentro de las secuencias codificantes de los genes. Normalmente, los ARN interferentes se dirigen al 3'UTR, pero la inclusión de sitios de unión dentro de la secuencia de la proteína en sí 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]

Referencias

  1. ^ Müller-Hill, Benno (1 de enero de 1996). El operón Lac: breve historia de un paradigma genético. Walter de Gruyter. ISBN 9783110148305.
  2. ^ Wang, Eric T.; Sandberg, Rickard; Luo, Shujun; Khrebtukova, Irina; Zhang, Lu; Mayr, Christine; Kingsmore, Stephen F.; Schroth, Gary P.; Burge, Christopher B. (2008). "Regulación de isoformas alternativas en transcriptomas de tejidos humanos". Nature . 456 (7221): 470–476. Bibcode :2008Natur.456..470W. doi :10.1038/nature07509. PMC 2593745 . PMID  18978772. 
  3. ^ Yeo, Gene; Holste, Dirk; Kreiman, Gabriel; Burge, Christopher B. (1 de enero de 2004). "Variación en el empalme alternativo en los tejidos humanos". Genome Biology . 5 (10): R74. doi : 10.1186/gb-2004-5-10-r74 . ISSN  1474-760X. PMC 545594 . PMID  15461793. 
  4. ^ Makałowski, W. (1 de enero de 2001). "La estructura y organización del genoma humano". Acta Biochimica Polonica . 48 (3): 587–598. doi : 10.18388/abp.2001_3893 . ISSN  0001-527X. PMID  11833767.
  5. ^ Tu, J; Zillig, W (25 de noviembre de 1982). "Organización de genes estructurales de ARNr en la arqueobacteria Thermoplasma acidophilum". Nucleic Acids Research . 10 (22): 7231–7245. doi :10.1093/nar/10.22.7231. ISSN  0305-1048. PMC 327000 . PMID  7155894. 
  6. ^ Sreevatsan, Srinand; Pan, Xi; Stockbauer, Kathryn E.; Connell, Nancy D.; Kreiswirth, Barry N.; Whittam, Thomas S.; Musser, James M. (2 de septiembre de 1997). "El polimorfismo genético estructural restringido en el complejo Mycobacterium tuberculosis indica una diseminación global evolutivamente reciente". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 94 (18): 9869–9874. Bibcode :1997PNAS...94.9869S. doi : 10.1073/pnas.94.18.9869 . ISSN  0027-8424. PMC 23284 . PMID  9275218. 
  7. ^ Maharaj, Payal D.; Anishchenko, Michael; Langevin, Stanley A.; Fang, Ying; Reisen, William K.; Brault, Aaron C. (1 de enero de 2012). "Las quimeras de genes estructurales (prME) del virus de la encefalitis de San Luis y del virus del Nilo Occidental exhiben fenotipos de crecimiento y citopáticos in vitro alterados". Journal of General Virology . 93 (1): 39–49. doi :10.1099/vir.0.033159-0. PMC 3352334 . PMID  21940408. 
  8. ^ Brubaker, Robert R. (1 de agosto de 2007). "Cómo se relacionan los productos genéticos estructurales de Yersinia pestis con la virulencia". Future Microbiology . 2 (4): 377–385. doi :10.2217/17460913.2.4.377. ISSN  1746-0921. PMID  17683274.
  9. ^ Finn, CW; Silver, RP; Habig, WH; Hardegree, MC; Zon, G.; Garon, CF (25 de mayo de 1984). "El gen estructural de la neurotoxina del tétanos se encuentra en un plásmido". Science . 224 (4651): 881–884. Bibcode :1984Sci...224..881F. doi :10.1126/science.6326263. ISSN  0036-8075. PMID  6326263.
  10. ^ ab Greenfield, L.; Bjorn, MJ; Horn, G.; Fong, D.; Buck, GA; Collier, RJ; Kaplan, DA (1983-11-01). "Secuencia de nucleótidos del gen estructural de la toxina de la difteria transportada por el corinebacteriófago beta". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 80 (22): 6853–6857. Bibcode :1983PNAS...80.6853G. doi : 10.1073/pnas.80.22.6853 . ISSN  0027-8424. PMC 390084 . PMID  6316330. 
  11. ^ Knipe, David; Ruyechan, William; Honess, Robert; Roizman, Bernard (1979). "Genética molecular del virus del herpes simple: las secuencias terminales de los componentes L y S son obligatoriamente idénticas y constituyen una parte del mapeo genético estructural predominantemente en el componente S" (PDF) . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 76 (9): 4534–4538. Bibcode :1979PNAS...76.4534K. doi : 10.1073/pnas.76.9.4534 . PMC 411612 . PMID  228300. 
  12. ^ Moore, RL (1 de enero de 1974). "Reasociación de ácidos nucleicos como guía para la relación genética entre bacterias". Aspectos modernos de la electroquímica . Temas actuales en microbiología e inmunología. Vol. 64. págs. 105-128. doi :10.1007/978-3-642-65848-8_4. ISBN 978-3-642-65850-1. ISSN  0070-217X. PMID  4602647.
  13. ^ Angerer, RC; Davidson, EH; Britten, RJ (8 de julio de 1976). "Relaciones entre secuencias de genes estructurales y ADN de copia única entre cuatro especies de erizos de mar". Chromosoma . 56 (3): 213–226. doi :10.1007/bf00293186. ISSN  0009-5915. PMID  964102. S2CID  26007034.
  14. ^ Pruesse, E.; Quast, C.; Knittel, K.; Fuchs, BM; Ludwig, W.; Peplies, J.; Glockner, FO (1 de diciembre de 2007). "SILVA: un recurso en línea completo para datos de secuencias de ARN ribosómico alineadas y de calidad verificada compatibles con ARB". Nucleic Acids Research . 35 (21): 7188–7196. doi :10.1093/nar/gkm864. ISSN  0305-1048. PMC 2175337 . PMID  17947321. 
  15. ^ Chun, Jongsik; Lee, Jae-Hak; Jung, Yoonyoung; Kim, Myungjin; Kim, Seil; Kim, Byung Kwon; Lim, Young-Woon (1 de enero de 2007). "EzTaxon: una herramienta basada en la web para la identificación de procariotas basada en secuencias de genes de ARN ribosómico 16S". Revista internacional de microbiología sistemática y evolutiva . 57 (10): 2259–2261. doi : 10.1099/ijs.0.64915-0 . PMID  17911292.
  16. ^ Hebert, Paul DN; Cywinska, Alina; Ball, Shelley L.; deWaard, Jeremy R. (7 de febrero de 2003). "Identificaciones biológicas a través de códigos de barras de ADN". Actas de la Royal Society of London B: Biological Sciences . 270 (1512): 313–321. doi :10.1098/rspb.2002.2218. ISSN  0962-8452. PMC 1691236 . PMID  12614582. 
  17. ^ ab Piro, Rosario Michael (29 de marzo de 2011). "¿Son todos los genes genes reguladores?". Biología y filosofía . 26 (4): 595–602. doi :10.1007/s10539-011-9251-9. ISSN  0169-3867. S2CID  16289510.
  18. ^ ab Pardee, Arthur B.; Jacob, François; Monod, Jacques (1959-06-01). "El control genético y la expresión citoplasmática de la "inducibilidad" en la síntesis de β-galactosidasa por E. coli". Journal of Molecular Biology . 1 (2): 165–178. doi :10.1016/S0022-2836(59)80045-0.
  19. ^ Hendrick, JP; Hartl, FU (1995-12-01). "El papel de las chaperonas moleculares en el plegamiento de proteínas". FASEB Journal . 9 (15): 1559–1569. doi : 10.1096/fasebj.9.15.8529835 . ISSN  0892-6638. PMID  8529835. S2CID  33498269.
  20. ^ Saibil, Helen (1 de octubre de 2013). "Máquinas chaperonas para el plegamiento, desplegamiento y desagregación de proteínas". Nature Reviews Molecular Cell Biology . 14 (10): 630–642. doi :10.1038/nrm3658. ISSN  1471-0072. PMC 4340576 . PMID  24026055. 
  21. ^ Koll, H.; Guiard, B.; Rassow, J.; Ostermann, J.; Horwich, AL; Neupert, W.; Hartl, FU (20 de marzo de 1992). "La actividad antiplegamiento de hsp60 acopla la importación de proteínas a la matriz mitocondrial con la exportación al espacio intermembrana" (PDF) . Cell . 68 (6): 1163–1175. doi :10.1016/0092-8674(92)90086-r. ISSN  0092-8674. PMID  1347713. S2CID  7430067.
  22. ^ Hansen, Jens J.; Bros, Pedro; Westergaard, Majken; Nielsen, Marit Nyholm; Eiberg, Hans; Børglum, Anders D.; Mogensen, Jens; Kristiansen, Karsten; Bolund, Lars (1 de enero de 2003). "Estructura genómica de los genes de chaperonina mitocondrial humana: HSP60 y HSP10 se localizan cabeza a cabeza en el cromosoma 2 separados por un promotor bidireccional". Genética Humana . 112 (1): 71–77. doi :10.1007/s00439-002-0837-9. ISSN  0340-6717. PMID  12483302. S2CID  25856774.
  23. ^ Cappello, Francesco; Di Stéfano, Antonino; David, Sabrina; Rappa, Francesco; Anzalón, Rita; La Rocca, Giampiero; D'Anna, Silvestro E.; Magno, Francesca; Donner, Claudio F. (15 de noviembre de 2006). "La regulación negativa de Hsp60 y Hsp10 predice la carcinogénesis epitelial bronquial en fumadores con enfermedad pulmonar obstructiva crónica". Cáncer . 107 (10): 2417–2424. doi : 10.1002/cncr.22265 . ISSN  0008-543X. PMID  17048249.
  24. ^ Son, Dong Ju; Kumar, Sandeep; Takabe, Wakako; Kim, Chan Woo; Ni, Chih-Wen; Alberts-Grill, Noah; Jang, In-Hwan; Kim, Sangok; Kim, Wankyu (18 de diciembre de 2013). "El microARN-712 mecanosensible atípico derivado del ARN preribosómico induce inflamación endotelial y aterosclerosis". Nature Communications . 4 : 3000. Bibcode :2013NatCo...4.3000S. doi :10.1038/ncomms4000. ISSN  2041-1723. PMC 3923891 . PMID  24346612. 
  25. ^ Forman, Joshua J.; Coller, Hilary A. (15 de abril de 2010). "El código dentro del código: los microARN se dirigen a regiones codificantes". Ciclo celular . 9 (8): 1533–1541. doi :10.4161/cc.9.8.11202. ISSN  1538-4101. PMC 2936675 . PMID  20372064. 

Enlaces externos