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Regulación transcripcional

En biología molecular y genética , la regulación transcripcional es el medio por el cual una célula regula la conversión de ADN a ARN ( transcripción ), orquestando así la actividad genética . Un solo gen puede regularse de diversas formas, desde alterar el número de copias de ARN que se transcriben, hasta el control temporal de cuándo se transcribe el gen. Este control permite que la célula u organismo responda a una variedad de señales intra y extracelulares y, por lo tanto, genere una respuesta. Algunos ejemplos de esto incluyen la producción del ARNm que codifica enzimas para adaptarse a un cambio en una fuente de alimento, la producción de los productos genéticos involucrados en actividades específicas del ciclo celular y la producción de los productos genéticos responsables de la diferenciación celular en eucariotas multicelulares, como se estudia en la biología del desarrollo evolutivo .

La regulación de la transcripción es un proceso vital en todos los organismos vivos. Está orquestada por factores de transcripción y otras proteínas que trabajan en conjunto para ajustar con precisión la cantidad de ARN que se produce a través de una variedad de mecanismos. Las bacterias y los eucariotas tienen estrategias muy diferentes para lograr el control de la transcripción, pero algunas características importantes se conservan entre los dos. La más importante es la idea del control combinatorio, que consiste en que cualquier gen dado probablemente esté controlado por una combinación específica de factores para controlar la transcripción. En un ejemplo hipotético, los factores A y B podrían regular un conjunto distinto de genes a partir de la combinación de los factores A y C. Esta naturaleza combinatoria se extiende a complejos de mucho más de dos proteínas y permite que un subconjunto muy pequeño (menos del 10%) del genoma controle el programa transcripcional de toda la célula.

En bacterias

El operón maltosa es un ejemplo de un control positivo de la transcripción. [1] Cuando la maltosa no está presente en E. coli, no se produce la transcripción de los genes de la maltosa y no hay maltosa a la que unirse con la proteína activadora de la maltosa. Esto impide que la proteína activadora se una al sitio de unión del activador en el gen, lo que a su vez impide que la ARN polimerasa se una al promotor de la maltosa. No se produce ninguna transcripción. [1]

Gran parte de la comprensión inicial de la transcripción provino de las bacterias, [2] aunque el alcance y la complejidad de la regulación transcripcional es mayor en los eucariotas. La transcripción bacteriana está regida por tres elementos de secuencia principales:

Si bien estos medios de regulación transcripcional también existen en eucariotas, el panorama transcripcional es significativamente más complicado tanto por la cantidad de proteínas involucradas como por la presencia de intrones y el empaquetamiento del ADN en histonas .

La transcripción de un gen bacteriano básico depende de la fuerza de su promotor y de la presencia de activadores o represores. En ausencia de otros elementos reguladores, la afinidad basada en la secuencia de un promotor por las ARN polimerasas varía, lo que da como resultado la producción de diferentes cantidades de transcripción. La afinidad variable de la ARN polimerasa por diferentes secuencias promotoras está relacionada con las regiones de la secuencia de consenso aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción. Cuantos más nucleótidos de un promotor concuerden con la secuencia de consenso, más fuerte será probablemente la afinidad del promotor por la ARN polimerasa. [4]

Cuando la maltosa está presente en E. coli, se une a la proteína activadora de la maltosa (#1), que promueve la unión de la proteína activadora de la maltosa al sitio de unión del activador (#2). Esto permite que la ARN polimerasa se una al promotor mal (#3). La transcripción de los genes malE, malF y malG continúa (#4) a medida que la proteína activadora de la maltosa y la ARN polimerasa se desplazan por el ADN. [1] malE codifica la proteína periplásmica de unión a la maltosa y ayuda al transporte de la maltosa a través de la membrana celular. [5] malF codifica la proteína permeasa del sistema de transporte de maltosa y ayuda a translocar la maltosa a través de la membrana celular. [6] malG codifica la proteína del sistema de transporte y también ayuda a translocar la maltosa a través de la membrana celular. [7]

En ausencia de otros elementos reguladores, el estado predeterminado de una transcripción bacteriana es estar en la configuración “activada”, lo que da como resultado la producción de cierta cantidad de transcripción. Esto significa que la regulación transcripcional en forma de represores proteicos y elementos de control positivo puede aumentar o disminuir la transcripción. Los represores a menudo ocupan físicamente la ubicación del promotor, impidiendo la unión de la ARN polimerasa. Alternativamente, un represor y una polimerasa pueden unirse al ADN al mismo tiempo con una interacción física entre el represor que impide la apertura del ADN para el acceso a la cadena negativa para la transcripción. Esta estrategia de control es distinta de la transcripción eucariota, cuyo estado basal es estar desactivada y donde los cofactores necesarios para la iniciación de la transcripción dependen en gran medida de los genes. [8]

Los factores sigma son proteínas bacterianas especializadas que se unen a las ARN polimerasas y organizan el inicio de la transcripción. Los factores sigma actúan como mediadores de la transcripción específica de la secuencia, de modo que un único factor sigma puede utilizarse para la transcripción de todos los genes de mantenimiento o de un conjunto de genes que la célula desea expresar en respuesta a algunos estímulos externos, como el estrés. [9]

Además de los procesos que regulan la transcripción en la etapa de iniciación, la síntesis de ARNm también está controlada por la tasa de elongación de la transcripción. [10] Las pausas de la ARN polimerasa ocurren con frecuencia y están reguladas por factores de transcripción, como NusG y NusA, el acoplamiento transcripción-traducción y la estructura secundaria del ARNm. [11] [12]

En eucariotas

Cariograma esquemático de un ser humano , que muestra una descripción general del genoma humano en bandas G , que es un método que incluye la tinción de Giemsa , en donde las regiones de tinción más claras son generalmente más activas transcripcionalmente , mientras que las regiones más oscuras son más inactivas.

La complejidad añadida de generar una célula eucariota conlleva un aumento de la complejidad de la regulación transcripcional. Los eucariotas tienen tres ARN polimerasas, conocidas como Pol I , Pol II y Pol III . Cada polimerasa tiene objetivos y actividades específicos, y está regulada por mecanismos independientes. Hay una serie de mecanismos adicionales a través de los cuales se puede controlar la actividad de la polimerasa. Estos mecanismos se pueden agrupar en general en tres áreas principales:

Los tres sistemas trabajan en conjunto para integrar las señales de la célula y cambiar el programa transcripcional en consecuencia.

Mientras que en los sistemas procariotas el estado de transcripción basal puede considerarse no restrictivo (es decir, “activado” en ausencia de factores modificadores), los eucariotas tienen un estado basal restrictivo que requiere el reclutamiento de otros factores para generar transcripciones de ARN. Esta diferencia se debe en gran medida a la compactación del genoma eucariota al enrollar el ADN alrededor de las histonas para formar estructuras de orden superior. Esta compactación hace que el promotor del gen sea inaccesible sin la ayuda de otros factores en el núcleo y, por lo tanto, la estructura de la cromatina es un sitio común de regulación. De manera similar a los factores sigma en los procariotas, los factores de transcripción generales (GTF) son un conjunto de factores en los eucariotas que son necesarios para todos los eventos de transcripción. Estos factores son responsables de estabilizar las interacciones de unión y abrir la hélice de ADN para permitir que la ARN polimerasa acceda a la plantilla, pero generalmente carecen de especificidad para diferentes sitios promotores. [13] Una gran parte de la regulación genética se produce a través de factores de transcripción que reclutan o inhiben la unión de la maquinaria de transcripción general y/o la polimerasa. Esto se puede lograr a través de interacciones cercanas con elementos promotores centrales o a través de elementos potenciadores de larga distancia .

Una vez que una polimerasa se une con éxito a una plantilla de ADN, a menudo requiere la ayuda de otras proteínas para abandonar el complejo promotor estable y comenzar a alargar la cadena de ARN naciente. Este proceso se denomina escape del promotor y es otro paso en el que los elementos reguladores pueden actuar para acelerar o ralentizar el proceso de transcripción. De manera similar, los factores proteínicos y de ácidos nucleicos pueden asociarse con el complejo de alargamiento y modular la velocidad a la que la polimerasa se mueve a lo largo de la plantilla de ADN.

A nivel del estado de la cromatina

En los eucariotas, el ADN genómico está muy compactado para poder caber en el núcleo. Esto se logra enrollando el ADN alrededor de octámeros proteicos llamados histonas , lo que tiene consecuencias para la accesibilidad física de partes del genoma en un momento dado. Porciones significativas se silencian a través de modificaciones de histonas y, por lo tanto, son inaccesibles para las polimerasas o sus cofactores. El nivel más alto de regulación de la transcripción ocurre a través de la reorganización de las histonas para exponer o secuestrar genes, porque estos procesos tienen la capacidad de hacer que regiones enteras de un cromosoma sean inaccesibles, como lo que ocurre en la impronta.

La reorganización de histonas se ve facilitada por modificaciones postraduccionales en las colas de las histonas centrales. Una amplia variedad de modificaciones pueden ser realizadas por enzimas como las histonas acetiltransferasas (HAT) , histonas metiltransferasas (HMT) y histonas desacetilasas (HDAC) , entre otras. Estas enzimas pueden agregar o eliminar modificaciones covalentes como grupos metilo, grupos acetilo, fosfatos y ubiquitina. Las modificaciones de histonas sirven para reclutar otras proteínas que pueden aumentar la compactación de la cromatina y secuestrar elementos promotores, o para aumentar el espaciamiento entre histonas y permitir la asociación de factores de transcripción o polimerasa en ADN abierto. [14] Por ejemplo, la trimetilación de H3K27 por el complejo polycomb PRC2 causa compactación cromosómica y silenciamiento génico. [15] Estas modificaciones de histonas pueden ser creadas por la célula o heredadas de manera epigenética de un progenitor.

A nivel de metilación de citosina

La metilación del ADN es la adición de un grupo metilo al ADN que ocurre en la citosina . La imagen muestra una base de un solo anillo de citosina y un grupo metilo agregado al carbono 5. En los mamíferos, la metilación del ADN ocurre casi exclusivamente en una citosina seguida de una guanina .

La regulación de la transcripción en aproximadamente el 60% de los promotores está controlada por la metilación de las citosinas dentro de los dinucleótidos CpG (donde la citosina 5' es seguida por los sitios guanina o CpG 3' ). La 5-metilcitosina (5-mC) es una forma metilada de la base de ADN citosina (ver Figura). 5-mC es un marcador epigenético que se encuentra predominantemente dentro de los sitios CpG. Alrededor de 28 millones de dinucleótidos CpG ocurren en el genoma humano. [16] En la mayoría de los tejidos de los mamíferos, en promedio, entre el 70% y el 80% de las citosinas CpG están metiladas (formando 5-metilCpG o 5-mCpG). [17] Las citosinas metiladas dentro de las secuencias 5'citosina-guanina 3' a menudo ocurren en grupos, llamados islas CpG . Alrededor del 60% de las secuencias promotoras tienen una isla CpG, mientras que solo alrededor del 6% de las secuencias potenciadoras tienen una isla CpG. [18] Las islas CpG constituyen secuencias reguladoras, ya que si las islas CpG están metiladas en el promotor de un gen esto puede reducir o silenciar la transcripción genética. [19]

La metilación del ADN regula la transcripción génica a través de la interacción con proteínas de dominio de unión a metilo (MBD) , como MeCP2 , MBD1 y MBD2 . Estas proteínas MBD se unen más fuertemente a islas CpG altamente metiladas . [20] Estas proteínas MBD tienen tanto un dominio de unión a metil-CpG como un dominio de represión de la transcripción. [20] Se unen al ADN metilado y guían o dirigen complejos proteicos con actividad de remodelación de cromatina y/o modificación de histonas a islas CpG metiladas. Las proteínas MBD generalmente reprimen la cromatina local, por ejemplo catalizando la introducción de marcas de histonas represivas o creando un entorno de cromatina represivo general a través de la remodelación de nucleosomas y la reorganización de la cromatina. [20]

Los factores de transcripción son proteínas que se unen a secuencias específicas de ADN para regular la expresión de un gen. La secuencia de unión de un factor de transcripción en el ADN suele tener una longitud de unos 10 u 11 nucleótidos. Como resumió Vaquerizas et al. en 2009, indicaron que hay aproximadamente 1.400 factores de transcripción diferentes codificados en el genoma humano por genes que constituyen alrededor del 6% de todos los genes que codifican proteínas humanas. [21] Alrededor del 94% de los sitios de unión de factores de transcripción (TFBS) que están asociados con genes sensibles a señales se encuentran en potenciadores, mientras que solo alrededor del 6% de dichos TFBS se encuentran en promotores. [22]

La proteína EGR1 es un factor de transcripción particular que es importante para la regulación de la metilación de las islas CpG. Un sitio de unión del factor de transcripción EGR1 se encuentra frecuentemente en secuencias potenciadoras o promotoras. [23] Hay alrededor de 12.000 sitios de unión para EGR1 en el genoma de los mamíferos y aproximadamente la mitad de los sitios de unión de EGR1 se encuentran en promotores y la otra mitad en potenciadores. [23] La unión de EGR1 a su sitio de unión de ADN objetivo es insensible a la metilación de citosina en el ADN. [23]

Aunque sólo se detectan pequeñas cantidades de la proteína del factor de transcripción EGR1 en células que no están estimuladas, la traducción del gen EGR1 en proteína una hora después de la estimulación aumenta drásticamente. [24] La expresión de las proteínas del factor de transcripción EGR1, en varios tipos de células, puede ser estimulada por factores de crecimiento, neurotransmisores, hormonas, estrés y lesiones. [24] En el cerebro, cuando se activan las neuronas, las proteínas EGR1 se regulan positivamente y se unen a (reclutan) las enzimas TET1 preexistentes que se expresan en gran medida en las neuronas. Las enzimas TET pueden catalizar la desmetilación de la 5-metilcitosina. Cuando los factores de transcripción EGR1 llevan las enzimas TET1 a los sitios de unión de EGR1 en los promotores, las enzimas TET pueden desmetilar las islas CpG metiladas en esos promotores. Tras la desmetilación, estos promotores pueden iniciar la transcripción de sus genes diana. Cientos de genes en las neuronas se expresan de manera diferencial después de la activación neuronal a través del reclutamiento de TET1 por parte de EGR1 a secuencias reguladoras metiladas en sus promotores. [23]

La metilación de los promotores también se altera en respuesta a señales. Las tres metiltransferasas de ADN de mamíferos (DNMT1, DNMT3A y DNMT3B) catalizan la adición de grupos metilo a las citosinas del ADN. Mientras que DNMT1 es una metiltransferasa de “mantenimiento”, DNMT3A y DNMT3B pueden llevar a cabo nuevas metilaciones. También hay dos isoformas de proteína de empalme producidas a partir del gen DNMT3A : las proteínas metiltransferasas de ADN DNMT3A1 y DNMT3A2. [25]

La isoforma de empalme DNMT3A2 se comporta como el producto de un gen inmediato-temprano clásico y, por ejemplo, se produce de forma robusta y transitoria después de la activación neuronal. [26] El lugar donde la isoforma de la ADN metiltransferasa DNMT3A2 se une y agrega grupos metilo a las citosinas parece estar determinado por modificaciones postraduccionales de las histonas. [27] [28] [29]

Por otra parte, la activación neuronal provoca la degradación de DNMT3A1 acompañada de una metilación reducida de al menos un promotor objetivo evaluado. [30]

A través de factores de transcripción y potenciadores

Factores de transcripción

Los factores de transcripción son proteínas que se unen a secuencias específicas de ADN para regular la expresión de un gen determinado. Hay aproximadamente 1.400 factores de transcripción en el genoma humano y constituyen alrededor del 6% de todos los genes codificadores de proteínas humanas. [21] El poder de los factores de transcripción reside en su capacidad para activar y/o reprimir amplios repertorios de genes diana posteriores. El hecho de que estos factores de transcripción funcionen de manera combinatoria significa que solo un pequeño subconjunto del genoma de un organismo codifica factores de transcripción. Los factores de transcripción funcionan a través de una amplia variedad de mecanismos. En un mecanismo, la metilación de CpG influye en la unión de la mayoría de los factores de transcripción al ADN, en algunos casos de manera negativa y en otros de manera positiva. [31] Además, a menudo se encuentran al final de una vía de transducción de señales que funciona para cambiar algo sobre el factor, como su localización subcelular o su actividad. Las modificaciones postraduccionales de los factores de transcripción ubicados en el citosol pueden hacer que se transloquen al núcleo donde pueden interactuar con sus potenciadores correspondientes. Otros factores de transcripción ya están en el núcleo y se modifican para permitir la interacción con factores de transcripción asociados. Algunas modificaciones postraduccionales que se sabe que regulan el estado funcional de los factores de transcripción son la fosforilación , la acetilación , la sumoilación y la ubiquitilación . Los factores de transcripción se pueden dividir en dos categorías principales: activadores y represores . Mientras que los activadores pueden interactuar directa o indirectamente con la maquinaria central de la transcripción a través de la unión de potenciadores, los represores reclutan predominantemente complejos correpresores que conducen a la represión transcripcional por condensación de la cromatina de las regiones potenciadoras. También puede suceder que un represor funcione por competencia alostérica contra un activador determinado para reprimir la expresión génica: los motivos de unión al ADN superpuestos para activadores y represores inducen una competencia física para ocupar el sitio de unión. Si el represor tiene una mayor afinidad por su motivo que el activador, la transcripción se bloquearía de manera efectiva en presencia del represor. El control regulador estricto se logra mediante la naturaleza altamente dinámica de los factores de transcripción. De nuevo, existen muchos mecanismos diferentes para controlar si un factor de transcripción está activo. Estos mecanismos incluyen el control sobre la localización de la proteína o el control sobre si la proteína puede unirse al ADN. [32] Un ejemplo de esto es la proteína HSF1 , que permanece unida a Hsp70.en el citosol y solo se transloca al núcleo en caso de estrés celular, como un choque térmico. Por lo tanto, los genes bajo el control de este factor de transcripción permanecerán sin transcribir a menos que la célula se someta a estrés. [33]

Potenciadores

Los potenciadores o módulos/elementos cis-reguladores (CRM/CRE) son secuencias de ADN no codificantes que contienen múltiples sitios de unión de activadores y represores. Los potenciadores tienen una longitud que va desde 200 pb hasta 1 kb y pueden ser proximales, 5' aguas arriba del promotor o dentro del primer intrón del gen regulado, o distales, en intrones de genes vecinos o regiones intergénicas alejadas del locus. A través de la formación de bucles en el ADN, los potenciadores activos entran en contacto con el promotor en función de la especificidad del promotor del motivo de unión al ADN central. [34] La dicotomía promotor-potenciador proporciona la base para la interacción funcional entre los factores de transcripción y la maquinaria central de la transcripción para desencadenar el escape de la ARN Pol II del promotor. Mientras que se podría pensar que existe una relación potenciador-promotor de 1:1, los estudios del genoma humano predicen que un promotor activo interactúa con 4 a 5 potenciadores. De manera similar, los potenciadores pueden regular más de un gen sin restricción de ligamiento y se dice que "se saltan" los genes vecinos para regular los más distantes. Aunque es poco frecuente, la regulación transcripcional puede involucrar elementos ubicados en un cromosoma diferente de aquel en el que reside el promotor. Los potenciadores proximales o promotores de genes vecinos pueden servir como plataformas para reclutar más elementos distales. [35]

Activación e implementación de potenciadores

Función de mejora en la regulación de la transcripción en mamíferos . Una secuencia reguladora de potenciador activa de ADN puede interactuar con la secuencia reguladora de ADN promotora de su gen diana mediante la formación de un bucle cromosómico. Esto puede iniciar la síntesis de ARN mensajero (ARNm) por la ARN polimerasa II (RNAP II) unida al promotor en el sitio de inicio de la transcripción del gen. El bucle se estabiliza mediante una proteína arquitectural anclada al potenciador y otra anclada al promotor y estas proteínas se unen para formar un dímero (zigzags rojos). Los factores de transcripción reguladores específicos se unen a los motivos de la secuencia de ADN en el potenciador. Los factores de transcripción generales se unen al promotor. Cuando un factor de transcripción se activa mediante una señal (aquí indicada como fosforilación mostrada por una pequeña estrella roja en un factor de transcripción en el potenciador), el potenciador se activa y ahora puede activar su promotor diana. El potenciador activo se transcribe en cada cadena de ADN en direcciones opuestas mediante las ARN polimerasas II unidas. El mediador (un complejo que consta de aproximadamente 26 proteínas en una estructura interactuante) comunica señales reguladoras de los factores de transcripción potenciadores unidos al ADN al promotor.

La expresión regulada al alza de genes en mamíferos puede iniciarse cuando se transmiten señales a los promotores asociados con los genes. Las secuencias de ADN cis-reguladoras que se encuentran en regiones de ADN distantes de los promotores de genes pueden tener efectos muy grandes en la expresión génica, y algunos genes experimentan una expresión hasta 100 veces mayor debido a dicha secuencia cis-reguladora. [36] Estas secuencias cis-reguladoras incluyen potenciadores , silenciadores , aisladores y elementos de anclaje. [37] Entre esta constelación de secuencias, los potenciadores y sus proteínas de factores de transcripción asociadas tienen un papel principal en la regulación de la expresión génica. [38]

Los potenciadores son secuencias del genoma que son elementos importantes de regulación de genes. Los potenciadores controlan programas de expresión de genes específicos de cada tipo de célula, la mayoría de las veces mediante bucles que recorren largas distancias para acercarse físicamente a los promotores de sus genes objetivo. [39] En un estudio de neuronas corticales cerebrales, se encontraron 24.937 bucles que llevaban potenciadores a promotores. [36] Múltiples potenciadores, cada uno a menudo a decenas o cientos de miles de nucleótidos de distancia de sus genes objetivo, se unen a sus promotores de genes objetivo y se coordinan entre sí para controlar la expresión de su gen objetivo común. [39]

La ilustración esquemática en esta sección muestra un potenciador que gira para acercarse físicamente al promotor de un gen objetivo. El bucle está estabilizado por un dímero de una proteína conectora (por ejemplo, el dímero de CTCF o YY1 ), con un miembro del dímero anclado a su motivo de unión en el potenciador y el otro miembro anclado a su motivo de unión en el promotor (representado por los zigzags rojos en la ilustración). [40] Varias proteínas de factores de transcripción específicos de la función celular (en 2018, Lambert et al. indicaron que había alrededor de 1600 factores de transcripción en una célula humana [41] ) generalmente se unen a motivos específicos en un potenciador [22] y una pequeña combinación de estos factores de transcripción unidos al potenciador, cuando se acercan a un promotor por un bucle de ADN, gobiernan el nivel de transcripción del gen objetivo. El mediador (coactivador) (un complejo que generalmente consta de alrededor de 26 proteínas en una estructura interactuante) comunica señales reguladoras de los factores de transcripción potenciadores unidos al ADN directamente a la enzima ARN polimerasa II (RNAP II) unida al promotor. [42]

Los potenciadores, cuando están activos, generalmente se transcriben a partir de ambas cadenas de ADN con ARN polimerasas que actúan en dos direcciones diferentes, produciendo dos eARN como se ilustra en la Figura. [43] Un potenciador inactivo puede estar unido a un factor de transcripción inactivo. La fosforilación del factor de transcripción puede activarlo y ese factor de transcripción activado puede entonces activar el potenciador al que está unido (ver la pequeña estrella roja que representa la fosforilación de un factor de transcripción unido a un potenciador en la ilustración). [44] Un potenciador activado comienza la transcripción de su ARN antes de activar un promotor para iniciar la transcripción del ARN mensajero de su gen objetivo. [45]

Panorama regulatorio

La iniciación, terminación y regulación de la transcripción están mediadas por “bucles de ADN” que reúne promotores, potenciadores, factores de transcripción y factores de procesamiento de ARN para regular con precisión la expresión génica. [46] La captura de conformación cromosómica (3C) y más recientemente las técnicas Hi-C proporcionaron evidencia de que las regiones de cromatina activa están “compactadas” en dominios o cuerpos nucleares donde se mejora la regulación transcripcional. [47] La ​​configuración del genoma es esencial para la proximidad potenciador-promotor. Las decisiones sobre el destino celular están mediadas por reorganizaciones genómicas altamente dinámicas en la interfase para activar o desactivar modularmente redes reguladoras de genes completas a través de reordenamientos de cromatina de corto a largo alcance. [48] Estudios relacionados demuestran que los genomas de los metazoos están divididos en unidades estructurales y funcionales alrededor de una megabase llamada dominios de asociación topológica (TAD) que contienen docenas de genes regulados por cientos de potenciadores distribuidos dentro de grandes regiones genómicas que contienen solo secuencias no codificantes. La función de los TAD es reagrupar potenciadores y promotores que interactúan juntos dentro de un único dominio funcional grande en lugar de tenerlos dispersos en diferentes TAD. [49] Sin embargo, los estudios del desarrollo del ratón señalan que dos TAD adyacentes pueden regular el mismo grupo de genes. El estudio más relevante sobre la evolución de las extremidades muestra que el TAD en el extremo 5' del grupo de genes HoxD en los genomas de tetrápodos impulsa su expresión en los embriones de la yema de la extremidad distal, dando lugar a la mano, mientras que el ubicado en el lado 3' lo hace en la yema de la extremidad proximal, dando lugar al brazo. [50] Aún así, no se sabe si los TAD son una estrategia adaptativa para mejorar las interacciones reguladoras o un efecto de las restricciones en estas mismas interacciones. Los límites de los TAD a menudo están compuestos por genes de mantenimiento, ARNt, otras secuencias altamente expresadas y elementos intercalados cortos (SINE). Si bien estos genes pueden aprovechar su posición límite para expresarse de forma ubicua, no están directamente relacionados con la formación del borde de los TAD. Las moléculas específicas identificadas en los límites de los TAD se denominan aisladores o proteínas arquitecturales porque no solo bloquean la expresión de potenciadores que no se expresan correctamente, sino que también garantizan una compartimentación precisa de las entradas reguladoras en cis al promotor objetivo. Estos aisladores son proteínas de unión al ADN como CTCF y TFIIIC que ayudan a reclutar socios estructurales como cohesinas y condensinas. La localización y unión de las proteínas arquitecturales a sus sitios de unión correspondientes está regulada por modificaciones postraduccionales. [51]Los motivos de unión al ADN reconocidos por las proteínas arquitecturales son de alta ocupación y están separados por una megabase aproximadamente o de baja ocupación y se encuentran dentro de los TAD. Los sitios de alta ocupación suelen estar conservados y ser estáticos, mientras que los sitios intra-TAD son dinámicos según el estado de la célula; por lo tanto, los propios TAD están compartimentados en subdominios que pueden denominarse subTAD desde unos pocos kb hasta un TAD de longitud (19). Cuando los sitios de unión arquitecturales están separados por menos de 100 kb entre sí, las proteínas mediadoras son las proteínas arquitecturales que cooperan con la cohesión. Para los subTAD de más de 100 kb y los límites de los TAD, el CTCF es el aislante típico que interactúa con la cohesión. [52]

Del complejo preiniciativo y del escape promotor

En eucariotas, el ARNr ribosómico y los ARNt involucrados en la traducción están controlados por la ARN polimerasa I (Pol I) y la ARN polimerasa III (Pol III). La ARN polimerasa II (Pol II) es responsable de la producción de ARN mensajero (ARNm) dentro de la célula. Particularmente para la Pol II, gran parte de los puntos de control reguladores en el proceso de transcripción ocurren en el ensamblaje y escape del complejo de preiniciación . Una combinación específica de genes de factores de transcripción reclutará TFIID y/o TFIIA al promotor central, seguido de la asociación de TFIIB , creando un complejo estable sobre el cual el resto de los Factores de Transcripción General (GTF) pueden ensamblarse. [53] Este complejo es relativamente estable y puede experimentar múltiples rondas de iniciación de la transcripción. [54] Después de la unión de TFIIB y TFIID, Pol II el resto de los GTF pueden ensamblarse. Este ensamblaje está marcado por la modificación postraduccional (típicamente fosforilación) del dominio C-terminal (CTD) de Pol II a través de varias quinasas. [55] El CTD es un dominio grande y no estructurado que se extiende desde la subunidad RbpI de Pol II, y consta de muchas repeticiones de la secuencia de heptada YSPTSPS. TFIIH , la helicasa que permanece asociada con Pol II durante la transcripción, también contiene una subunidad con actividad quinasa que fosforilará las serinas 5 en la secuencia de heptada. De manera similar, tanto CDK8 (una subunidad del complejo masivo multiproteico Mediador) como CDK9 (una subunidad del factor de elongación p-TEFb ), tienen actividad quinasa hacia otros residuos en el CTD. [56] Estos eventos de fosforilación promueven el proceso de transcripción y sirven como sitios de reclutamiento para la maquinaria de procesamiento de ARNm. Las tres quinasas responden a señales ascendentes y la falla en la fosforilación del CTD puede llevar a una polimerasa bloqueada en el promotor.

En el cáncer

En los vertebrados, la mayoría de los promotores de genes contienen una isla CpG con numerosos sitios CpG . [57] Cuando muchos de los sitios CpG del promotor de un gen están metilados , el gen se silencia. [58] Los cánceres colorrectales suelen tener de 3 a 6 mutaciones impulsoras y de 33 a 66 mutaciones autoestopistas o pasajeras. [59] Sin embargo, el silenciamiento transcripcional puede ser de mayor importancia que la mutación a la hora de provocar la progresión al cáncer. Por ejemplo, en los cánceres colorrectales, entre 600 y 800 genes se silencian transcripcionalmente mediante la metilación de la isla CpG (véase regulación de la transcripción en el cáncer ). La represión transcripcional en el cáncer también puede producirse por otros mecanismos epigenéticos , como la expresión alterada de microARN . [60] En el cáncer de mama, la represión transcripcional de BRCA1 puede ocurrir con mayor frecuencia por la sobreexpresión del microARN-182 que por la hipermetilación del promotor BRCA1 (ver Baja expresión de BRCA1 en cánceres de mama y de ovario ).

Referencias

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