La regulación postranscripcional es el control de la expresión génica a nivel del ARN . Se produce una vez que la ARN polimerasa se ha unido al promotor del gen y está sintetizando la secuencia de nucleótidos. Por lo tanto, como indica su nombre, se produce entre la fase de transcripción y la fase de traducción de la expresión génica . Estos controles son fundamentales para la regulación de muchos genes en los tejidos humanos. [1] [2] También desempeña un papel importante en la fisiología celular, ya que está implicada en patologías como el cáncer y las enfermedades neurodegenerativas. [3]
Después de ser producidos, la estabilidad y distribución de los diferentes transcritos se regula (regulación postranscripcional) por medio de la proteína de unión al ARN (RBP) que controla los diversos pasos y velocidades controlando eventos como el splicing alternativo , la degradación nuclear ( exosoma ), el procesamiento, la exportación nuclear (tres vías alternativas), el secuestro en P-bodies para almacenamiento o degradación y, finalmente, la traducción . Estas proteínas logran estos eventos gracias a un motivo de reconocimiento de ARN (RRM) que se une a una secuencia específica o estructura secundaria de los transcritos, típicamente en el 5' y 3' UTR del transcrito. En resumen, las secuencias de dsRNA, que se descompondrán en siRNA dentro del organismo, se emparejarán con el ARN para inhibir la expresión génica en la célula.
La modulación de la protección, el empalme, la adición de una cola de poli(A) , las tasas de exportación nuclear específicas de la secuencia y, en varios contextos, el secuestro de la transcripción de ARN se produce en eucariotas , pero no en procariotas . Esta modulación es resultado de una proteína o transcripción que, a su vez, está regulada y puede tener afinidad por ciertas secuencias.
La atenuación de la transcripción es un tipo de regulación procariota que ocurre solo bajo ciertas condiciones. Este proceso ocurre al comienzo de la transcripción del ARN y hace que la cadena de ARN termine antes de la expresión génica. [5] La atenuación de la transcripción es causada por la formación incorrecta de una cadena de ARN naciente. Esta cadena de ARN naciente adopta una estructura secundaria alternativa que no interactúa adecuadamente con la ARN polimerasa . [1] Para que la expresión génica continúe, las proteínas reguladoras deben unirse a la cadena de ARN y eliminar la atenuación, lo que es costoso para la célula. [1] [6]
En los procariotas existen dos mecanismos de atenuación de la transcripción: la terminación intrínseca y la terminación dependiente de factores.
- En el mecanismo de terminación intrínseca , también conocida como terminación independiente de Rho , la cadena de ARN forma una estructura de horquilla de transcripción estable en el extremo 3' de los genes que hace que la ARN polimerasa deje de transcribir. [6] El tallo-bucle es seguido por una serie de U (cola de poli U) que detiene la polimerasa, por lo que la horquilla de ARN tiene tiempo suficiente para formarse. Luego, la polimerasa se disocia debido a la unión débil entre la cola de poli U , del ARN transcrito, y la cola de poli A, de la plantilla de ADN, lo que hace que el ARNm se libere prematuramente. Este proceso inhibe la transcripción. [7] Para aclarar, este mecanismo se llama independiente de Rho porque no requiere ningún factor proteico adicional como lo hace la terminación dependiente del factor, que es un mecanismo más simple para que la célula regule la transcripción genética. [7] Algunos ejemplos de bacterias donde predomina este tipo de regulación son Neisseria, Psychrobacter y Pasteurellaceae , así como la mayoría de bacterias del filo Firmicutes. [7] [6]
- En la terminación dependiente de factores , que es un complejo de factores proteicos que contiene el factor Rho , se une a un segmento de la transcripción de la cadena de ARN. El complejo Rho comienza entonces a buscar en la dirección 3' una ARN polimerasa en pausa. Si se encuentra la polimerasa, el proceso se detiene inmediatamente, lo que da como resultado el aborto de la transcripción del ARN. [5] [6] Aunque este sistema no es tan común como el descrito anteriormente, hay algunas bacterias que utilizan este tipo de terminación, como el operón tna en E. coli . [7]
Este tipo de regulación no es eficiente en eucariotas porque la transcripción ocurre en el núcleo mientras que la traducción ocurre en el citoplasma. Por lo tanto, el mecanismo no es continuo y no puede ejecutarse adecuadamente como lo haría si ambos procesos ocurrieran en el citoplasma. [8]
Los microARN (miARN) parecen regular la expresión de más del 60% de los genes codificadores de proteínas del genoma humano. [9] Si un miARN es abundante, puede comportarse como un "interruptor", activando o desactivando algunos genes. [10] Sin embargo, la expresión alterada de muchos miARN solo conduce a un modesto cambio de 1,5 a 4 veces en la expresión de proteínas de sus genes diana. [10] Los miARN individuales a menudo reprimen varios cientos de genes diana. [9] [11] La represión generalmente ocurre a través del silenciamiento traduccional del ARNm o a través de la degradación del ARNm, mediante la unión complementaria, principalmente a secuencias específicas en la región 3' no traducida del ARNm del gen diana. [12] El mecanismo de silenciamiento traduccional o degradación del ARNm se implementa a través del complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC).
Las proteínas de unión al ARN (RBP) son ensamblajes dinámicos entre ARNm y diferentes proteínas que forman complejos de ribonucleoproteínas mensajeras (mRNP). [13] Estos complejos son esenciales para la regulación de la expresión génica para asegurar que todos los pasos se realicen correctamente a lo largo de todo el proceso. Por lo tanto, son factores de control importantes para los niveles de proteína y los fenotipos celulares. Además, afectan la estabilidad del ARNm regulando su conformación debido al entorno, estrés o señales extracelulares. [13] Sin embargo, su capacidad para unirse y controlar una variedad tan amplia de dianas de ARN les permite formar redes reguladoras complejas (PTRN). Estas redes representan un desafío para estudiar cada proteína de unión al ARN individualmente. [3] Afortunadamente, debido a los nuevos avances metodológicos, la identificación de RBP se está expandiendo lentamente, lo que demuestra que están contenidas en amplias familias de proteínas. Las RBP pueden afectar significativamente a múltiples procesos biológicos y deben expresarse con mucha precisión. [7] La sobreexpresión puede cambiar la tasa de ARNm objetivo, uniéndose a sitios de ARN de baja afinidad y causando resultados perjudiciales en la aptitud celular. No poder sintetizar en el nivel correcto también es problemático porque puede conducir a la muerte celular. Por lo tanto, las RBP se regulan a través de la autorregulación , por lo que controlan sus propias acciones. Además, utilizan tanto la retroalimentación negativa , para mantener la homeostasis, como la retroalimentación positiva , para crear cambios genéticos binarios en la célula. [14]
En los metazoos y las bacterias, muchos genes implicados en la regulación post-post transcripcional se regulan post-transcripcionalmente. [15] [16] [17] Para las RBP de Drosophila asociadas con el empalme o la descomposición mediada por sinsentido, los análisis de los perfiles de interacción proteína-proteína y proteína-ARN han revelado interacciones ubicuas con productos de ARN y proteína del mismo gen. [17] Sigue sin estar claro si estas observaciones están impulsadas por contactos proximales a ribosomas o mediados por ribosomas, o si algunos complejos proteicos, particularmente las RNP, experimentan un ensamblaje co-traduccional.
Esta área de estudio ha ganado recientemente más importancia debido a la evidencia creciente de que la regulación postranscripcional juega un papel más importante de lo que se creía anteriormente. Aunque las proteínas con dominios de unión al ADN son más abundantes que las proteínas con dominios de unión al ARN, un estudio reciente de Cheadle et al. (2005) mostró que durante la activación de las células T, el 55% de los cambios significativos a nivel de estado estacionario no tenían cambios correspondientes a nivel transcripcional, lo que significa que eran el resultado de la regulación de la estabilidad únicamente. [19]
Además, el ARN que se encuentra en el núcleo es más complejo que el que se encuentra en el citoplasma: más del 95% (bases) del ARN sintetizado por la ARN polimerasa II nunca llega al citoplasma . La razón principal de esto se debe a la eliminación de intrones que representan el 80% de las bases totales. [20] Algunos estudios han demostrado que incluso después del procesamiento, los niveles de ARNm entre el citoplasma y el núcleo difieren en gran medida. [21]
La biología del desarrollo es una buena fuente de modelos de regulación, pero debido a las dificultades técnicas fue más fácil determinar las cascadas de factores de transcripción que la regulación a nivel de ARN. De hecho, se sabe que varios genes clave, como los nanos, se unen al ARN, pero a menudo se desconocen sus objetivos. [22] Aunque las proteínas de unión al ARN pueden regular postranscripcionalmente una gran cantidad del transcriptoma, la orientación a un solo gen es de interés para la comunidad científica por razones médicas; se trata de la interferencia del ARN y los microARN , que son ambos ejemplos de regulación postranscripcional, que regulan la destrucción del ARN y cambian la estructura de la cromatina. Para estudiar la regulación postranscripcional se utilizan varias técnicas, como RIP-Chip ( inmunoprecipitación de ARN en chip). [23]
En muchos cánceres se produce una deficiencia en la expresión de un gen de reparación del ADN (véase Defecto de reparación del ADN y riesgo de cáncer y Reparación de microARN y ADN ). En los cánceres se observa a menudo una expresión alterada de microARN (miARN) que disminuye la precisión de la reparación del ADN o aumenta la inexactitud de la reparación del ADN mediante unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ). La deficiencia de la precisión de la reparación del ADN puede ser una fuente importante de la alta frecuencia de mutaciones en el cáncer (véase Frecuencias de mutación en cánceres ). La represión de los genes de reparación del ADN en los cánceres por cambios en los niveles de microARN puede ser una causa más frecuente de represión que la mutación o la metilación epigenética de los genes de reparación del ADN.
Por ejemplo, el BRCA1 se emplea en la vía de reparación recombinatoria homóloga (HR) precisa. La deficiencia de BRCA1 puede causar cáncer de mama. [24] La regulación negativa del BRCA1 debido a la mutación ocurre en aproximadamente el 3% de los cánceres de mama. [25] La regulación negativa del BRCA1 debido a la metilación de su promotor ocurre en aproximadamente el 14% de los cánceres de mama. [26] Sin embargo, el aumento de la expresión de miR-182 regula negativamente la expresión de ARNm y proteína de BRCA1, [27] y el aumento de miR-182 se encuentra en el 80% de los cánceres de mama. [28]
En otro ejemplo, una versión mutada expresada de forma constitutiva (persistente) del oncogén c-Myc se encuentra en muchos cánceres. Entre muchas funciones, c-Myc regula negativamente los microARN miR-150 y miR-22. Estos microARN normalmente reprimen la expresión de dos genes esenciales para MMEJ, Lig3 y Parp1 , inhibiendo así esta vía de reparación del ADN inexacta y mutagénica. Muvarak et al. [29] demostraron, en leucemias, que la expresión constitutiva de c-Myc, que conduce a la regulación negativa de miR-150 y miR-22, permitió una mayor expresión de Lig3 y Parp1 . Esto genera inestabilidad genómica a través de una mayor reparación inexacta del ADN de MMEJ y probablemente contribuye a la progresión a leucemia.
Para demostrar la frecuente capacidad de los microARN de alterar la expresión de la reparación del ADN, Hatano et al. [30] realizaron un amplio estudio de detección, en el que se transfectaron 810 microARN en células que luego se sometieron a radiación ionizante (IR). En el caso de 324 de estos microARN, la reparación del ADN se redujo (las células murieron con mayor eficacia mediante la IR) después de la transfección. En el caso de otros 75 microARN, la reparación del ADN aumentó, con menos muerte celular después de la IR. Esto indica que las alteraciones en los microARN a menudo pueden regular a la baja la reparación del ADN, un probable paso temprano importante en la progresión al cáncer.
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