Un transcrito primario es el producto de ácido ribonucleico ( ARN ) monocatenario sintetizado por transcripción de ADN y procesado para producir varios productos de ARN maduros, como ARNm , ARNt y ARNr . Los transcritos primarios designados como ARNm se modifican en preparación para la traducción . Por ejemplo, un ARNm precursor (pre-ARNm) es un tipo de transcrito primario que se convierte en un ARN mensajero (ARNm) después del procesamiento .
El pre-ARNm se sintetiza a partir de una plantilla de ADN en el núcleo celular mediante transcripción . El pre-ARNm comprende la mayor parte del ARN nuclear heterogéneo (ARNnh). Una vez que el pre-ARNm se ha procesado por completo , se lo denomina " ARN mensajero maduro " o simplemente " ARN mensajero ". El término ARNnh se utiliza a menudo como sinónimo de pre-ARNm, aunque, en sentido estricto, el ARNnh puede incluir transcripciones de ARN nuclear que no terminan como ARNm citoplasmático.
Existen varios pasos que contribuyen a la producción de transcripciones primarias. Todos estos pasos implican una serie de interacciones para iniciar y completar la transcripción del ADN en el núcleo de los eucariotas . Ciertos factores desempeñan papeles clave en la activación e inhibición de la transcripción, donde regulan la producción de transcripciones primarias. La transcripción produce transcripciones primarias que son modificadas posteriormente por varios procesos. Estos procesos incluyen la tapa 5' , la poliadenilación 3' y el splicing alternativo . En particular, el splicing alternativo contribuye directamente a la diversidad del ARNm que se encuentra en las células. Las modificaciones de las transcripciones primarias se han estudiado más a fondo en la investigación que busca un mayor conocimiento del papel y la importancia de estas transcripciones. Los estudios experimentales basados en los cambios moleculares de las transcripciones primarias y los procesos antes y después de la transcripción han llevado a una mayor comprensión de las enfermedades que involucran a las transcripciones primarias.
Los pasos que contribuyen a la producción de transcripciones primarias implican una serie de interacciones moleculares que inician la transcripción del ADN dentro del núcleo de una célula. Según las necesidades de una célula determinada, se transcriben determinadas secuencias de ADN para producir una variedad de productos de ARN que se traducirán en proteínas funcionales para uso celular. Para iniciar el proceso de transcripción en el núcleo de una célula, se desenrollan las dobles hélices de ADN y se rompen los enlaces de hidrógeno que conectan los ácidos nucleicos compatibles del ADN para producir dos hebras simples de ADN no conectadas. [1] Una hebra de la plantilla de ADN se utiliza para la transcripción del ARNm de transcripción primaria monocatenaria. Esta hebra de ADN está unida por una ARN polimerasa en la región promotora del ADN. [2]
En los eucariotas, se producen tres tipos de ARN ( ARNr , ARNt y ARNm) en función de la actividad de tres ARN polimerasas distintas, mientras que, en los procariotas , solo existe una ARN polimerasa para crear todos los tipos de moléculas de ARN. [3] La ARN polimerasa II de los eucariotas transcribe la transcripción primaria, una transcripción destinada a procesarse en ARNm, a partir de la plantilla de ADN antisentido en la dirección 5' a 3', y esta transcripción primaria recién sintetizada es complementaria a la cadena antisentido de ADN. [1] La ARN polimerasa II construye la transcripción primaria utilizando un conjunto de cuatro residuos específicos de monofosfato de ribonucleósido ( monofosfato de adenosina [AMP], monofosfato de citidina [CMP], monofosfato de guanosina [GMP] y monofosfato de uridina [UMP]) que se agregan continuamente al grupo hidroxilo 3' en el extremo 3' del ARNm en crecimiento. [1]
Los estudios de las transcripciones primarias producidas por la ARN polimerasa II revelan que una transcripción primaria promedio tiene una longitud de 7000 nucleótidos , y algunas pueden llegar a alcanzar los 20 000 nucleótidos. [2] La inclusión de secuencias de exones e intrones dentro de las transcripciones primarias explica la diferencia de tamaño entre las transcripciones primarias más grandes y los ARNm más pequeños, maduros y listos para traducirse en proteínas. [ cita requerida ]
Varios factores contribuyen a la activación e inhibición de la transcripción y, por lo tanto, regulan la producción de transcripciones primarias a partir de una plantilla de ADN determinada. [ cita requerida ]
La activación de la actividad de la ARN polimerasa para producir transcripciones primarias suele estar controlada por secuencias de ADN llamadas potenciadores . Los factores de transcripción , proteínas que se unen a elementos del ADN para activar o reprimir la transcripción, se unen a los potenciadores y reclutan enzimas que alteran los componentes del nucleosoma , lo que hace que el ADN sea más o menos accesible a la ARN polimerasa. Las combinaciones únicas de factores de transcripción activadores o inhibidores que se unen a las regiones potenciadoras del ADN determinan si el gen con el que interactúa el potenciador se activa o no para la transcripción. [4] La activación de la transcripción depende de si el complejo de elongación de la transcripción, que consta de una variedad de factores de transcripción, puede inducir a la ARN polimerasa a disociarse del complejo Mediador que conecta una región potenciadora al promotor. [4]
La inhibición de la actividad de la ARN polimerasa también puede ser regulada por secuencias de ADN llamadas silenciadores . Al igual que los potenciadores, los silenciadores pueden estar ubicados en lugares más arriba o más abajo de los genes que regulan. Estas secuencias de ADN se unen a factores que contribuyen a la desestabilización del complejo de iniciación necesario para activar la ARN polimerasa y, por lo tanto, inhiben la transcripción. [5]
La modificación de histonas por factores de transcripción es otro factor regulador clave para la transcripción por la ARN polimerasa. En general, los factores que conducen a la acetilación de histonas activan la transcripción, mientras que los factores que conducen a la desacetilación de histonas inhiben la transcripción. [6] La acetilación de histonas induce repulsión entre componentes negativos dentro de los nucleosomas, lo que permite el acceso de la ARN polimerasa. La desacetilación de histonas estabiliza nucleosomas estrechamente enrollados, inhibiendo el acceso de la ARN polimerasa. Además de los patrones de acetilación de histonas, los patrones de metilación en las regiones promotoras del ADN pueden regular el acceso de la ARN polimerasa a una plantilla dada. La ARN polimerasa a menudo es incapaz de sintetizar una transcripción primaria si la región promotora del gen objetivo contiene citosinas metiladas específicas, residuos que impiden la unión de factores activadores de la transcripción y reclutan otras enzimas para estabilizar una estructura de nucleosoma estrechamente unida, excluyendo el acceso a la ARN polimerasa y evitando la producción de transcripciones primarias. [4]
Los bucles R se forman durante la transcripción. Un bucle R es una estructura de ácido nucleico de tres cadenas que contiene una región híbrida de ADN-ARN y un ADN monocatenario asociado que no es molde. Las regiones de ADN que se transcriben activamente a menudo forman bucles R que son vulnerables al daño del ADN . Los intrones reducen la formación de bucles R y el daño del ADN en genes de levadura altamente expresados. [7]
Los daños en el ADN se producen en cada célula, todos los días, y la cantidad de daños en cada célula alcanza decenas a cientos de miles, y estos daños en el ADN pueden impedir la transcripción primaria. [8] El proceso de expresión génica en sí mismo es una fuente de daños endógenos en el ADN que resultan de la susceptibilidad del ADN monocatenario a sufrir daños. [8] Otras fuentes de daños en el ADN son los conflictos de la maquinaria de transcripción primaria con la maquinaria de replicación del ADN y la actividad de ciertas enzimas como las topoisomerasas y las enzimas de reparación por escisión de bases . Aunque estos procesos están estrechamente regulados y suelen ser precisos, ocasionalmente pueden cometer errores y dejar atrás roturas de ADN que impulsan reordenamientos cromosómicos o la muerte celular . [8]
La transcripción, una fase altamente regulada en la expresión génica, produce transcripciones primarias. Sin embargo, la transcripción es solo el primer paso, al que deben seguir muchas modificaciones que dan lugar a formas funcionales de ARN. [9] Dicho de otro modo, las transcripciones primarias recién sintetizadas se modifican de varias maneras para convertirse en sus formas maduras y funcionales para producir diferentes proteínas y ARN, como ARNm, ARNt y ARNr. [ cita requerida ]
El proceso básico de modificación de la transcripción primaria es similar para el ARNt y el ARNr tanto en células eucariotas como procariotas. Por otro lado, el procesamiento de la transcripción primaria varía en los ARNm de células procariotas y eucariotas. [9] Por ejemplo, algunos ARNm bacterianos procariotas sirven como plantillas para la síntesis de proteínas al mismo tiempo que se producen a través de la transcripción. Alternativamente, el pre-ARNm de las células eucariotas experimenta una amplia gama de modificaciones antes de su transporte desde el núcleo al citoplasma donde se traducen sus formas maduras. [9] Estas modificaciones son responsables de los diferentes tipos de mensajes codificados que conducen a la traducción de varios tipos de productos. Además, el procesamiento de la transcripción primaria proporciona un control para la expresión génica, así como un mecanismo regulador para las tasas de degradación de los ARNm. El procesamiento del pre-ARNm en células eucariotas incluye el recubrimiento 5' , la poliadenilación 3' y el empalme alternativo . [ cita requerida ]
Poco después de que se inicia la transcripción en eucariotas, el extremo 5' de un pre-ARNm se modifica mediante la adición de una tapa de 7-metilguanosina , también conocida como tapa 5'. [9] La modificación de la tapa 5' se inicia mediante la adición de un GTP al nucleótido terminal 5' del pre-ARNm en orientación inversa seguida de la adición de grupos metilo al residuo G. [9] La tapa 5' es esencial para la producción de ARNm funcionales ya que la tapa 5' es responsable de alinear el ARNm con el ribosoma durante la traducción. [9]
En los eucariotas, la poliadenilación modifica aún más los pre-ARNm, durante lo cual se añade una estructura llamada cola de poli-A . [9] Las señales de poliadenilación, que incluyen varios elementos de la secuencia de ARN, son detectadas por un grupo de proteínas que señalan la adición de la cola de poli-A (de aproximadamente 200 nucleótidos de longitud). La reacción de poliadenilación proporciona una señal para el final de la transcripción y esta reacción termina aproximadamente unos cientos de nucleótidos aguas abajo de la ubicación de la cola de poli-A. [9]
Los pre-ARNm eucariotas tienen sus intrones empalmados por espliceosomas compuestos de pequeñas ribonucleoproteínas nucleares . [10] [11]
En las células eucariotas complejas, un transcrito primario es capaz de preparar grandes cantidades de ARNm maduros gracias al splicing alternativo. El splicing alternativo está regulado de modo que cada ARNm maduro pueda codificar una multiplicidad de proteínas.
El efecto del empalme alternativo en la expresión génica se puede ver en eucariotas complejos que tienen un número fijo de genes en su genoma pero producen un número mucho mayor de productos génicos diferentes. [9] La mayoría de las transcripciones de pre-ARNm eucariotas contienen múltiples intrones y exones. Las diversas combinaciones posibles de sitios de empalme 5' y 3' en un pre-ARNm pueden conducir a diferentes escisiones y combinaciones de exones mientras que los intrones se eliminan del ARNm maduro. Por lo tanto, se generan varios tipos de ARNm maduros. [9] El empalme alternativo tiene lugar en un gran complejo proteico llamado espliceosoma . El empalme alternativo es crucial para la regulación específica de tejidos y del desarrollo en la expresión génica. [9] El empalme alternativo puede verse afectado por varios factores, incluidas mutaciones como la translocación cromosómica .
En los procariotas, el splicing se realiza por escisión autocatalítica o por escisión endolítica. Las escisiones autocatalíticas, en las que no intervienen proteínas, suelen reservarse para las secciones que codifican para el ARNr, mientras que la escisión endolítica corresponde a los precursores del ARNt.
La exposición al 5- fluorouracilo (FUra) en células KB resistentes al metotrexato provocó una reducción de dos veces en los niveles totales de ARNm de dihidrofolato reductasa (DHFR), mientras que el nivel de pre-ARNm de DHFR con ciertos intrones no se vio afectado. La vida media del ARNm o pre-ARNm de DHFR no cambió significativamente, pero la tasa de transición del ARNm de DHFR desde el núcleo al citoplasma disminuyó, lo que sugiere que FUra puede influir en el procesamiento del ARNm y/o la estabilidad nuclear del ARNm de DHFR. [12]
En Drosophila y Aedes , el tamaño del ARNhN (pre-ARNm) fue mayor en Aedes debido a su genoma más grande, a pesar de que ambas especies producen ARNm maduro de tamaño y complejidad de secuencia similares. Esto indica que el tamaño del ARNhN aumenta con el tamaño del genoma. [13]
En las células HeLa , se descubrió que los grupos de espliceosomas en el pre-ARNm se formaban dentro de las motas nucleares , siendo esta formación dependiente de la temperatura e influenciada por secuencias de ARN específicas. La orientación del pre-ARNm y la carga del factor de empalme en las motas fueron fundamentales para la formación del grupo de espliceosomas, lo que dio como resultado un patrón moteado. [14]
El reclutamiento de pre-ARNm hacia las motas nucleares aumentó significativamente la eficiencia de empalme y los niveles de proteína, lo que indica que la proximidad a las motas mejora la eficiencia de empalme. [15]
La investigación también ha permitido conocer mejor ciertas enfermedades relacionadas con cambios en las transcripciones primarias. Un estudio se centró en los receptores de estrógeno y el splicing diferencial. El artículo titulado "Splicing alternativo del transcrito primario del receptor de estrógeno alfa humano: mecanismos de omisión de exones" de Paola Ferro, Alessandra Forlani, Marco Muselli y Ulrich Pfeffer del laboratorio de Oncología Molecular del Instituto Nacional de Investigación del Cáncer en Génova, Italia, explica que 1785 nucleótidos de la región del ADN que codifica el receptor de estrógeno alfa (ER-alfa) se distribuyen en una región que contiene más de 300.000 nucleótidos en la transcripción primaria. El splicing de este pre-ARNm con frecuencia conduce a variantes o diferentes tipos de ARNm que carecen de uno o más exones o regiones necesarias para codificar proteínas. Estas variantes se han asociado con la progresión del cáncer de mama . [16] En el ciclo de vida de los retrovirus , el ADN proviral se incorpora en la transcripción del ADN de la célula que se está infectando. Dado que los retrovirus necesitan transformar su pre-ARNm en ADN para que este ADN pueda integrarse en el ADN del huésped al que están afectando, la formación de esa plantilla de ADN es un paso vital para la replicación del retrovirus. El tipo de célula, la diferenciación o el estado modificado de la célula y el estado fisiológico de la célula dan lugar a un cambio significativo en la disponibilidad y actividad de ciertos factores necesarios para la transcripción. Estas variables crean una amplia gama de expresión génica viral. Por ejemplo, las células de cultivo de tejidos que producen activamente viriones infecciosos de virus de leucemia aviar o murina (ASLV o MLV) contienen niveles tan altos de ARN viral que entre el 5 y el 10 % del ARNm de una célula puede ser de origen viral. Esto demuestra que las transcripciones primarias producidas por estos retrovirus no siempre siguen el camino normal hacia la producción de proteínas y se convierten de nuevo en ADN para multiplicarse y expandirse. [17]