En genética molecular , la región no traducida principal ( 3′-UTR ) es la sección del ARN mensajero (ARNm) que sigue inmediatamente al codón de terminación de la traducción . La 3′-UTR a menudo contiene regiones reguladoras que influyen postranscripcionalmente en la expresión génica .
Durante la expresión génica , una molécula de ARNm se transcribe a partir de la secuencia de ADN y luego se traduce en una proteína . Varias regiones de la molécula de ARNm no se traducen en una proteína, incluidas la tapa 5' , la región 5' no traducida , la región 3' no traducida y la cola de poli(A) . Las regiones reguladoras dentro de la región 3' no traducida pueden influir en la poliadenilación , la eficiencia de la traducción, la localización y la estabilidad del ARNm. [1] [2] El 3'-UTR contiene sitios de unión tanto para proteínas reguladoras como para microARN (miARN). Al unirse a sitios específicos dentro del 3'-UTR, los miARN pueden disminuir la expresión génica de varios ARNm inhibiendo la traducción o causando directamente la degradación de la transcripción. El 3'-UTR también tiene regiones silenciadoras que se unen a proteínas represoras e inhibirán la expresión del ARNm.
Muchos 3'-UTR también contienen elementos ricos en AU (ARE). Las proteínas se unen a los ARE para afectar la estabilidad o la tasa de descomposición de las transcripciones de manera localizada o afectar el inicio de la traducción. Además, el 3'-UTR contiene la secuencia AAUAAA que dirige la adición de varios cientos de residuos de adenina llamados cola de poli(A) al final de la transcripción de ARNm. La proteína de unión de poli(A) (PABP) se une a esta cola, lo que contribuye a la regulación de la traducción, la estabilidad y la exportación del ARNm. Por ejemplo, la PABP unida a la cola de poli(A) interactúa con las proteínas asociadas con el extremo 5' de la transcripción, lo que provoca una circularización del ARNm que promueve la traducción.
La 3′-UTR también puede contener secuencias que atraen proteínas para asociar el ARNm con el citoesqueleto , transportarlo hacia o desde el núcleo celular o realizar otros tipos de localización. Además de las secuencias dentro de la 3′-UTR, las características físicas de la región, incluida su longitud y estructura secundaria , contribuyen a la regulación de la traducción. Estos diversos mecanismos de regulación genética garantizan que los genes correctos se expresen en las células correctas en los momentos apropiados.
La 3′-UTR del ARNm tiene una gran variedad de funciones reguladoras que están controladas por las características físicas de la región. Una de esas características es la longitud de la 3′-UTR, que en el genoma de los mamíferos tiene una variación considerable. Esta región de la transcripción del ARNm puede variar de 60 nucleótidos a aproximadamente 4000. [3] En promedio, la longitud de la 3′-UTR en humanos es de aproximadamente 800 nucleótidos, mientras que la longitud promedio de las 5′-UTR es de solo unos 200 nucleótidos. [4] La longitud de la 3′-UTR es significativa ya que las 3′-UTR más largas se asocian con niveles más bajos de expresión génica. Una posible explicación para este fenómeno es que las regiones más largas tienen una mayor probabilidad de poseer más sitios de unión de miRNA que tienen la capacidad de inhibir la traducción. Además de la longitud, la composición de nucleótidos también difiere significativamente entre la 5' y la 3′-UTR. El porcentaje medio de G+C de la región 5'-UTR en vertebrados de sangre caliente es de alrededor del 60%, en comparación con solo el 45% de las regiones 3'-UTR. Esto es importante porque se ha observado una correlación inversa entre el porcentaje de G+C de las regiones 5' y 3'-UTR y sus longitudes correspondientes. Las regiones UTR pobres en GC tienden a ser más largas que las ubicadas en regiones genómicas ricas en GC. [4]
Las secuencias dentro de la UTR 3' también tienen la capacidad de degradar o estabilizar la transcripción del ARNm. Las modificaciones que controlan la estabilidad de una transcripción permiten que la expresión de un gen se controle rápidamente sin alterar las tasas de traducción. Un grupo de elementos en la UTR 3' que pueden ayudar a desestabilizar una transcripción de ARNm son los elementos ricos en AU (ARE). Estos elementos varían en tamaño de 50 a 150 pares de bases y generalmente contienen múltiples copias del pentanucleótido AUUUA. Los primeros estudios indicaron que los ARE pueden variar en secuencia y caer en tres clases principales que difieren en el número y la disposición de los motivos. [1] Otro conjunto de elementos que está presente tanto en la UTR 5' como en la UTR 3' son los elementos de respuesta al hierro (IRE). El IRE es una estructura de tallo-bucle dentro de las regiones no traducidas de los ARNm que codifican proteínas involucradas en el metabolismo celular del hierro. La transcripción del ARNm que contiene este elemento se degrada o se estabiliza dependiendo de la unión de proteínas específicas y las concentraciones intracelulares de hierro. [3]
El 3′-UTR también contiene secuencias que indican que se deben realizar adiciones, ya sea al transcrito en sí o al producto de la traducción. Por ejemplo, hay dos señales de poliadenilación diferentes presentes dentro del 3′-UTR que indican la adición de la cola de poli(A). Estas señales inician la síntesis de la cola de poli(A) en una longitud definida de aproximadamente 250 pares de bases. [1] La señal principal utilizada es la señal de poliadenilación nuclear (PAS) con la secuencia AAUAAA ubicada hacia el final del 3′-UTR. [3] Sin embargo, durante el desarrollo temprano, la poliadenilación citoplasmática puede ocurrir en su lugar y regular la activación traduccional de los ARNm maternos. El elemento que controla este proceso se llama CPE, que es rico en AU y también se encuentra en el 3′-UTR. El CPE generalmente tiene la estructura UUUUUUAU y generalmente se encuentra a 100 pares de bases del PAS nuclear. [3] Otra adición específica señalada por el 3'-UTR es la incorporación de selenocisteína en los codones UGA de los ARNm que codifican selenoproteínas. Normalmente, el codón UGA codifica una terminación de la traducción, pero en este caso, una estructura de tallo-bucle conservada llamada secuencia de inserción de selenocisteína (SECIS) provoca la inserción de selenocisteína en su lugar. [4]
La región 3′ no traducida desempeña un papel crucial en la expresión génica al influir en la localización, estabilidad, exportación y eficiencia de la traducción de un ARNm. Contiene varias secuencias que intervienen en la expresión génica, incluidos los elementos de respuesta a microARN (MRE), los elementos ricos en AU (ARE) y la cola de poli(A). Además, las características estructurales del 3′-UTR, así como su uso de poliadenilación alternativa, desempeñan un papel en la expresión génica.
El 3'-UTR a menudo contiene elementos de respuesta a microARN (MRE), que son secuencias a las que se unen los miARN. Los miARN son moléculas de ARN cortas y no codificantes capaces de unirse a las transcripciones de ARNm y regular su expresión. Un mecanismo de los miARN implica el apareamiento parcial de bases de la secuencia semilla 5' de un miARN con un MRE dentro del 3'-UTR de un ARNm; esta unión luego causa represión de la traducción.
Además de contener MRE, el 3'-UTR también contiene a menudo elementos ricos en AU (ARE) , que tienen una longitud de 50 a 150 pb y suelen incluir muchas copias de la secuencia AUUUA. Las proteínas de unión a ARE (ARE-BP) se unen a elementos ricos en AU de una manera que depende del tipo de tejido, tipo de célula, momento, localización celular y entorno. En respuesta a diferentes señales intracelulares y extracelulares, las ARE-BP pueden promover la descomposición del ARNm, afectar la estabilidad del ARNm o activar la traducción. Este mecanismo de regulación genética está involucrado en el crecimiento celular, la diferenciación celular y la adaptación a estímulos externos. Por lo tanto, actúa sobre las transcripciones que codifican citocinas , factores de crecimiento , supresores tumorales, protooncogenes , ciclinas , enzimas , factores de transcripción , receptores y proteínas de membrana . [1]
La cola de poli(A) contiene sitios de unión para las proteínas de unión de poli(A) (PABP). Estas proteínas cooperan con otros factores para afectar la exportación, estabilidad, descomposición y traducción de un ARNm. Las PABP unidas a la cola de poli(A) también pueden interactuar con proteínas, como los factores de iniciación de la traducción, que están unidos a la tapa 5' del ARNm. Esta interacción provoca la circularización de la transcripción, que posteriormente promueve la iniciación de la traducción. Además, permite una traducción eficiente al provocar el reciclaje de los ribosomas . [1] [2] Si bien la presencia de una cola de poli(A) generalmente ayuda a desencadenar la traducción, la ausencia o eliminación de una a menudo conduce a la degradación mediada por exonucleasas del ARNm. La poliadenilación en sí está regulada por secuencias dentro del 3'-UTR de la transcripción. Estas secuencias incluyen elementos de poliadenilación citoplasmáticos (CPE), que son secuencias ricas en uridina que contribuyen tanto a la activación como a la represión de la poliadenilación. La proteína de unión a CPE (CPEB) se une a los CPE junto con una variedad de otras proteínas para provocar diferentes respuestas. [2]
Si bien la secuencia que constituye la región 3'-UTR contribuye en gran medida a la expresión génica, las características estructurales de la región 3'-UTR también desempeñan un papel importante. En general, las regiones 3'-UTR más largas corresponden a tasas de expresión más bajas, ya que a menudo contienen más sitios de unión de miRNA y proteínas que participan en la inhibición de la traducción. [1] [2] [5] Las transcripciones humanas poseen regiones 3'-UTR que son, en promedio, el doble de largas que otras regiones 3'-UTR de mamíferos. Esta tendencia refleja el alto nivel de complejidad involucrado en la regulación génica humana. Además de la longitud, la estructura secundaria de la región 3'-no traducida también tiene funciones reguladoras. Los factores proteicos pueden ayudar o interrumpir el plegamiento de la región en varias estructuras secundarias. La estructura más común es un tallo-bucle, que proporciona un andamiaje para las proteínas de unión de ARN y los ARN no codificantes que influyen en la expresión de la transcripción. [1]
Otro mecanismo que involucra la estructura del 3'-UTR se llama poliadenilación alternativa (APA), que da como resultado isoformas de ARNm que difieren solo en sus 3'-UTR. Este mecanismo es especialmente útil para organismos complejos , ya que proporciona un medio para expresar la misma proteína pero en cantidades y ubicaciones variables. Es utilizado por aproximadamente la mitad de los genes humanos. APA puede resultar de la presencia de múltiples sitios de poliadenilación o exones terminales mutuamente excluyentes . Dado que puede afectar la presencia de sitios de unión de proteínas y miRNA, APA puede causar expresión diferencial de transcripciones de ARNm al influir en su estabilidad, exportación al citoplasma y eficiencia de traducción. [1] [5] [6]
Los científicos utilizan varios métodos para estudiar las estructuras y funciones complejas de la UTR 3'. Incluso si se demuestra que una UTR 3' dada en un ARNm está presente en un tejido, se deben determinar los efectos de la localización, la vida media funcional, la eficiencia de la traducción y los elementos que actúan en trans para comprender la funcionalidad completa de la UTR 3'. [7] Los enfoques computacionales, principalmente mediante análisis de secuencias, han demostrado la existencia de ARE en aproximadamente el 5 al 8% de las UTR 3' humanas y la presencia de uno o más objetivos de miRNA en hasta el 60% o más de las UTR 3' humanas. El software puede comparar rápidamente millones de secuencias a la vez para encontrar similitudes entre varias UTR 3' dentro del genoma. Se han utilizado enfoques experimentales para definir secuencias que se asocian con proteínas de unión de ARN específicas; específicamente, las mejoras recientes en las técnicas de secuenciación y reticulación han permitido el mapeo preciso de los sitios de unión de proteínas dentro de la transcripción. [8] Las mutaciones inducidas en sitios específicos, por ejemplo las que afectan el codón de terminación, la señal de poliadenilación o la estructura secundaria del 3′-UTR, pueden mostrar cómo las regiones mutadas pueden causar desregulación de la traducción y enfermedades. [9] Estos tipos de métodos de transcripción completa deberían ayudarnos a comprender los elementos cis conocidos y los factores transreguladores dentro de los 3′-UTR.
Las mutaciones 3'-UTR pueden tener muchas consecuencias porque una alteración puede ser responsable de la expresión alterada de muchos genes. Desde el punto de vista transcripcional, una mutación puede afectar solo al alelo y los genes que están físicamente vinculados. Sin embargo, dado que las proteínas de unión 3'-UTR también funcionan en el procesamiento y la exportación nuclear de ARNm, una mutación también puede afectar a otros genes no relacionados. [9] La desregulación de las proteínas de unión a ARE (AUBP) debido a mutaciones en regiones ricas en AU puede conducir a enfermedades que incluyen tumorigénesis (cáncer), neoplasias hematopoyéticas, leucemogénesis y retraso del desarrollo/trastornos del espectro autista. [10] [11] [12] Un número expandido de repeticiones de trinucleótidos (CTG) en el 3'-UTR del gen de la proteína quinasa de la distrofia miotónica (DMPK) causa distrofia miotónica . [7] La inserción retrotransposal de 3 kilobases de secuencias repetidas en tándem dentro del 3'-UTR de la proteína fukutina está vinculada a la distrofia muscular congénita de tipo Fukuyama. [7] Los elementos en el 3'-UTR también se han vinculado a la leucemia mieloide aguda humana , alfa-talasemia , neuroblastoma , queratinopatía , aniridia , síndrome IPEX y defectos cardíacos congénitos . [9] Las pocas enfermedades mediadas por UTR identificadas solo insinúan los innumerables vínculos que aún quedan por descubrir.
A pesar de los conocimientos actuales sobre las 3′-UTR, aún son un misterio relativo. Dado que los ARNm suelen contener varios elementos de control superpuestos, a menudo es difícil especificar la identidad y la función de cada elemento de la 3′-UTR, y mucho menos los factores reguladores que pueden unirse a estos sitios. Además, cada 3′-UTR contiene muchos elementos alternativos ricos en AU y señales de poliadenilación. Estos elementos que actúan en cis y trans, junto con los miRNA, ofrecen una gama prácticamente ilimitada de posibilidades de control dentro de un único ARNm. [7] Las investigaciones futuras mediante el mayor uso de la caracterización de ribosomas basada en secuenciación profunda revelarán más sutilezas reguladoras, así como nuevos elementos de control y AUBP. [1]
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