La regulación traduccional se refiere al control de los niveles de proteína sintetizada a partir de su ARNm . Esta regulación es muy importante para la respuesta celular a los factores estresantes, las señales de crecimiento y la diferenciación . En comparación con la regulación transcripcional , da como resultado un ajuste celular mucho más inmediato a través de la regulación directa de la concentración de proteínas. Los mecanismos correspondientes se centran principalmente en el control del reclutamiento de ribosomas en el codón de iniciación , pero también pueden implicar la modulación de la elongación de péptidos, la terminación de la síntesis de proteínas o la biogénesis de ribosomas . Si bien estos conceptos generales se conservan ampliamente, se ha demostrado que algunos de los detalles más finos de este tipo de regulación difieren entre organismos procariotas y eucariotas.
La iniciación de la traducción está regulada por la accesibilidad de los ribosomas a la secuencia Shine-Dalgarno . Este tramo de cuatro a nueve residuos de purina se encuentra aguas arriba del codón de iniciación y se hibrida con una secuencia rica en pirimidinas cerca del extremo 3' del ARN 16S dentro de la subunidad ribosomal bacteriana 30S . [1] El polimorfismo en esta secuencia particular tiene efectos tanto positivos como negativos en la eficiencia del apareamiento de bases y la posterior expresión de proteínas. [2] La iniciación también está regulada por proteínas conocidas como factores de iniciación que proporcionan asistencia cinética a la unión entre el codón de iniciación y el ARNt fMet , que proporciona el anticodón 3'-UAC-5'. IF1 se une primero a la subunidad 30S, lo que instiga un cambio conformacional [3] que permite la unión adicional de IF2 e IF3. [4] IF2 asegura que el ARNt fMet permanezca en la posición correcta mientras que IF3 corrige el apareamiento de bases del codón de iniciación para evitar la iniciación no canónica en codones como AUU y AUC. [5] Generalmente, estos factores de iniciación se expresan en igual proporción que los ribosomas, sin embargo, los experimentos que utilizan condiciones de choque frío han demostrado que crean desequilibrios estequiométricos entre esta maquinaria de traducción. En este caso, los cambios de dos a tres veces en la expresión de los factores de iniciación coinciden con una mayor favorabilidad hacia la traducción de ARNm específicos sometidos a choque frío. [6]
Debido a que la elongación de la traducción es un proceso irreversible , se conocen pocos mecanismos de regulación de la misma. Sin embargo, se ha demostrado que la eficiencia de la traducción se reduce a través de la disminución de los depósitos de ARNt, que son necesarios para la elongación de los polipéptidos. De hecho, la riqueza de estos depósitos de ARNt es susceptible de cambiar a través del suministro de oxígeno celular. [7]
La terminación de la traducción requiere la coordinación entre las proteínas de los factores de liberación, la secuencia del ARNm y los ribosomas. Una vez que se lee un codón de terminación, los factores de liberación RF-1, RF-2 y RF-3 contribuyen a la hidrólisis del polipéptido en crecimiento, que termina la cadena. Las bases que se encuentran aguas abajo del codón de terminación afectan la actividad de estos factores de liberación. De hecho, algunas bases próximas al codón de terminación suprimen la eficiencia de la terminación de la traducción al reducir la actividad enzimática de los factores de liberación. Por ejemplo, la eficiencia de terminación de un codón de terminación UAAU es cercana al 80%, mientras que la eficiencia de UGAC como señal de terminación es solo del 7%. [8]
Al comparar la iniciación en eucariotas con la de procariotas, quizás una de las primeras diferencias notables es el uso de un ribosoma 80S más grande. La regulación de este proceso comienza con el suministro de metionina por un anticodón de ARNt que forma pares de bases con AUG. Este apareamiento de bases se produce por el mecanismo de barrido que se produce una vez que la pequeña subunidad ribosomal 40S se une a la región no traducida (UTR) 5' del ARNm. El uso de este mecanismo de barrido, en oposición a la secuencia Shine-Dalgarno a la que se hizo referencia en procariotas, es la capacidad de regular la traducción a través de estructuras secundarias de ARN aguas arriba . Esta inhibición de la iniciación a través de estructuras de ARN complejas puede evitarse en algunos casos mediante sitios de entrada ribosomal internos (IRES) que localizan complejos de preiniciación (PIC) en el sitio de inicio. [9] Además de esto, la guía del PIC al 5' UTR está coordinada por subunidades del PIC, conocidas como factores de iniciación eucariota (eIF). Cuando algunas de estas proteínas se regulan a la baja a través de estreses, la iniciación de la traducción se reduce al inhibir la iniciación dependiente de la tapa , la activación de la traducción mediante la unión de eIF4E a la tapa 5' 7-metilguanilato . eIF2 es responsable de coordinar la interacción entre el Met-ARNt i Met y el sitio P del ribosoma. La regulación por fosforilación de eIF2 está asociada en gran medida con la terminación de la iniciación de la traducción. [10] Las serina quinasas , GCN2 , PERK, PKR y HRI son ejemplos de mecanismos de detección para diferentes estreses celulares que responden al ralentizar la traducción a través de la fosforilación de eIF2.
La diferencia distintiva de la elongación en eucariotas en comparación con procariotas es su separación de la transcripción. Mientras que los procariotas pueden experimentar ambos procesos celulares simultáneamente, la separación espacial que proporciona la membrana nuclear impide este acoplamiento en eucariotas. El factor de elongación eucariota 2 (eEF2) es una translocasa dependiente de GTP regulable que mueve las cadenas polipeptídicas nacientes del sitio A al sitio P en el ribosoma. La fosforilación de la treonina 56 inhibe la unión de eEF2 al ribosoma. [11] Se ha demostrado que los factores estresantes celulares, como la anoxia, inducen inhibición de la traducción a través de esta interacción bioquímica. [12]
Desde el punto de vista mecanístico, la terminación de la traducción eucariota coincide con su contraparte procariota. En este caso, la terminación de la cadena polipeptídica se logra mediante la acción hidrolítica de un heterodímero que consiste en factores de liberación, eRF1 y eRF3 . Se dice que la terminación de la traducción es permeable en algunos casos, ya que los ARNt no codificantes pueden competir con los factores de liberación para unirse a los codones de terminación. Esto es posible debido a la coincidencia de 2 de las 3 bases dentro del codón de terminación por parte de los ARNt que ocasionalmente pueden superar el emparejamiento de bases del factor de liberación. [13] Un ejemplo de regulación a nivel de terminación es la lectura funcional de la traducción del gen LDHB de la lactato deshidrogenasa . Esta lectura proporciona una señal de orientación peroxisomal que localiza el LDHBx distintivo en el peroxisoma. [14]
La traducción en las plantas está estrechamente regulada, al igual que en los animales; sin embargo, no se comprende tan bien como la regulación transcripcional. Existen varios niveles de regulación, que incluyen la iniciación de la traducción, la renovación del ARNm y la carga de los ribosomas. Estudios recientes han demostrado que la traducción también está bajo el control del reloj circadiano. Al igual que la transcripción, el estado de traducción de numerosos ARNm cambia a lo largo del ciclo diario (período día-noche). [15]