Universidad Nacional del Nordeste

Facultad de Medicina

Cátedra de Bioquímica

     
  REGULACION DE LA EXPRESION GENETICA
     

 

 

 

 

Brandan, Nora

Profesora Titular. Cátedra de Bioquímica. Facultad de Medicina. UNNE.

Juaristi, Julián

Profesor Titular. Cátedra de Bioquímica. Carrera de Enfermería. Facultad de Medicina. UNNE.

Aguirre, Victoria

Profesora Adjunta. Cátedra de Bioquímica. Facultad de Medicina. UNNE.

Romero Benítez, Margarita

Jefa de Trabajos Prácticos. Cátedra de Bioquímica. Facultad de Medicina. UNNE.

 

 

INTRODUCCION. 1

NIVELES DE REGULACION DE LA EXPRESION PROTEICA EN EUCARIONTES. 1

1)  CONFORMACION Y ESTRUCTURA   DEL ADN. 2

Compactación diferencial de la cromatina. 2

Modificaciones covalentes del ADN. 2

2) CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA. 3

Regulación en CIS. 3

Regulación en TRANS. 4

PROTEINAS DE UNION AL ADN: CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES. 5

1- MOTIVO HELICE–GIRO-HELICE (HLH:  Helix- loop-helix ) 5

2-DEDOS DE ZINC. 5

3- CIERRE DE LEUCINA (Leucine zipper) 6

Otros modos de control transcripcional de la expresión genética. 7

3)- CONTROL  POST-TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA. 7

SITIOS DE POLIADENILACION ALTERNATIVA: 7

SPLICING ALTERNATIVO: 7

EDICIÓN DEL ARN (Mutagénesis dirigida del ARN): 8

TRANSPORTE DEL ARN AL CITOPLASMA: 8

4)- CONTROL TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA. 9

5)- CONTROL POST- TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA. 10

Proteólisis limitada: poliproteínas. 11

Control sobre la estabilidad de las proteínas. 11

BIBLIOGRAFIA. 12

 

2002


 

INTRODUCCION

 

Los organismos multicelulares complejos están compuestos de diferentes tejidos cuyas características individuales dependen de las proteínas específicas expresadas por sus tipos celulares. La diferenciación,  el desarrollo y la funcionalidad  de los tejidos específicos dependen  del conjunto de proteínas selectivamente expresadas por cada célula. Estas proteínas expresadas en forma diferencial pueden  funcionar como componentes estructurales de las células, enzimas reguladoras del metabolismo, factores de transcripción,  receptores celulares, componentes intracelulares de señalización, etc.

La expresión incorrecta de tales proteínas, su expresión en lugares equivocados, a destiempo, o la producción en cantidades anormales de proteínas específicas o de proteínas de función anómala subyace a toda patología celular de base genética.

Por consiguiente el conocimiento de los mecanismos de regulación de la expresión proteica en eucariontes  contribuirá al conocimiento de las bases moleculares de diversas patologías.

NIVELES DE REGULACION DE LA EXPRESION PROTEICA EN EUCARIONTES

 

En las células eucariotas, la capacidad de expresar proteínas biológicamente activas resulta de  diferentes niveles  regulatorios.

 

1)  CONFORMACION Y ESTRUCTURA   DEL ADN

Compactación diferencial de la cromatina

La compactación de la cromatina afecta la capacidad de unión de las enzimas y factores transcripcionales de genes específicos. La cromatina se puede dividir en dos clases según su patrón de tinción. La eucromatina se tiñe suavemente y se corresponde con regiones  del genoma que están disponibles  para la transcripción. Por otro lado,  la heterocromatina, se tiñe intensamente  y se corresponde a regiones del genoma que  están densamente compactadas e inaccesibles para el aparato transcripcional.

Se pueden distinguir dos clases de heterocromatina: la constitutiva y la facultativa. La constitutiva hace referencia a cromosomas o parte de ellos que son heterocromáticos en todas las células de una misma especie, mientras que la facultativa implica zonas de cromosomas que se pueden descompactar tornándose en  eucromatina  en algunas células de un mismo organismo.

Como la heterocromatina no puede ser transcripta, la expresión génica en los eucariontes se puede reprimir  por condensación de eucromatina en heterocromatina. Todavía no se conocen todos los factores que  modulan la descompactación de la cromatina. Ciertamente hay proteínas que reconocen secuencias específicas del DNA y una vez unidas, transmiten la señal  de descondensación de  cerca de 10000 pares de bases correspondientes a un bucle de la cromatina.

 

Las acetilaciones y desacetilaciones de histonas son modificaciones covalentes frecuentes en estos fenómenos de descompactación cromatínica. Un ejemplo típico de este tipo de regulación ocurre  en  la acetilación de coactivadores involucrados en las transcripciones genéticas moduladas por las hormonas tiroideas. Las acetilaciones se producen en los residuos de lisina de los extremos aminoterminales de las histonas, reduciendo su carga positiva y por lo tanto su afinidad de unión al ADN cargado negativamente. La desacetilación de las histonas, mediada por desacetilasas provoca el efecto contrario (recompactación).

 

Secuencias características de organización del DNA como los  palíndromes así como la disposición espacial del  DNA Z han sido relacionados con señalizaciones para el sitio de inicio de la transcripción.

 Modificaciones covalentes del ADN

 

*              Metilaciones de  residuos de desoxi citidina:

 

La metilación de los restos de citosina en el ADN, especialmente en los sitios promotores, dificultan la transcripción. Por ejemplo: los genes de globina están más metilados en células no productoras de hemoglobina que en los eritroblastos. Las metilaciones se producen  en  secuencias específicamente reconocidas ( 5’--- m CpG ---3’) que generalmente se agrupan en “islotes” ricos en GC, con frecuencia  dentro o cerca  de regiones reguladoras de la transcripción.

La metilación puede inhibir la transcripción de los genes al interferir  en la capacidad de los factores de transcripción  para reconocer los sitios de unión al ADN  o alterando las conformaciones del ADN  dificultando la polimerización de la ARN polimerasa. Uno de los ejemplos más espectaculares de la metilación  ocurre durante el fenómeno de impresión genómica. Así, el conjunto de cromosomas heredados del progenitor masculino no es funcionalmente equivalente al conjunto de cromosomas heredados  de la madre.Existen por lo menos 100 genes sometidos a esta expresión diferencial. Las versiones activas e inactivas de los genes difieren en sus patrones de metilación. Las diferencias en los alelos se originan durante la gametogénesis.

 

*              Modificación del número y de la estructura de los genes:

 

La eliminación total o parcial  de genes impide la formación de ARNm y de la proteína correspondiente, los glóbulos rojos son un caso extremo donde una vez sintetizadas las proteínas estructurales y funcionales, la eliminación del núcleo en la etapa de eritroblasto ortocromático produce una célula incapaz de sintetizar toda otra proteína de novo presentando un 90% del contenido proteico total como hemoglobina.

 

Otro caso es la recombinación somática de la línea  germinal de los linfocitos B. En este tipo particular de regulación de la expresión de genética,  los genes codificantes de las cadenas pesadas y livianas de la inmunoglobulinas sufren un rearreglo independiente de la presencia del antígeno. Allí, se produce el corte y empalme al azar de diversos fragmentos génicos de manera irreversible que dan origen al variado repertorio de las inmunoglobulinas.

 

Por otra parte, la presencia de genes en tandem, implica la presencia de  de múltiples copias de un gen que aumentan la capacidad de producción de la proteína requerida en grandes cantidades. Es el caso de los  genes codificantes de histonas y ARN 5S.

 

La regulación génica se puede regular también en función de la disponibilidad del DNA incrementando el número de copias de un gen  accesible. Este mecanismo de regulación se conoce como amplificación génica. Una forma de amplificación es la repetición sucesiva de la replicación de una secuencia específica del ADN. Este fenómeno se observó en la amplificación de ciertos genes cuyos productos son necesarios  para el desarrollo de algunos insectos y anfibios. Como ejemplo puede citarse  el ARN ribosómico en la rana Xenopus laevis, donde los gnes que codifican los ARN r 5.8 S, 18S y 28 S se amplifican de 500 a 2 millones de copias.

2) CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA

Constituye uno de los modos más importantes de regulación de la expresión proteica en eucariontes. En esta categoría están incluídos los promotores, la presencia de secuencias regulatorias potenciadoras (enhancers), y la interacción entre múltiples proteínas activadoras o inhibidoras que actúan mediante su unión a secuencias específicas de reconocimiento al ADN.

Las regulaciones pueden ser de tipo CIS o TRANS.

 Cuando el elemento regulador transcripcional es parte de la cadena polinucleotídica donde se localiza el gen a regular, se denomina regulador CIS. Evidentemente se tratan de secuencias especiales del ADN  (promotores y enhancers).

Cuando los elementos regulatorios son de naturaleza y origen  diferente a la secuencia genética a controlar, la regulación es de tipo TRANS (aquí se incluyen a los factores de transcripción generales,  histoespecíficos y  todas las proteínas regulatorias con capacidad de unión al ADN).

 

Regulación en CIS

*              Promotores

 

El paso inicial de la síntesis de los tres tipos de ARN es la ubicación  de las ARN polimerasas junto a una secuencia del ADN a la altura del denominado promotor del gen a ser transcripto. La ARN polimerasa I sintetiza los ARN r (excepto el 5S), la de tipo II sintetiza los ARN m y algunos ARN sn involucrados en el proceso de corte y empalme del transcripto primario (splicing), mientras que la ARN polimerasa III  sintetiza el ARN r 5S y los ARN t.El más complejo de los procesos regulatorios es el que comprende a los genes de clase II o codificantes de ARN m. Casi todos los genes codificantes de proteínas contienen  promotores basales de dos tipos  y un número variable de dominios regulatorios transcripcionales.

El promotor es una secuencia  que define el sitio de iniciación de  la transcripción del ARN.

Los promotores más frecuentes son los de tipo CCAAT  y TATA , denominados motivos o cajas por su alta conservación evolutiva.

La caja TATA está localizada 20-30 pb corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción . Numerosas proteínas identificadas como TF IIA,B,C, etc.  (factores regulatorios de la ARN polimerasa II) interaccionan con la caja TATA. El promotor CCAAT reside 50-130 pb corriente arriba del sitio de inicio transcripcional. La proteína denominada C/EBP (CCAAT-box /enhancer/binding/protein) se une a esta secuencia. Otra secuencia regulatoria incluye a la caja GC.

Si bien los promotores están preferentemente localizados corriente arriba (5’) del inicio transcripcional, algunos pueden ubicarse corriente abajo (3’) o bien ser de tipo intragénicos. El número y tipo de eleemntos regulatorios varían según cada ARNm. La naturaleza de los promotores y la combinatoria de las proteínas interactuantes con ellos  es uno de los principales mecanismos de regulación en los genes de tipo inducibles.

 

*              Secuencias regulatorias   potenciadoras  (enhancers):

 

 

Existen además secuencias del ADN que pueden localizarse corriente arriba o abajo del gen a regular situadas a miles de pares de bases con respecto al promotor. Las zonas de ADN sobre las cuales se ejercen   acciones activadoras son llamadas potenciadoras o aumentadoras (enhancers en inglés). En términos generales una secuencia regulatoria potenciadora o enhancer regula la frecuencia con la que se realiza el proceso transcripcional.

 

Para un mismo gen pueden existir varias secuencias regulatorias. También existen  reguladores de acción opuesta (silenciadores o amortiguadores de la transcripción). La explicación más simple del fenómeno regulatorio a distancia es  propone que la molécula de ADN  se dobla en asa para permitir  la aproximación de estas zonas alejadas de la doble hélice y ubica a la proteína activadora unida al “enhancer".


 

Regulación en TRANS

*              Factores transcripcionales:

 

A diferencia de las ARN polimerasas bacterianas, las eucarióticas no hacen contacto directo con el ADN promotor sino que son reclutadas hacia este por  complejos de proteínas específicas para cada tipo de ARN polimerasas. Estos complejos se han denominado SL1 para la ARN polimerasa I, TFIID para la ARN pol, II y TF IIIB para la RNA pol III respectivamente.

 No hay duda alguna que los factores transcripcionales de los genes codificantes de proteínas son de crucial importancia en el control del crecimiento y la diferenciación de las células. Muchos de ellos están codificados por protooncogenes, que al activarse pueden alterar la tasa transcripcional o la calidad de las proteínas fisiológicas desencadenando un proceso oncológico.

 

Se pueden distinguir los denominados factores de transcripción generales (componentes del complejo de transcripción basal) y los factores de transcripción histoespecíficos (que se unen a regiones específicas promotoras/reguladoras de los genes y regulan el grado de transcripción desde el complejo de transcripción basal). Ambos tipos de proteína se unen a secuencias en el surco mayor del ADN.

PAsí, p unen a secuencias en el surco mayor del ADN.ara montar la transcripción basal  en un promotor dependiente de la ARN polimerasa II, se reclutan secuencialmente factores de transcripción generales. El primer factor de transcripción general que se une al promotor es el TFIID, que entra en contacto directo con la caja TATA a través de la proteína fijadora de TATA (TBP). Una vez unido el TFIIB  los otros factores de transcripción generales (GTF, del inglés: general transcription factors) se unen secuencialmente y por último se reclutan la ARN polimerasas II y los factores asociados.

Este conjunto conformado por ADN, factores de transcripción generales y ARN polimerasa II se denomina complejo de transcripción basal. Este actúa como objeto de activación o represión transcripcional  por la acción de proteínas regulatorias específicas de tejido. Estos factores  de transcripción histoespecíficos  se unen específicamente  a otras secuencias de ADN en las zonas de control de los genes intercalándose en el surco mayor y comandan la interacción del complejo de transcripción basal  con el ADN, lo que provee una expresión génica regulada histoespecífica.

Además de su dominio de unión al ADN, las proteínas reguladoras de la transcripción  pueden tener dominios para la interacción reversible, no covalente de una proteína con otra, denominados dominios de dimerización. La interacción de dos proteínas a través de estos dominios puede ser un requisito para su unión al ADN. Por lo tanto, la unión de factores de regulación es a menudo de tipo cooperativa Mientras muchos factores diméricos poseen dos proteínas de la misma especie (homodímeros), otros están formados por dos proteínas de diferente naturaleza (heterodímeros).

Es evidente que este tipo de proteínas poseen además de dominios de dimerización, dominios de fijación al ADN y  dominios de activación transcripcional.

 

PROTEINAS DE UNION AL ADN: CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES

 

1- MOTIVO HELICE–GIRO-HELICE (HLH:  Helix- loop-helix )

 

Constituye una zona proteica o dominio compuesto por dos regiones de alfa hélice separadas por una de longitud variable que forma un rulo o bucle entre ellas. Los dominios alfa helicoidales son similares estructuralmente y necesarios para la interacción con secuencias de la proteína que permiten una conformación simétrica respecto de un eje. Esta clase de proteínas a menudo contiene una región rica en aminoácidos básicos localizada en el extremo amino terminal que le permite su unión a secuencias del ADN  reconocidas específicamente. Los dominios HLH son necesarios para la homo y heterodimerización. Ejemplos para las proteínas de unión al ADN con motivos HLH son: Myo D, c-Myc y Max. Varias proteínas que no contienen la zona rica en aminoácidos básicos no se unen al ADN y actúan como represores de la transcripción por esta causa. Así, estas proteínas HLH reprimen  la actividad de otras HLH por formación de heterodímeros y bloqueo de la unión al ADN.

 

2-DEDOS DE ZINC

 

 

 

Este motivo consiste en espaciamientos específicos conformados por  residuos de cisteínas e histidinas que permiten la unión de cationes Zn2+ a la proteína, produciéndose un enlace coordinativo del metal en el centro de ellos. Este fenómeno confiere al dominio aspecto de un dedo, por lo cual es llamado comunmente “dedo de zinc”. Estos dominios pueden encajar en los surcos mayores del ADN. El acople de estos factores regulatorios abarca la mitad de una vuelta de la doble hélice del ADN. Los ejemplos más típicos son  el factor de transcripción de la ARN polimerasa II (TFIIIA) y las proteínas de la superfamilia de receptores de las hormonas permisivas (esteroideas, tiroideas, etc).

 

 

3- CIERRE DE LEUCINA (Leucine zipper)

 

Es un motivo que se origina por la distribución repetitiva de  residuos de leucina espaciados por 7 aminoácidos en una distribución alfa helicoidal de la proteína. Estos residuos de Leu terminan en una zona con residuos R  que protruyen con respecto a la zona helicoidal. Los grupos R se interdigitan con  grupos R de otros dominios de este tipo, estabilizando así la homo o heterodimerización. Los dominios de cierre de lueucina están presentes en proteínas tales como: c-myc, c-fos, c-jun y C/EBP.

La tasa de expresión de un gen es la resultante de la interacción de varios de estos factores de transcripción específicos que inducen o impiden la formación del aparato basal de transcripción (compuesto por los factores de transcripción generales).

Los factores de transcripción específica pueden de unión al ADN pueden activar o bloquear la transcripción si se fijan a secuencias reguladoras consenso cercanas a la región del promotor. Si estas proteínas se fijan a enhancers distantes de la región del promotor pueden aumentar o disminuir la tasa transcripcional de un gen que se está transcribiendo.

La actividad de estos factores de transcripción puede regularse a su vez a través de modificaciones covalentes mediadas por cascadas de quinasas/fosfatasas y en algunos casos por inducción/represión, dependiendo en todos los casos de señales externas. Esto es muy importante para coordinar las funciones biológicas de la célula y su interacción con el medio.

 

 

 

Otros modos de control transcripcional de la expresión genética

SITIOS ALTERNOS DE INICIO DE LA TRANSCRIPCION: Un gen puede codificar para varias proteínas al poseer dos exones 5’ diferentes ej: el gen de la amilasa  y  la cadena ligera de miosina del ratón, la glucoquinasa y la alcohol deshidrogenasa en la rata y la actina en la mosca de la fruta.

 

“PIEDRAS DEL CAMINO”: Una vez iniciada la transcripción, la velocidad del movimiento de la RNA polimerasa puede reducirse e incluso detenerse por periodos breves. Se asume que esto tiene que ver con el encuentro de la polimerasa con determinadas secuencias del ADN llamadas “piedras del camino” por su cualidad de detener la polimerasa. Se sabe que determinados factores de transcripción favorecen el paso de la enzima por estos sitios y otros provocan la liberación del aparato de transcripción de la plantilla, determinando la finalización abrupta de la transcripción al interaccionar con estos sitios.

 

3)- CONTROL  POST-TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA

Aunque el inicio de la transcripción es el sitio primario de la regulación de la expresión de genes, la síntesis del transcripto primario no es el único momento en que las células controlan la producción adecuada de proteínas.

 

SITIOS DE POLIADENILACION ALTERNATIVA:

Puede ocurrir algo similar a la ocurrencia de sitios alternativos de inicio de la transcripción pero en el extremo 3’. En este caso hallándose sobre un mismo gen varios sitios susceptibles de ser poliadenilados como es el caso del gen para la cadena pesada m de inmunoglobulina. Dependiendo del sitio 3’ poliadenilado, la proteína resultante puede anclarse a membrana o ser secretada, de acuerdo al estadío de desarrollo en que se encuentra la célula.

 

SPLICING ALTERNATIVO:

Es un mecanismo muy difundido, que permite que un solo gen pueda codificar para más de una proteína. En muchos de estos casos se conoce más de una vía para procesar el transcripto primario obteniendo proteínas estructural y funcionalmente diferentes  o bien isoformas de una proteína. Los cortes sobre el RNAhn deben producirse con absoluta precisión. Puede ocurrir que uno más exones sean removidos (dando una proteína más corta), o que uno o más intrones no sean removidos (dando una proteína más larga). Se conoce una familia de 6 proteínas llamadas ASF (factores de splicing alternativo) responsables de reconocer y seleccionar los lugares para los cortes alternativos, poseen la característica de contener dominios ricos en serina y arginina por lo que se las llama también proteinas SR. El mecanismo por el cual la célula selecciona los sitios no está claro. Los siguientes son algunos ejemplos de genes cuya expresión puede regularse por splicing alternativo:

*              la a tropomiosina: esta se codifica a partir de un mismo gen pero con una secuencia primaria diferente a partir de ARNm diferentes específicos en 7 tejidos.

*              el gen de la tirosinhidroxilasa humana: Esta enzima expresa 4 isoformas diferentes, es decir similar actividad biológica con diferentes propiedades, en este caso se expresan todas en médula suprarrenal y cerebro. El gen contiene 14 exones, al cortar y empalmar de diferente manera,  la isoforma 2 tiene 12 nucleótidos más que la isoforma 1, la isoforma 3 tiene 81 más y la isoforma 4 tiene 93 nucleótidos más que la isoforma 1.

*              Los RNAm de las cadenas livianas de inmunoglobulinas sufren corte y empalme alternativo, esto contribuye, como veremos en inmunología, a ampliar el repertorio de anticuerpos, es decir a reconocer más antígenos (elementos no propios) a los que pueda ser expuesto el organismo. Así como permite mejorar la respuesta inmune a un antígeno en particular.

*              Un mismo gen como el que codifica para la hormona calcitonina –interviniente en la regulación de los niveles de Calcio plasmático- al ser expresado en las células parafoliculares de la tiroides cuando se expresa en las neuronas hipotalámicas produce una proteína llamada CGRP (Producto relacionado al gen de calcitonina) que actúa como neurotransmisor.

 

 

 

 

*              La fibronectina que cuando es sintetizada por el fibroblasto y liberada a la matriz extracelular expresa dos intrones que no son expresados cuando la proteína es sintetizada en los hepatocitos y secretada al plasma.

*              Algunos genes codificantes para factores de transcripción en células en etapas del desarrollo pueden ser ensamblados alternativamente, la producción de una u otra variante determinará la vía de diferenciación adoptada por la célula.

En la mayor parte de los casos, la diferencia entre los productos de splicing alternativo sobre un mismo ARN difieren en regiones claves que pueden afectar a la proteína en propiedades como: la compartimentalización, el tipo de ligandos al que se unirá, la afinidad con que lo hará y si es una enzima su actividad catalítica.

 

EDICIÓN DEL ARN (Mutagénesis dirigida del ARN):

Si bien el splicing alternativo es la forma mejor estudiada y más habitual de regulación de la expresión genética a nivel de  procesamiento del ARN, no es la única. La mutación puntual de una base en el ARNnh o en el ARNm, puede alterar el producto. Esto no constituye un error sino que es una herramienta utilizada por la célula para lograr una determinada proteína.  En el ser humano este es el caso de las apoproteínas B100 y B48. Ambas son codificadas por el mismo gen y contienen en el ARNnh los mismos exones e intrones. Cuando el gen se expresa en el hepatocito, el ARNnh no sufre ningún tipo de modificación y el RNAm procesado se traduce en ApoB100. En cambio, cuando el gen se expresa en el enterocito se produce una mutación puntual que convierte C por U en el ARNm configurando un codón de terminación que codifica para la ApoB48.

 

TRANSPORTE DEL ARN AL CITOPLASMA:

Los primeros estudios sobre el ARNnh probaron que una fracción de éste es desdoblada en el núcleo por completo antes de generar ARNm. Si bien aún los mecanismos no se conocen con certeza, los estudios actuales sugieren que la célula puede controlar que un ARNnh sea o no procesado. Este es el caso de la porción proteica de  una ribonucleoproteína, la U1A. Cuando ésta se expresa en cantidades altas se puede ligar a su propio ARNnh e inhibir su poliadenilación de modo que el mensajero resultante tiene baja estabilidad y disminuye así tu tasa de expresión.

 

 

ESTABILIDAD DEL ARNm:

A diferencia de los ARNm procariotas, cuyas vidas medias rondan los 1-5 minutos, los ARNm  eucariontes varían ampliamente en su estabilidad.  Por ejemplo: el ARNm de c-fos tiene una vida media de entre 10 y 30’ en cambio el de las cadenas de globina es de más de 24 hs.

La longitud de la cola de poli A está directamente relacionada a la estabilidad citosólica del ARNm y esto se asocia a la protección que ejerce esta secuencia al competir con el resto de la cadena por la unión a nucleasas citosólicas. La cola de poli A se halla ligada a una proteína llamada “Proteína de Enlace de Poli A” (PEPA) que protege a la secuencia de la acción de nucleasas generales y la sensibiliza para nucleasas específicas de poli A. A medida que estas nucleasas actúan la cola de poli A se acorta hasta que ya no puede ligar a PEPA y el ARNm se vuelve susceptible a las nucleasas generales y es rápidamente degradado.

Ciertos transcriptos inestables poseen secuencias predominante pero no exclusivamente, en las regiones 3’ que constituyen señales de rápida degradación  para las nucleasas citoplasmáticas. Estas secuencias se llaman “secuencias desestabilizadoras”, constan de unos 50 nucleótidos y son ricas en A y U. Un grupo de nucleasas citoplásmicas que se conocen como ribozimas y poseen un ARN pequeño en su sitio activo pueden aparear con estas secuencias del extremo 3’ de manera específica, acelerando la degradación del ARNm. Como ejemplo de estos transcriptos hallamos a la mayoría de los ARNm para factores de crecimiento (caracterizados por una vida media muy corta)

 

Ejemplos de control de la estabilidad del ARNm en el citosol:

*              En el organismo humano los únicos mensajeros no poliadenilados son los mensajeros de las histonas, que se sintetizan constantemente a lo largo de todo el ciclo celular pero no se transcribe debido a su gran inestabilidad (vida media de unos pocos minutos). Cuando se progresa en G1/S lo que se incrementa es la tasa de transcripción de los ARN de modo que al haber una gran cantidad disponible. se alcanza a traducir. Una vez que la célula ha ingresado a la fase S la vida media del ARNm de histonas se prolonga hasta 1 hora, posiblemente por la baja actividad de nucleasas en este momento del ciclo celular. 

 

*              La caseína, una proteína de la leche se produce por la glándula mamaria en respuesta a prolactina. Aunque no se conoce con certeza el mecanismo, bajo la acción de prolactina no se aumenta la tasa transcripcional sino que se prolonga la estabilidad del mensajero.

 

*              La tubulina consta de dos subunidades (a y b) que heterodimerizan. Cuando este dímero de tubulina alcanza determinada cantidad en el citosol se une al  extremo N terminal de los péptidos de tubulina nacientes activando una nucleasa específica para los mensajeros de tubulina, ejerciendo así un control de retroalimentación negativa sobre su propia expresión.

 

*              La expresión de receptores de transferrina también se maneja por estabilidad del mensajero. En este caso particular, cuando las concentraciones citosólicas de hierro son bajas, el mensajero liga en su extremo 3’ a la enzima aconitasa llamada también IRF (Factor de respuesta al Hierro) Esto protege al ARNm de la acción de nucleasas. Cuando la concentración citosólica de hierro aumenta, este compite con el mensajero por la  IRF se une al hierro y libera el extremo 3’ del mensajero del receptor de transferrina. Este extremo 3’ posee 5 bucles con secuencias desestabilizadoras que son rápidamente reconocidas por ribozymas. De este modo se reduce la traducción de la proteína y con ello el ingreso de más hierro –innecesario- a la célula.

 

Se descubrió también que los mensajeros no se ubican al azar en el citosol En los fibroblastos humanos el 75% de los ARNm poliadenilados se localizan en la intersección entre filamentos de actina del armazón del citoesqueleto. Si bien no se conoce claramente la significación de este hecho, en experimentos en la mosca de la fruta se comprobó que esta disposición no azarosa tiene un papel muy importante en el proceso de la fecundación.

4)- CONTROL TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA

Casi una tercera parte del ARNm citoplásmico no está unido a ribosomas aún cuando más del 90% de los ribosomas se encuentre en actividad. Se puede regular la velocidad con que los mensajeros son traducidos y el número de veces que debe traducirse. 

Existe un control general, global o inespecífico de la traducción ejercido sobre los factores del complejo de traducción. Por otro lado se conocen casos específicos o control particular de la traducción de ciertos ARNm.

 

CONTROL GENERAL DE LA TRADUCCIÓN: Todos los ARNm celulares tienen cap con la guanosina metilada y esa estructura aumenta la traducción. Cuando por alguna razón de disposición espacial del extremo 5’ del ARN el cap no queda disponible para su interacción el factor de iniciación Ife4E la traducción disminuye. Puede controlarse también la actividad de los factores de iniciación: IFe2B, IFe3, IFe4B e IFe4F. La actividad de estos factores se controla por fosforilación. Esta fosforilación a su vez responde a diversos estímulos que pueden ser fisiológicos  (factores activadores de cascadas de quinasa) o no  ( desnutrición severa, hiperosmolaridad, infección viral o shock térmico)

 

El IFe2B parece ser entre ellos el más importante desde el punto de vista del control de la traducción. En el caso particular del IFe2B es la subunidad a la susceptible de ser fosforilada por una proteinquinasa independiente de AMPc  que  responde a señales de estrés y se inactiva evitando la formación del complejo 40S.

 

El IFe4F puede ser fosforilado por Insulina y Cascadas de quinasa activadas por mitógeno en este caso la fosforilación activa al factor promoviendo un aumento en la traducción. Existen 2 proteínas (4E-BP1 y 4E-BP2) que se ligan al IFe4F inactivándola. La insulina y los factores de crecimiento pueden fosforilarlas liberando al IFe4F y dejando disponibles los sitios de fosforilación para potenciar la estimulación de la actividad del factor y con ello la síntesis de proteínas.

 

CONTROL PARTICULAR DE LA TRADUCCIÓN : Depende de sustancias reguladoras que modifican la configuración de un tramo de nucleótidos no traducibles localizados en el extremo 5’ entre el cap y el codón de iniciación.

Un ejemplo de este tipo de regulación lo proporciona la traducción del mensajero de la Ferritina que se une al hierro para su depósito intracelular. Cuando las concentraciones citosólicas de hierro aumentan la síntesis de ferritina se produce a altas velocidades, el hierro se liga a la aconitasa o IRF. En cambio, cuando estas concentraciones disminuyen la IRF queda libre y se liga al ARNm de la ferritina formando un bucle en el extremo 5’ que impide el ligado de IFe4F y con ello el ensamblaje del aparato de traducción, bloqueando de esta manera la producción innecesaria de proteína.

Otro ejemplo podemos verlo en los reticulocitos en que la síntesis del hem está controlada por el propio grupo hem. Cuando hay suficiente hem, este activa a la proteinquinasa de IFe2B regulada por hem que inactiva al factor por fosforilación.

 

En los últimos años se han descubierto nuevos procesos en cuanto a control de la traducción que operan en algunas células en particular. Ellos son

*              CAMBIO DEL MARCO DE LA TRADUCCIÓN: es decir, el ribosoma cambia la pauta de lectura en algún punto de su movimiento a lo largo del ARNm desplazándose un nucleótido hacia atrás o hacia delante, pudiendo, un mismo mensajero dar origen a dos proteínas.

 

*              SALTO DEL CODÓN DE TERMINACIÓN: el ribosoma pasa por alto el codón de terminación y continúa leyendo la secuencia de nucleótidos.

 

*              PASO POR ALTO DE LA TRADUCCIÓN: el ribosoma “salta” una secuencia de nucleótidos en el mensajero de modo que queda un mensajero más largo que la proteína porque resta una porción interna del mensaje sin traducir, pudiendo nuevamente un mismo mensajero dar origen a dos proteínas

 

*              EMPALME DE PROTEÍNAS: Al modo del splicing se conocen casos en que un segmento específico del polipéptido se secciona y los dos bordes se unen en forma covalente.

5)- CONTROL POST- TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA

 

El péptido naciente del ribosoma puede sufrir diversas modificaciones acorde con su función biológica posterior incluyendo, remoción del extremo amino terminal, agregado se secuencias señal para exportación, acilaciones, metilaciones, sulfataciones, glicosilaciones, prenilaciones, modificaciones dependientes de vitamina C, carboxilaciones dependientes de vitamina K –como en el caso de los factores de coagulación-  o bien clivajes post-traduccionales para tornarse activas (lo cual es un modo de controla su actividad como en el caso de algunas enzimas y hormonas peptídicas)

Todas estas modificaciones pueden ser controladas por señales internas (pH intracelular, actividad de chaperonas moleculares) o externas (cascadas de quinasa que controlan fosforilaciones) Cualquier problema en estas modificaciones post-traduccionales puede desencadenar alteraciones en la fisiología de la célula. La actividad post-traduccional se controla a través de la regulación de la actividad de las enzimas intervinientes en los procesos citados.

Cualquiera sea la estructura y función de la proteína es indispensable un correcto plegamiento post-traduccional de los péptidos ya que la formación de estructuras 2º, suprasecundarias y 3º, así como las oligomerizaciones serán las responsables de que la proteína sea funcional.

Proteólisis limitada: poliproteínas

Algunos mensajeros codifican para poliproteínas. Éstas son productos transitorios que se escinden en varias proteínas, cada una con estructura y función diferente. Un ejemplo de poliproteína es el producto del gen POMC (Proopiomelanocortina) que puede escindirse en modo diferencial según sea que esté en las células adrenocorticotropas del lóbulo anterior de la hipófisis –generando ACTH y b lipotrofina- o en las células de la pars intermedia donde genera bendorfina, glipotrofina y hormona estimulante de Melanocitos en sus dos formas aMSH y bMSH.

 

 

 

 

Control sobre la estabilidad de las proteínas

Las células pueden controlar el tiempo de supervivencia de las proteínas una vez que han sido sintetizadas y modificadas post-traduccionalmente. Aunque no se trata directamente de la regulación de la expresión de genes, es una  extensión del tema.

Los mecanismos que controlan la estabilidad proteica no están bien comprendidos, aunque se sabe que en las proteínas que en el extremo amino terminal son ricos en metionina, serina, alanina, treonina, valina y glicina son estables por más de 20hs en cambio los que son ricos en fenilalanina, ácido aspártico, lisina y arginina tienen una vida menor a 5’. Esto se llama “Regla del Extremo N”. Las últimas  secuencias mencionadas se llamas “Secuencias PEST” – por la nomenclatura internacional de aminoácidos- y son altamente sensibles al reconocimiento por ubiquitina y con ello su degradación en el proteasoma.  

 

BIBLIOGRAFIA

  1. Murray, Granner, Johnes. Bioquímica de Harper. 15º Edición. (2002).
  2. Roscovsky, R. Bioquímica. (1999).
  3. Karp, G. Biología Celular. (2000).
  4. De Robertis, Hibb. Fundamentos de Biología Celular y Molecular. (1999).
  5. Cox T.M., Sinclair D. Biología Molecular en Medicina. Ed. Médica Panamericana. (1998).
  6. Balcavage W.X., King M.W., Appleton, Lange. Biochemistry. 1ª Ed. (1995).