Transcripción del ADN: qué es, proceso en eucariotas y en procariotas
¿Qué es la transcripción del ADN?
La transcripción del ADN es el proceso por el cual la información contenida en el ácido desoxirribonucleico es copiada en forma de una molécula similar, el ARN, bien sea como paso previo para la síntesis de proteínas o para la formación de moléculas de ARN que participan en múltiples procesos celulares de gran importancia (regulación de la expresión genética, señalización, etc.).
A pesar de que no es cierto que todos los genes de un organismo codifican para proteínas, sí lo es que todas las proteínas de una célula, bien sea eucariota o procariota, son codificadas por uno o más genes, donde cada aminoácido está representado por un conjunto de tres bases de ADN (codón).
La síntesis de la cadena polipeptídica perteneciente a cualquier proteína celular ocurre gracias a dos procesos fundamentales: la transcripción y la traducción; ambos sumamente regulados, pues se trata de dos procesos de gran importancia para el funcionamiento de cualquier organismo vivo.
¿En qué consiste la transcripción del ADN?
La transcripción implica la formación de un “molde” de una molécula de ARN conocida como “ARN mensajero” (ARNm) a partir de la secuencia “patrón” codificada en la región del ADN correspondiente al gen que se debe transcribir.
Este proceso es llevado a cabo por una enzima llamada ARN polimerasa, que reconoce lugares especiales en la secuencia de ADN, se une a estos, abre la hebra de ADN y sintetiza una molécula de ARN utilizando una de estas hebras de ADN complementarias como molde o patrón, hasta cuando se encuentra con otra secuencia especial de detención.
La traducción, por otra parte, es el proceso a través del cual ocurre la síntesis de proteínas. Consiste en la “lectura” de la información contenida en el ARNm que fue transcrito a partir de un gen, en la “traducción” de los codones de ADN en aminoácidos y en la formación de una cadena polipeptídica.
La traducción de las secuencias nucleotídicas del ARNm es llevada a cabo por enzimas conocidas como aminoacil-ARNt sintetasas, gracias a la participación de otras moléculas de ARN conocidas como “ARN de transferencia” (ARNt), que son anticodones de los codones contenidos en el ARNm, los cuales son copia fiel de la secuencia de ADN de un gen.
Transcripción en eucariotas (proceso)
En las células eucariotas el proceso de transcripción ocurre dentro del núcleo, que es el principal orgánulo intracelular donde está contenido el ADN en forma de cromosomas. Comienza con la “copia” de la región codificante del gen que se transcribe en una molécula simple banda conocida como ARN mensajero (ARNm).
Puesto que el ADN está confinado en dicho orgánulo, las moléculas de ARNm funcionan como intermediarios o transportadores en la transmisión del mensaje genético desde núcleo hacia el citosol, donde ocurre la traducción del ARN y está toda la maquinaria biosintética para la síntesis de proteínas (los ribosomas).
¿Cómo son los genes eucariotas?
Un gen consiste en una secuencia de ADN cuyas características determinan su función, pues el orden de los nucleótidos en dicha secuencia es el que condiciona su transcripción y posterior traducción (en el caso de aquellos que codifican para proteínas).
Cuando un gen es transcrito, es decir, cuando su información es copiada en forma de ARN, el resultado puede ser un ARN no codificante (ARNnc), que tiene funciones directas en la regulación de la expresión genética, en la señalización celular, etc., o puede ser un ARN mensajero (ARNm), que será luego traducido a una secuencia aminoacídica en un péptido.
Que un gen tenga un producto funcional en forma de ARN o de proteína depende de ciertos elementos o regiones presentes en su secuencia.
Los genes, eucariotas o procariotas, tienen dos hebras de ADN, una conocida como la hebra “sentido” y otra “antisentido”. Las enzimas encargadas de la transcripción de estas secuencias “leen” únicamente una de las dos hebras, típicamente la hebra “sentido” o “codificante”, que tiene “dirección” 5’-3’.
Todo gen posee secuencias reguladoras en sus extremos:
- Si las secuencias están antes de la región codificante (la que será transcrita) se conocen como “promotoras”.
- Si están separadas por muchos kilobases, estas pueden ser “silenciadoras” o “potenciadoras”.
- Aquellas secuencias que se encuentran más cercanas a la región 3’ de los genes usualmente son secuencias terminadoras, que le indican a la polimerasa que debe detenerse y finalizar la transcripción (o la replicación, según sea el caso).
La región promotora se divide en distal y proximal, según su cercanía a la región codificante. Está en el extremo 5’ del gen y es el sitio que reconoce la enzima ARN polimerasa y otras proteínas para iniciar la transcripción del ADN al ARN.
En la parte proximal de la región promotora pueden unirse factores de transcripción, que tienen la capacidad de modificar la afinidad de la enzima a la secuencia que transcribirá, por lo que se encargan de regular positiva o negativamente la transcripción de los genes.
Las regiones potenciadoras y silenciadoras también se encargan de regular la transcripción genética al modificar la “actividad” de las regiones promotoras por su unión con elementos activadores o represores “aguas arriba” de la secuencia codificante del gen.
Se dice que los genes eucariotas están siempre “apagados” o “reprimidos” por defecto, por lo que necesitan de su activación mediante los elementos promotores para poder expresarse (transcribirse).
¿Quiénes están a cargo de la transcripción?
Sea el organismo que sea, la transcripción es llevada a cabo por un grupo de enzimas denominadas ARN polimerasas, que de forma similar a las enzimas encargadas de la replicación del ADN cuando una célula está por dividirse, se especializan en la síntesis una cadena de ARN a partir de una de las hebras de ADN del gen que se transcribe.
Las ARN polimerasas son complejos enzimáticos de gran tamaño compuestos por muchas subunidades. Existen de distintos tipos:
- ARN polimerasa I (Pol I): que transcriben los genes que codifican la subunidad ribosomal “grande”.
- ARN polimerasa II (Pol II): que transcriben los genes codificantes de proteínas y producen micro ARNs.
- ARN polimerasa III (Pol III): que producen los ARN de transferencia utilizados durante la traducción y también el ARN correspondiente a la subunidad pequeña del ribosoma.
- ARN polimerasa IV y V (Pol IV y Pol V): son típicas de plantas y se encargan de la transcripción de ARN pequeños de interferencia.
¿En qué consiste el proceso?
La transcripción genética es un proceso que puede estudiarse como dividido en tres fases: iniciación, elongación y terminación.
Iniciación
La ARN polimerasa (pongamos como ejemplo a la ARN polimerasa II) se une a la secuencia de la región promotora, que consiste en un tramo de 6 a 10 pares de bases en el extremo 5’ del gen, usualmente a unos 35 pares de bases del sitio de inicio de la transcripción.
La unión de la ARN polimerasa conlleva a la “apertura” de la doble hélice del ADN, separando las hebras complementarias. La síntesis del ARN comienza en el sitio conocido como “sitio de iniciación” y ocurre en la dirección 5’-3’, es decir, “aguas abajo” o de izquierda a derecha (por convención).
La iniciación de la transcripción mediada por las ARN polimerasas depende de la presencia concomitante de factores de transcripción proteicos conocidos como factores de transcripción generales, los cuales contribuyen en la “ubicación” de la enzima en la región promotora.
Después de que la enzima ha comenzado a polimerizar, esta se “desprende” tanto de la secuencia promotora como de los factores de transcripción generales.
Elongación
Ocurre a medida que la ARN polimerasa se “mueve” a lo largo de la secuencia de ADN y añade al ARN en crecimiento los ribonucleótidos complementarios con la hebra de ADN que le sirve de “molde”. A medida que la ARN polimerasa “pasa” por la hebra de ADN, esta vuelve a unirse con su hebra antisentido.
La polimerización llevada a cabo por la ARN polimerasa consiste en ataques nucleofílicos del oxígeno en posición 3’ de la cadena de ARN creciente al fosfato “alfa” del siguiente precursor nucleotídico que será añadido, con la consecuente formación de enlaces fosfodiéster y la liberación de una molécula de pirofosfato (PPi).
El conjunto comprendido por la hebra de ADN, la ARN polimerasa y la hebra de ARN naciente se conoce como burbuja o complejo de transcripción.
Terminación
La terminación tiene lugar cuando la polimerasa alcanza la secuencia de terminación, la cual se ubica, lógicamente, “aguas abajo” del sitio de iniciación de la transcripción. Cuando esto ocurre, tanto la enzima como el ARN sintetizado se “despegan” de la secuencia de ADN que se transcribe.
La región de terminación normalmente consiste en una secuencia de ADN que es capaz de “plegarse” sobre sí misma, formando una estructura tipo “lazo de horquilla” (del inglés hairpin loop).
Tras la terminación, la hebra de ARN sintetizada se conoce como transcrito primario, que es liberado del complejo de transcripción, tras lo cual puede o no ser procesado post transcripcionalmente (previo a su traducción a proteína, si es el caso) a través de un proceso llamado “corte y empalme”.
Transcripción en procariotas (proceso)
Dado que las células procariotas no poseen un núcleo envuelto por una membrana, la transcripción ocurre en el citosol, en la región “nuclear” específicamente, donde se concentra el ADN cromosómico (las bacterias poseen un cromosoma circular).
De esta manera, el aumento en la concentración citosólica de una proteína determinada es sustancialmente más rápido en los procariotas que en los eucariotas, ya que los procesos de transcripción y traducción ocurren en el mismo compartimento.
¿Cómo son los genes procariotas?
Los organismos procariotas tienen genes muy similares a los eucariotas: los primeros también se valen de regiones promotoras y reguladoras para su transcripción, aunque una diferencia importante tiene que ver con que la región promotora muchas veces es suficiente para conseguir una “fuerte” expresión de los genes.
En este sentido, es importante mencionar que, por lo general, los genes procariotas están siempre “encendidos” por defecto.
La región promotora se asocia con otra región, usualmente “aguas arriba”, la cual es regulada por moléculas represoras y que se conoce como “región operadora”.
Una diferencia de la transcripción entre procariotas y eucariotas es que normalmente los ARN mensajeros de los eucariotas son monocistrónicos, es decir, cada uno contiene la información para sintetizar una sola proteína, mientras que en los procariotas estos pueden ser monocistrónicos o policistrónicos, donde un solo ARNm puede contener la información para dos o más proteínas.
Así, es bien sabido que los genes procariotas que codifican para proteínas con funciones metabólicas similares, por ejemplo, se encuentran en grupos conocidos como operones, que son transcritos simultáneamente en una forma de una sola molécula de ARN mensajero.
Los genes procariotas están densamente empaquetados, sin muchas regiones no codificantes entre ellos, por lo que una vez transcritos en moléculas de ARN mensajeros lineales, pueden ser traducidos a proteína inmediatamente (los ARNm eucariotas a menudo necesitas procesamiento posterior).
¿Cómo es la ARN polimerasa procariota?
Los organismos procariotas como las bacterias, por ejemplo, emplean la misma enzima ARN polimerasa para transcribir todos sus genes, es decir, aquellos que codifican para las subunidades ribosómicas y aquellos que codifican para las distintas proteínas celulares.
En la bacteria E. coli la ARN polimerasa está compuesta por 5 subunidades polipeptídicas, dos de las cuales son idénticas. Las subunidades α, α, β, β’ comprenden la porción central de la enzima y se ensamblan y desensamblan durante cada evento de transcripción.
Las subunidades α son las que permiten la unión entre el ADN y la enzima; la subunidad β se une a los ribonucleótidos trifosfato que serán polimerizados según el molde de ADN en la molécula de ARNm naciente y la subunidad β’ se une a dicha hebra de ADN molde.
La quinta subunidad, conocida como σ participa en la iniciación de la transcripción y es la que le confiere especificidad a la polimerasa.
¿En qué consiste el proceso?
La transcripción en los procariotas es muy similar a la de los eucariotas (también se divide en iniciación, elongación y terminación), existiendo algunas diferencias en cuanto a la identidad de las regiones promotoras y a la de los factores de transcripción necesarios para que la ARN polimerasa ejerza sus funciones.
A pesar de que las regiones promotoras pueden variar entre las distintas especies procariotas, existen dos secuencias “consenso” conservadas que pueden identificarse fácilmente en la región -10 (TATAAT) y en la región -35 (TTGACA) aguas arriba de la secuencia codificante.
Iniciación
Depende de la subunidad σ de la ARN polimerasa, pues media la interacción entre el ADN y la enzima, haciéndola capaz de reconocer las secuencias promotoras. La iniciación termina cuando se producen algunos transcritos abortivos de unos 10 nucleótidos que son liberados.
Elongación
Cuando la subunidad σ se despega de la enzima comienza la fase de elongación, que consiste en la síntesis de una molécula de ARNm en dirección 5’-3’ (aproximadamente a 40 nucleótidos por segundo).
Terminación
La terminación en los procariotas depende de dos tipos de señales diferentes, puede ser dependiente de Rho e independiente de Rho.
Aquella dependiente de Rho es controlada por esta proteína que “sigue” a la polimerasa a medida que avanza en la síntesis del ARN hasta esta última que consigue una secuencia rica en guaninas (G), se frena y entra en contacto con la proteína Rho, disociándose del ADN y del ARNm.
La terminación independiente de Rho es controlada por secuencias específicas del gen, usualmente ricas en repetidos guanina-citosina (GC).