¿Qué es la transcripción?

La transcripción es el primer paso esencial en la expresión genética, el proceso por el cual una célula lee su plan genético y lo convierte en moléculas funcionales. Implica copiar un segmento específico de ADN en un hilo complementario de ARN mensajero (mRNA). Este mRNA entonces lleva el código genético del núcleo a los ribosomas, donde dirige la síntesis de proteínas necesarias. Sin transcripción, la información almacenada en ADN seguirá siendo inaccesible la vida de las células de dominios.

La maquinaria molecular de la transcripción

La maquinaria de transcripción incluye varios componentes clave que trabajan juntos para leer ADN y construir ARN. Entendiendo estas partes es crucial para comprender cómo se controla la transcripción y cómo los errores pueden conducir a enfermedades. Además de la enzima central, una serie de proteínas accesorias y secuencias regulatorias garantizan precisión y capacidad de respuesta a las necesidades celulares.

RNA Polymerase

Polimerasa de ARN es la enzima central que cataliza la formación de vínculos de fósforo entre los nucleótidos del ARN. Se mueve a lo largo de la plantilla de ADN, desenrollando el doble helix y leyendo las bases uno a la vez. En prokaryotes, una única polimerasa del ARN lleva a cabo toda transcripción. En eucariotas, hay tres tipos distintos: Polimerasa de ARN I transcribir genes de ARN ribosomal (rRNA), Polimerasa de ARN II transcribir genes de codificación de proteínas para producir mRNA, y Polimerasa de ARN III transcribir pequeños genes RNA como tRNA. La polimerasa RNA II es la más estudiada porque es responsable de la gran mayoría de la expresión genética. A diferencia de la polimerasa de ADN, la polimerasa RNA no requiere una imprimación para iniciar la síntesis, puede iniciar una nueva cadena RNA desde cero, seleccionando el primer trohosfato ribonucleoside complementario a la plantilla.

Promotores y Factores de Transcripción

Para que la transcripción comience, la polimerasa RNA debe unirse a una secuencia de ADN específica llamada la promotor. El promotor se encuentra cerca del comienzo de un gen y contiene elementos de secuencia conservada que indican dónde debe comenzar la transcripción. En prokaryotes, la caja -10 (Pribnow box) y -35 caja son motivos comunes de promotor, reconocida directamente por la subunidad de sigma de la polimerasa RNA. Los promotores Eukaryotic son más complejos, a menudo con una caja TATA (consensus TATAAA abajo) sobre el elemento base de la transcripción

La polimerasa de ARN Eukaryotic II no puede atar al promotor solo. Requiere la ayuda de factores de transcripción—proteínas que se reúnen en el promotor para formar un complejo de preiniciación. Los factores de transcripción general (como TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF y TFIIH) reclutan la polimerasa RNA, la colocan correctamente y ayudan a desenrollar el ADN. TFIID inicia el proceso de unión TATA (TBP) que reconoce la caja TATA de montaje correcto.

Cromatina y Contexto Epigenético

En los eucariotas, el ADN se envasa en cromatina, que actúa como barrera a la transcripción. La unidad básica de la cromatina es el nucleósmico, compuesto de ADN envuelto alrededor de proteínas de piedra hilera. Para la transcripción a ocurrir, la cromatina debe ser abierta para permitir el acceso de factores de polimerasa y transcripción ARN. acetilransferases de piedra (HAT) colas de piedra histone acetiladas, interacciones entre ADN y piedras, mientras deacetillas de piedra (HDAC) eliminar los grupos acetil, condensando la cromatina y la transcripción reprimida. Complejos de remodelación de cromatina, como SWI/SNF, use ATP para deslizar o desalojar núcleos. Marcas epigenéticas, incluyendo la metilación de ADN y modificaciones de piedras, proporcionan una capa de regulación que puede ser heredada a través de divisiones celulares e influyen en patrones de expresión de genes a largo plazo.

Los pasos de la transcripción

La transcripción puede dividirse en tres pasos discretos y secuenciales. Cada paso tiene distintos eventos moleculares y puntos de control que influyen en la eficiencia y exactitud de la expresión génica. En las células eucariotas, estos pasos se unen estrechamente con el procesamiento y exportación del ARN.

Iniciación

La iniciación comienza cuando factores de transcripción y la polimerasa RNA se unen a la región promotora. En prokaryotes, el factor sigma (una subunidad de la polimerasa RNA) reconoce al promotor y dirige la enzima al sitio de inicio correcto. Una vez encuadrado, el ADN se desvibra para exponer aproximadamente 10-15 pares base de la cadena de predeterminación. Activadores atan a las secuencias de potenciadores y reclutan coactivadores que promueven la apertura de la cromatina y estabilizan el complejo de preiniciación, mientras que represores apegado a silenciadores y reclutar corepresores que condensan la cromatina o bloque de montaje factor.

En los eucariotas, la iniciación es más elaborada. Los factores de transcripción se reúnen secuencialmente en el promotor, culminando en la unión de la polimerasa RNA II. El componente TFIIH contiene una helicasa que desbloquea el ADN y también fosforila el dominio C-terminal (CTD) de la polimerasa II RNA, que permite que la enzima escape del promotor y comience la transcripción de fólimitación.

Elongation

Durante la elongación, la polimerasa RNA se mueve a lo largo de la plantilla en la dirección de 3' a 5', sintetizando ARN en la dirección de 5' a 3'. Añade nucleótidos RNA uno a la vez, complementario a la plantilla de ADN: adenina (A) pares con uracil (U), guamine (T) par de adenina (A), citosina

La fase de alargamiento no es uniforme; la polimerasa RNA puede pausar, retroceder o acelerar en respuesta a señales regulatorias. El uso permite tiempo para el reclutamiento de factores de alargamiento y para la corrección de nucleótidos malincorporados. En las células eucarísticas, la alargación también se coordina con el procesamiento RNA. Factores de alargamiento como P‐TEFb (factor de alargamiento de transcripción positivo b) fosforila la CTD y libera la polimerasa pausada, permitiendo que la alargamiento productivo continúe.

Terminación

La terminación ocurre cuando la polimerasa del ARN alcanza un secuencia de terminación En los polis de polis de RI, la terminación puede ser Rho-dependiente (requieriendo la proteína Rho para desbloquear el híbrido RNA-DNA) o Rho-independiente (donde un GC-rico capuchino forma en el ARN seguido de una cadena de uraciles, causando la polimerasa para detener y soltar la transcripción).

Reglamento de Transcripción

La transcripción de control de células a través de una compleja red de elementos regulatorios y proteínas. Esta regulación asegura que los genes se expresan en los momentos apropiados, en los tipos de células correctas y en los niveles adecuados. La disregulación contribuye a trastornos del desarrollo, cáncer y muchas otras enfermedades.

Enhancers, Silencers, and Insulators

Los enhancers son secuencias de ADN que pueden ubicarse lejos (hasta cientos de kilos) del promotor. Están ligados por proteínas activadoras y el trabajo al buclear el ADN para que los activadores vinculados interactúen con el complejo de preiniciación a través de coactivadores como Mediator. Los silenciadores funcionan de forma similar pero reclutan proteínas de represor que inhiben la transcripción.

Factores de transcripción de responsabilidad

Muchos factores de transcripción se activan o inactivan por señales extracelulares. Por ejemplo, los SITUACIÓN Las proteínas (transductores y activador de transcripción) se activan por receptores de citocina, luego se descifran y se mueven al núcleo para activar genes de destino. De igual manera, los receptores de hormonas esteroides (por ejemplo, receptor de estrógeno) están directamente ligados por sus hormonas, causando un cambio conformacional que les permite atar ADN y regular la transcripción.

Reglamento epigenético

Más allá de la secuencia de ADN, las modificaciones químicas al ADN y las histonas influyen en la transcripción. Metilación del ADN en los dinucleótidos CpG generalmente es represivo, especialmente cuando se produce en las regiones promotoras. Modificaciones de piedras preciosas incluyen acetilación (activación), metilación (activación o represión dependiendo del contexto), fosforilación y ubiquitación. Estas marcas están escritas por enzimas “escritoras” (por ejemplo, HATs, metiltransferas de piedra histone) y borradas por “erasers” (por ejemplo, HDACs, demetilelas) finas.

Prokaryotic vs Eukaryotic Transcripción

Aunque el mecanismo básico de transcripción se conserva en todos los ámbitos de la vida, existen diferencias significativas entre los procariotas y los eucariotas. Estas diferencias reflejan la mayor complejidad de las células eucariotas y su necesidad de una regulación más sofisticada.

Diferencias en la iniciación

La transcripción procariota utiliza una sola polimerasa RNA con un factor sigma que reconoce directamente al promotor. Eukaryotes tienen múltiples polimeras RNA y requieren un conjunto de factores de transcripción generales para montar el complejo de iniciación. Además, el ADN eucarístico se empaqueta en cromatina, que debe ser aflojado para la transcripción a ocurrir. Modificaciones de piedras tales como acetilación y genes de metilación juega un papel crucial

Trascripción y Traducción sin trabas

En los procariotas, la transcripción y la traducción pueden ocurrir simultáneamente porque no hay sobre nuclear. Tan pronto como el MRNA se sintetiza, los ribosomas pueden atar y comenzar la producción de proteínas. El mRNA es a menudo policistronico, lo que significa que codifica múltiples proteínas en una sola transcripción, con sitios de entrada ribosomas internos o secuencias Shine-Dalgarno para cada gen.

Mecanismos de terminación

La terminación procariota se basa en estructuras RNA simples (Rho-independiente) o factores de proteína adicionales (Rho-dependiente). La terminación Eukarótica para la polimerasa RNA II se une a la poliadenylación y implica la degradación de la transcripción aguas abajo, un proceso más elaborado. El modelo de torpedo y el modelo alosterico se proponen, y los detalles exactos varían entre tipos de polimerasa.

Modificaciones post-transcripción

Después de la transcripción, el naciente pre-mRNA en eucariotas debe ser procesado en mRNA maduro que se puede exportar al citoplasma y traducido. Estas modificaciones son fundamentales para la estabilidad, exportación y traducción adecuada. También proporcionan capas adicionales de regulación.

5′ Capping

Tan pronto como la cadena RNA es de unos 20 a 30 nucleótidos largos, se añade un nucleótido de guanina modificado al extremo 5 . 5′ capucha está ligado por un bono de triphosphate de 5′′′ y se metiliza en la posición N7 de guanina. El cap protege el mRNA de la degradación por 5′ exonucleas y es reconocido por el factor de iniciación de la traducción eucariota eIF4E, que es parte del complejo de unión de tapas. También facilita la exportación nuclear y el primer empalme de intron.

Poliadecuación

En el extremo 3′ del pre-mRNA, se añade una cola de poli-A. Este proceso comienza con el escote en el sitio de poliadenyación (después de la señal AAUAAA) por una endonucleasa específica. Luego, polimerasa añade una cadena de 100–250 nucleótidos de adenina. La cola poli‐A mejora la estabilidad de mRNA, ayudas en la vida de exportación, y promueve gradualmente la traducción.

RNA Splicing

La mayoría de los genes eucarísticos contienen secuencias no codificación llamadas introns que interrumpen las secuencias de codificación (exones). Los intrones deben ser eliminados de la pre-mRNA y exones unidos para formar una secuencia de codificación continua. Este proceso es llevado a cabo por un gran complejo llamado el picante, que consiste en pequeñas ribonucleoproteínas nucleares (snRNPs) U1, U2, U4, U5, y U6, y muchas otras proteínas. El espolÃ3soma reconoce los sitios de empalmes en los límites entre exones e intrones, corta el ARN en el sitio de 5′ splice, forma un intermediario lariato, y luego liga los exÃ3nes.

Espolvo alternativo

Un único gen puede dar lugar a múltiples transcripciones mRNA diferentes a través de alternativa de afilado, donde se unen diferentes combinaciones de exones. Este mecanismo amplía enormemente la capacidad de codificación de proteínas del genoma y permite que las células produzcan diversas isoformas de proteína de un solo gen. Por ejemplo, el humano DSCAM (Mácula de adherencia celular del síndrome de Down) gen puede generar más de 38.000 variantes de ARNM diferentes a través de la eliminación alternativa. alfa-tropomiosina gen, que produce isoformas distintas en músculo estriado contra células no musculares, y las Bcl‐x gen, donde el espolvor alternativo produce una proteína pro-apoptótica (Bcl‐xS) o anti-apoptótica (Bcl-xL). La malregulación del espolvoreo se asocia con muchos trastornos genéticos (por ejemplo, atrofia muscular espinal, distrofia miotónica) y cánceres.

Significado de la transcripción en Biología y Medicina

La transcripción es la puerta de la expresión génica. Su regulación determina qué genes están activos, en qué células y en qué condiciones. Entender la transcripción es clave para entender el desarrollo, la función celular y la enfermedad.El campo de la transcripción —el estudio del conjunto completo de las transcripciones de ARN producidas por una célula— ha revolucionado nuestra visión de la regulación génica.

Regulación de la Expresión Genética

Trasscripción de control de células a través de una compleja red de factores de transcripción, potenciadores, silenciadores y modificaciones epigenéticas. Estos elementos regulatorios pueden activar o reprimir la transcripción en respuesta a señales del medio ambiente, el ciclo celular o cues del desarrollo. El control preciso de la transcripción es esencial para procesos tales como la diferenciación celular, la respuesta inmunitaria y el metabolismo. Regulación de la transcripción anormal es un sello distintivo de muchas enfermedades, incluyendo el cáncer, donde los oncogenes pueden ser sobreexpresados o supresores de silencialencial. MYC es amplificado o sobreexprimido frecuentemente en una amplia gama de cánceres, conduciendo la proliferación celular incontrolada.

Implicaciones médicas y terapéutica

Muchos fármacos y terapias apuntan a la transcripción o su maquinaria reguladora. Por ejemplo, los medicamentos anticánceres como la actinomycin D y la doxorrubicina intercalan en el ADN e inhiben la polimerasa RNA, bloqueando así la transcripción. Terapéuticas basadas en ARN, como los oligonucleótidos antisensatos (ASOs) y los ARNs interferidos pequeños (siRNAs), que pueden modular la expresión genética apuntando a los ARNs específicos para la degradación o bloqueando la traducción. Los últimos avances también incluyen sistemas basados en CRISPR que pueden activar o reprimir la transcripción de genes endógenos (CRISPRa y CRISPRi). PAX6 El factor de transcripción conduce a anomalías de desarrollo ocular como la aniridia. La investigación sobre la transcripción sigue descubriendo nuevas oportunidades para tratar enfermedades genéticas e infecciosas, incluyendo el desarrollo de fármacos que apuntan a polimeras de ARN viral (por ejemplo, remdesivir para SARS‐CoV‐2).

Retrovirus y transcripción

Algunos virus, como retrovirus (VIH, VHT), usan una enzima llamada transcripción inversa para convertir su genoma RNA en ADN, que luego se integra en el genoma host y transcribido por la polimerasa anfitriona RNA. Este proceso es el reverso de la transcripción normal y es un objetivo para medicamentos antivirales como azidothymidina (AZT). Entendiendo la transcripción inversa también ha proporcionado herramientas poderosas para la biología molecular, incluyendo la transcripción inversa PCR (RT-PCR) utilizada para detectar virus RNA y medir la expresión gen.

Resumen

  • La transcripción es la síntesis del ARN de una plantilla de ADN, principalmente catalíz por la polimerasa del ARN.
  • Se produce en tres etapas: iniciación (conjunción al promotor), elongación (crecimiento de cadenas de ARN), y terminación (liberación del ARN).
  • La transcripción Eukaryotic es más compleja que la prokarótica, que implica múltiples polimeras de ARN, factores de transcripción y remodelación de cromatina.
  • Pre-mRNA se somete a procesamiento post-transcripción: 5 "capping, 3 " poliadenylation, y espolícese (incluyendo el espolado alternativo).
  • La transcripción está regulada por los potenciadores, silenciadores, modificaciones epigenéticas y factores de transcripción sensibles a la señal.
  • Las interrupciones en la transcripción o su regulación están vinculadas a muchas enfermedades humanas, incluyendo cáncer, trastornos del desarrollo e infecciones virales.

Para más lectura, explore los recursos de la Estante de libros NCBI: Transcripción en Prokaryotes, el Escitable de la naturaleza: Traducción: ADN a mRNA a Protein, o el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano: Transcripción. Estas fuentes autorizadas proporcionan información más profunda sobre los detalles moleculares que aquí se cubren.