TEMA 12

1. TEMA 12 SÍNTESIS DE ARN: TRANSCRIPCIÓN

2. 1- GENÉTICA MOLECULAR • ¿Qué son los genes? ¿qué tipo de información contienen? ¿Cómo se expresa esa información durante el desarrollo embrionario para que se manifiestes las características heredadas en los descendientes? La genética molecular da respuesta a estos interrogantes cuando descubre la relación existente entre las proteínas y los ácidos nucleicos. • Entre los años 40 y 70 se realizaron experimentos con la Escherichia coli que permitió identificar la naturaleza molecular del gen. • Demostraron que los genes no eran proteínas sino moléculas de ADN. • Diseñaron el modelo doble hélice y que permitía explicar las funciones esenciales del gen: almacenar y expresar información

3. 2. DEL GEN A LA PROTEINA. La casi infinita diversidad de secuencias de aminoácidos posibles convierte alas proteínas en las moléculas más variadas que existen, capaces de construir múltiples estructuras celulares que desempeñan una enorme diversidad de funciones biológicas; en realidad, “somos” nuestras proteínas. Puede considerarse que n gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para que se sintetice una proteína determinada (o cadena peptídica): la información fluye del ADN al ARNm y de este a la proteína.

4. 3. LA EXPRESIÓN DE LOS GENES transcurre en dos etapas sucesivas: la TRANSCRIPCIÓN de la información genética o síntesis de ARN y la TRADUCCIÓN ó síntesis de proteínas. TRANSCRIPCIÓN: en la que una de las dos cadenas del ADN actúa como molde para la síntesis de una cadena de ARN, que tiene una secuencia complementaria. Existen genes que se transcriben pero no se traducen (ARN t y ARN r) Existen secuencias génicas reguladoras, ni se transcriben ni se traducen, sirven de signos de puntuación, señales de inicio y de fin. TRADUCCIÓN: las instrucciones del gen son traducidas por los ribosomas de acuerdo con el código genético que establece las correspondencia entre idioma del ARNm (secuencia de bases)y el idioma de las proteínas (secuencia de Aa)

5. PROCARIOTAS EUCARIOTAS Genes fragmentados: formados por exones( transcripción y traducción) e intrones (transcripción) ADN asociado a histonas. Gran empaquetamiento, difícil acceso en transcripción. Tres ARN polimerasas: ARNrpol I , ARNm pol II, ARNt pol III. Transcripción en núcleo, ARN pasa membrana hacia citoplasma y traducción en ribo de citoplasma y RE. • Genes continuos: información necesaria para síntesis de proteínas. • ADN asociado a proteínas no histonas. Empaquetamiento bajo, facial acceso en transcripción. • Una sola ARN polimerasa para síntesis de todos ARN. • Transcripción y traducción a la vez y en el citoplasma.

6. PROCARIOTAS EUCARIOTAS Genes monocistrónicos: transcripción en una cadena de ARNm que codifica una cadena peptídica. Maduración del ARN transcrito primarios: precursores de los tres tipos de ARN. • Genes policistrónicos: transcripción en cadena larga de ARNm que codifica varias cadenas peptídicas distintas. • Maduración del ARN transcrito primario precursor del ARNt y ARNr.

7. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS Cadena ADN molde Ribonucleótidos ARN polimerasa II ELEMENTOS QUE INTERVIENEN: AND molde: aquella de la que se obtiene réplica. INFORMATIVA: 5’ a 3’. MOLDE : 3’ a 5’. Primer nucleótido transcrito es el inicio y el +1. Numeramos en positivo a la derecha (dirección extremo 5’) y en negativo hacia la izquierda. HEBRA MOLDE Extremo 5’ ARN m HEBRA INFORMATIVA

8. *RIBONUCLEÓTIDOS. A, G, C,U en su forma activa = trifosfatos: ATP, GTP, CTP y UTP. Estos nucleótidos se unirán mediante enlace éster entre el ácido fosfórico 5’ y el grupo –OH 3’ del anterior nucleótido ya unido.

9. ARN POLIMERASA II (Transcriptasa) • Enzima que cataliza la polimerización de los Ribonucleótidos. • Sus características son: • Reconoce secuencias promotoras que marcan el inicio de la transcripción mediante factores de transcripción (proteínas). • Recorre hebra molde sentido 3’ a 5’. Lee secuencia de sus bases y selecciona el ribonucleótido apropiado (G _=C, A=U) • Cataliza la formación del enlace éster. La energía necesaria para la unión la obtiene de la hidrólisis primera para separar el resto pirofosfato del nucleótido monofosfato. • Reconoce la secuencia de terminación.

10. LA TRANSCRIPCIÓN La transcripción se realiza en tres pasos y antes de ir hacia citoplasma sufrirá un proceso de maduración. INICIACIÓN Para que la ARN pol II transcriba determinados genes, existen tres clases de secuencias reguladores: el promotor, las secuenciaspotenciadoras y las silenciadoras. Todo activado por los factoresdetranscripción. 1 El PROMOTOR es la región más próxima al inicio formado por la secuencia -25TATA, conocida como TATA box ó caja de Hogness, junto con la secuencia -80CAAT y -120 rica en GC. Aquellos factores que se unen al promotor se denominan FACTORES BASALES que ayudan a ir al sitio de iniciación.

11. 2 • Las SECUENCIAS POTENCIADORAS, entre el -200 y -10.000 , a las que se unen los FACTORES ACTIVADORES DE LA TRANSCRIPCIÓN. • - Desempaquetan la cromatina, disgregan los nucleosomas al disociar el octámero de histonas y desenrollando la doble vuelta del ADN para que sea accesible la región promotora. • Facilitan el acoplamiento de los FACTORES BASALES con la ARN pol II, incrementa velocidad de síntesis. 3 Las SECUENCIAS SILENCIADORAS, a las que se unen FACTORES REPRESORES DE LA TRANSCRIPCIÓN, impide actuación de los factores activadores y disminuyen velocidad de transcripción.

12. ELONGACIÓN La ADN polimerasa II recorre hebra molde sentido 3’ a 5’, mientras que la cadena del ARNm transcrito primario crece en dirección 5’ a 3’, crece unos 30 nucleótidos por segundo, transcribiendo intrones y exones. TERMINACIÓN La ARN pol II reconoce la secuencia TTATTT de la señal de poliadenilación, en el último exón, que codifica como fin de la transcripción y separación de cadena pre-ARNm de la hebra molde.

13. MADURACIÓN POSTRANSCRIPCIONAL. Consiste en modificaciones en ambos extremos , eliminación de intrones y alteración de ciertas secuencias codificantes. Al iniciar la transcripción se añade al extremo 5’ del pre-ARNm un resto de metilguanosina trifosfato : “caperuza” que protege al ARNm del ataque de nucleasas. Ayuda a los ribosomas a reconocer el lugar como inicio de la traducción. La poli-A polimerasa añade al extremo 3’ del pre-ARNm una cola de poli-A (150-200 ribonucleótidos de adenina) que protegerá al ARNm y determina la vida media de la molécula, a más cola más vida.

14. Se deben eliminar los intrones y unir los exones entre sí. La eliminación se hace mediante ´cortes entre los intrones y los exones, las secuencias intrónicas se enrollan en forma de lazos y se eliminan mientras que las secuencias exónicas se empalmen y forman el ARNm funcional que se exportará al citoplasma. Estos cortes y uniones se realizan gracias a unas ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPsn) que realizarán el splicing y que denominamos espliceosoma. Se producirá a la vez la edición que consiste en introducir o eliminar ciertos nucleótidos, alterando ciertas secuencias que codifican para la síntesis de proteínas. (también denominada corrección del pre-ARNm)

15. 5. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS. Todas las células tienen que responder continuamente a cambios en el ambiente. Las RESPUESTAS a estos ESTÍMULOS consisten esencialmente en modificaciones de la ACTIVIDAD METABÓLICA, ó su COMPORTAMIENTO por movimientos, inducción de mitosis, formación de esporas de resistencia… Esto se realiza modificando la ACTIVIDAD de ciertas ENZIMAS o regulando la CONCENTRACIÓN ENZIMÁTICA (variando número de enzimas que participan en una ruta).

16. LA REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS se lleva a cabo mediante un sistema semejante a un CONMUTADOR que se enciende o se apaga. LA REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS ES MÁS COMPREJA y se asemeja a un ORDENADOR que procesa toda la información y decide si un gen se expresa o no. Responden rápidamente a los mensajes químicos internos (variación de hormonas, neurotransmisores…) que llegan desde los sistemas de coordinación. La etapa más importante es la embrionaria. Se realiza desde 5 niveles: 3 en núcleo y 2 en citoplasma.

17. A. CONTROL DE LA ESTRUCTURA DE LA CROMATINA. NÚCLEO. Primer nivel de control. Se realiza por modificaciones químicas del ADN ó de las HISTONAS. En la eucromatina están los genes a ser transcritos pero densamente empaquetados. Por lo que necesitan ser descondensados para poder transcribir los genes de esta zona. • METILACIÓN DEL ADN. La adición de grupos metilo (-CH3) a las bases del ADN SILENCIA LA EXPRESIÓN GÉNICA. Esta adición facilita que determinadas regiones donde están las secuencias reguladoras, adopten la CONFORMACIÓN Z. con esta conformación impide la unión a la ARN polimerasa. La metilación es a largo plazo, es decir, aquellas zonas metiladas se transmiten a las células hijas tras la mitosis.

18. • ACETILACIÓN Y METILACIÓN DE LAS HISTONAS. La acetilación es la adición de grupos acetilo CH3- Co- , que se realiza sobre las colas dispuestas hacia el exterior de cada nucleosoma. Así se disminuye su afinidad por el ADN y favorece descondensación de cromatina facilitando el acceso de la ARN polimerasa hasta el promotor del gen a transcribir. La metilación de las colas de histonas hace el efecto contrario aumenta la condensación favoreciendo la inactivación génica.

19. B. CONTROL DE LA TRANSCRIPCIÓN. NÚCLEO Se realiza por acción de elementos traslocables o por factores de transcripción. •ELEMENTOS TRASLOCABLES O GENES SALTARINES: se denominan así por que no tienen una posición fija pueden cambiar en cada generación provocando inestabilidad génica. Si se insertan en secuencias codificantes o en reguladoras pueden producir inactivación o sobreactivación. Pueden ser transposones y retrotransposones.

20. • LOS FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN. Puede ser que un gen se REPRIMA un tiempo después de haber sido activado : bastaría con que un factor inhibidor de la transcripción se una a las secuencias silenciadoras (silencers) que dificulten el acceso de la ARN polimerasa al promotor. Pero puede ser que se activen determinados factores activadores de la transcripción, induciendo a la expresión de ciertos genes que codifican proteínas esenciales . Muchas hormonas proteicas como la insulina o esteroídicas como la progesterona se unen a receptores activando estos factores activadores.

21. C. CONTROL DE LA MADURACIÓN. NÚCLEO El splicing alternativo y la edición amplifican y modulan la expresión génica. Pero a veces, no se une cada exón con su exón anterior en secuencia sino que puede que se suceden mecanismos alternativos de corte y pegado a partir de un mismo pre-ARNm, lo que origina cadenas de ARNm con secuencias distintas. Es decir, un mismo gen eucariota con varios exones, puede amplificar su expresión génica, ya que puede fabricar proteínas diferentes según el orden en que se unen sus exones durante la maduración .

22. D. CONTROL DE LA TRADUCCIÓN. CITOPLASMA. Actuar sobre las secuencias UTR del ARNm que inhiben la traducción y facilitan su degradación: eliminando la caperuza y acortando la cola de poliadenina Sintetizando las RIBO-LLAVES (ribo-switches) ARN particular que funciona como llave respondiendo a estímulos y pueden encender (se traduce) ó apagar (se inhibe). Por RIBOINTERFERENCIA. El ARN interferente es capaz de silenciar la expresión génica impidiendo la traducción del ARNm por degradación o por inhibición de traducción. Los ARNsi y los ARNmi están relacionados con la defensa antiviral y con el control de la expresión en diferenciación celular embrionaria.

23. Se ha observado que los niveles de ARNmi son menores en celular cancerígenas y es uno de los niveles de estudio actualmente como herramienta terapéutica para silenciar determinados genes implicados en la transformación cancerosa. Los ARNsi se generan a partir de un ARN largo de doble cadena procedente de virus, transposones , ADN de experimentación. Los ARNmi proceden de ciertos intrones o de la transcripción de determinados genes como pueden ser los pseudogenes.

24. E.CONTROL DEL PROCESAMIENTO POSTRADUCCIONAL. CITOPLASMA. • Una vez que se ha sintetizado la proteína, la etapa de procesamiento postraduccional es la última etapa en la que se puede realizar un control mediante • Modificaciones química de algunas proteínas antes de ser moléculas funcionales • Cambios conformacionales por adición de grupos químicos pudiendo pasar de la forma activa a la inactiva. • Adicción de UBIQUITINA que hace disminuir la vida de la proteína porque serán degradadas en el proteosoma.

25. 6. RETROTANSCRIPCIÓN En las células y algunos virus existen ENZIMAS RETROTRANSCRIPTASAS que son capaces conseguir el flujo de información genética del ARN al ADN. Los RETROVIRUS se caracterizan porque su genoma está constituido por una o más cadenas de ARN sencillas que tienen la información necesaria para construir nuevos virus; además tienen la particularidad de llevar una doble vida: a veces con ARN y otras con ADN. Como cualquier virus necesitan un célula para sintetizar sus componentes.

26. Los podemos encontrar como VIRUS INFECTANTES de vida libre: poseen una envoltura proteica o cápsida que aloja la hebra de ARN y la enzima RETROTRANSCRIPTASA; aunque también los podemos encontrar con la estructura de PROVIRUS, con doble hebra de ADN en la cual está integrada un cromosoma de la célula hospedadora. El virus se une a receptores de membrana de los linfocitos TH y funde su envoltura con la membrana celular. Se despoja de su cápsida y deja libre las dos hebra de ARN y las enzimas. 2. Cada enzima utiliza una cadena de ARN como molde para sintetizar una cadena de ADN copia formando un híbrido con el ARN. Después vuelve a actuar la enzima degradando el ARN y creando otro ADN complementario al ADNc.

27. 3. Forma una doble hélice de ADN vírico que se integra en el genoma de la célula hospedadora y se convierte en PROVIRUS. Ahora se comporta como un gen más. 4. Realiza ciclo vital de reproducción. Utiliza la maquinaria del núcleo celular para realizar la replicación, transcripción y traducción fabricando así nuevas copias de ARN vírico, proteínas de la cápsida y de la envoltura , y enzimas retrotranscriptasas. 5. Las vesículas de Golgi transportan las glucoproteínas de su envoltura hasta la membrana plasmática. Los demás componentes se ensamblan alrededor del ARN y de las enzimas. 6. Se dirige todo hacia la membrana por donde a través de GEMACIÓN abandonarán la célula siendo libres y capaces de infectar nuevas células.

28. 7. EL GENOMA. ES EL TOTAL DE INFORMACIÓN GENÉTICA QUE CONCONTRAMOS EN UN VIRUS , UN PROCARIOTA O UN EUCARIOTA. PROCARIOTAS: cromosoma de ADN circular con entre 1000 y 12000 genes. Suelen tener plásmidos con ADNc. Pueden replicarse independientemente o integrarse en el bacteriano. Son utilizados como vectores de genes . VIRUS: una molécula de ADN o ARN circular o lineal. Su número de genes varía de unos pocos a cientos. Es universal la creencia de que la célula eucariota fue antes que los virus, aunque son esenciales para la evolución celular.

29. EUCARIOTAS: en núcleo, con cromosomas lineales y con ADN en las mitocondrias y en los cloroplastos. La organización del genoma humano es compleja y está compuesto por el genoma nuclear y el genoma mitocondrial. (25.000 + 37) El genoma nuclear se refiere al contenido de un solo grupo haploide de los cromosomas humanos y está compuesto por 3200 millones de pares de bases en 24 secuencias cromosómicas distintas. (22 autosomas + 2 sexuales) ORGANIZACIÓN: EN SECUENICAS RELACIONADAS Y SECUENCIAS INTERGÉNICAS. LAS SECUENCIAS RELACIONADAS con genes son como el 1,5% del total y tenemos codificantes y no codificantes. - Las codificantes son los exones. Genes que codifican para proteínas (que se transcriben a ARNm y traduce) y genes que codifican para otros tipos de ARN. Los genes pueden estar libres o agrupados en familias génicas. La mayoría que presenta herencia mendeliana con secuencias ADN no repetidas pero otros , los de histonas, ARNt y ARNr existen múltiples copias.

30. - LAS SECUENCIAS NO CODIFICANTES: incluyen secuencias reguladoras, intrones y pseudogenes. • LAS SECUENCIAS DE ADN INTERGÉNICO ocupan la mayoría del genoma y su función es desconocida. Son: • Secuencias cortas muy repetidas en tandem o satélites (parte del centrómero, telómeros), minisatélites (repeticiones de 3 a 20 nucleótidos) y microsatélites(repeticiones muy cortas). • Secuencias repetidas dispersas como por ejemplo transposones, retrotransposones, secuencias LINE (repeticiones intercaladas largas) y secuencias SINE (repeticiones intercaladas cortas). • Las repeticiones dan lugar a polimorfismos creando diferencias entre individuos, por eso se utilizan en medicina forense para la determinación de la huella génica.

31. 8. EPIGENOMA. EPIGENOMA: conjunto de secuencias de ADN que contiene información epigenética capaz de controlar directamente la expresión de nuestros genes. EPIGENÉTICA: es el conjunto de cambios del ADN, reversibles y heredables, que no afectan a la secuencia de nucleótidos de los genes, pero sí son capaces de alterar su expresión, haciendo que unos genes se expresen y otros no en función de las condiciones medioambientales. LA IMPRONTA GENÓMICA O SELLADO GENÓMICO es un mecanismo celular de los organismos mas complejos, que marca o deja una impronta en un grupo de enes para que se silencien, de manera que este patrón de sellado es diferente para los genes procedentes de la línea paterna y materna: estos genes imprintables adquieren la marca de sellado durante la gametogénesis ya conservan la memoria de donde proceden.