Regulación de la expresión génica

La regulación de la expresión génica es un proceso fundamental para el funcionamiento celular. A continuación, se detallan los componentes y mecanismos clave:

• Codón de inicio de la traducción: Es una secuencia de ARN de 3 nucleótidos que indica el lugar de la cadena en el que comienza la traducción del ARNm. En el ADN se encuentra codificado en el triplete TAC, mientras que, en el ARNm, queda como AUG.
• Factor de transcripción: Es una proteína que participa en la regulación de la transcripción del ADN, pero que no forma parte de la ARN polimerasa. Pueden actuar reconociendo y uniéndose a secuencias concretas de ADN, a otros factores, o directamente a la ARN polimerasa.
  • Son estimulados por señales citoplasmáticas. Al ser activados, adquieren la capacidad de regular la expresión génica en el núcleo celular, bien activando, bien reprimiendo la transcripción de diversos genes.
  • Pueden sufrir mutaciones que los mantienen continuamente activos sin necesidad de señales externas, transformándose así en oncogenes, estimulando sin control la síntesis de proteínas implicadas en la regulación del ciclo celular.
  • Pueden ser activados o desactivados selectivamente por otras proteínas.
• Complejos de transcripción: En las células eucariotas son mucho más complejos que en las procariotas debido al mayor tamaño del genoma eucariota, por lo que el complejo de transcripción en eucariotas necesita un mayor número de etapas para ensamblarse.
• Expresión de la información genética: Comprende los procesos de transcripción y traducción. Está altamente regulada en tiempo y espacio, pues de ello depende que las células puedan contar en cada momento con las proteínas que requieren y en las cantidades suficientes.
• Diseño de antibióticos: Un antibiótico resulta mucho mejor diseñado cuando su afinidad por las células eucariotas es baja o nula y posee mucha afinidad por las células procariotas infectantes.

Diferencias entre células procariotas y eucariotas

• Células procariotas: La transcripción y traducción están acopladas; la traducción empieza mientras el ARNm está siendo sintetizado.
• Células eucariotas: La transcripción ocurre en el núcleo y la síntesis de proteínas en el citoplasma. En los organismos eucariotas, la transcripción y la síntesis de proteínas están espacial y temporalmente separadas. La transcripción se lleva a cabo en el núcleo y produce una molécula de Pre-ARNm.
• Procesamiento del Pre-ARNm: El Pre-ARNm es procesado para producir el ARNm maduro, el cual sale del núcleo y es traducido en el citoplasma.
• Localización de la síntesis: Todas las proteínas producidas en la célula eucariota inician su síntesis en ribosomas libres del citosol, dependiendo de la ausencia o presencia de diferentes señales dentro de la secuencia proteica que determinan el compartimento final de destino de la proteína.

Síntesis de proteínas y modificaciones postraduccionales

La síntesis de proteínas es un proceso anabólico mediante el cual se forman las proteínas. El proceso consta de dos etapas: Traducción del ARNm y las modificaciones postraduccionales.

La modificación postraduccional de una proteína es un cambio químico ocurrido en esta después de su síntesis. Las modificaciones postraduccionales ocurren mediante cambios químicos de los aminoácidos que constituyen las proteínas y pueden ser de muchos tipos.

ARN interferente (ARNi)

• ARN interferente: Es una molécula de ARN que suprime la expresión de genes específicos.
• siRNA (ARN interferente pequeño): Utiliza la hebra de siRNA como guía para identificar el ARN mensajero complementario.
• miRNA (microARN): Se generan a partir de precursores específicos codificados en el genoma.

El Operón: Unidad Genética Funcional

Un operón es una unidad genética funcional formada por un grupo o complejo de genes capaces de ejercer una regulación de su propia expresión por medio de los sustratos con los que interaccionan las proteínas codificadas por sus genes.

Factores de control del operón:

1. Factor promotor: Controla el inicio de la transcripción del operón, ya que la ARN polimerasa tiene afinidad por él. El operón tiene un único promotor que controla toda su expresión, un único gen que codifica un ARNm policistrónico.
2. Operador: Zona de control que permite la activación/desactivación del promotor a modo de «interruptor génico» por medio de su interacción con un compuesto inductor. Esto lo logra porque tiene secuencias reconocibles por proteínas reguladoras.
3. Gen regulador: Algunos de los genes del operón pueden codificar factores de transcripción que se unan al promotor, regulando así la propia expresión del operón.

A toda regulación de la expresión realizada desde dentro del gen u operón se le llama «regulación en cis», pero puede haber también genes muy alejados del operón que codifiquen factores de transcripción para uno o varios otros genes u operones, y en este caso se hablaría de «regulación en trans».

El Operón Lac

El Operón lac se encuentra bajo un tipo de regulación negativa, donde los genes pueden transcribirse siempre, salvo cuando la proteína represora Lac I se encuentra unida a la región operadora, por la cual presenta una elevada afinidad. En este caso, el promotor del gen lac I es constitutivo, por lo que la proteína Lac I se expresa permanentemente y permanece unida en forma de tetrámero a la zona operadora, impidiendo la transcripción de los genes estructurales.

Regulación del operón según el entorno:

• En presencia de lactosa: La lactosa es el inductor del operón. Es capaz de unirse a la proteína represora Lac I y generar un cambio conformacional que disminuye su afinidad por la región operadora.
• En ausencia de lactosa: En ausencia de inductor, la proteína represora Lac I mantiene su elevada afinidad por la región operadora, impidiendo que la ARN polimerasa transcriba los genes estructurales.
• La verdadera molécula inductora: La verdadera molécula inductora del operón lac es la alolactosa, un isómero de la lactosa que se obtiene por una transglicosilación llevada a cabo ocasionalmente por la β-galactosidasa.

Regulación mediada por AMPc y CRP

El Operón lac presenta además otro tipo de regulación que viene mediada por el AMP cíclico (AMPc) y la proteína CRP. La transcripción de los genes estructurales no dependía únicamente de la ausencia del represor Lac I en la región operadora, sino que además era necesario que se uniera la proteína CRP más AMPc.

La proteína CRP se encuentra en forma de dímero y solo es activa cuando lleva unido AMPc. Sin CRP o sin AMPc el sistema permanecería cerrado.

Componentes adicionales de control

• Represor: Es una proteína que desactiva la expresión de uno o más genes. La proteína represora actúa al adherirse a la región promotora del gen, lo que impide la producción de ARN mensajero (ARNm).
• Elemento de control regulador: Es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la proteína reguladora. En un operón típico, el operador se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales.
• Región del ADN que forma el operador: Esta secuencia es una región de 17 a 25 nucleótidos situada justo después del promotor y antes del gen LacZ que tiene una enorme especificidad por la proteína represora.
• Regulación o control en cis: Es la que se ejerce con elementos propios del gen, como el promotor o secuencias operadoras del propio gen. Se opone a la regulación o control en trans, ejercida por elementos externos al gen.