Procesamiento de ARN en una célula eucariota: empalme de intrones y exones
Regulación genética en eucariotas
Todos los seres vivos tienen métodos para regular sus genes controlando cuándo y cómo se expresan. Cuando los científicos aprendieron por primera vez sobre la regulación genética, estudiaron la bacteria E. coli y uno de sus grupos de genes: el operón lac . Los científicos utilizaron el operón lac para estudiar la regulación genética. Su investigación reveló mucha información sobre la regulación de los operones, pero no les dijo mucho sobre la regulación de los genes humanos. Después de todo, los humanos no tenemos operones. Los humanos, recuerde, son eucariotas.
A diferencia de las bacterias procariotas, los eucariotas no tienen grupos de genes relacionados. Nuestros genes se encuentran dispersos por todo el genoma en varios cromosomas. Además, nuestras células contienen un núcleo, lo que significa que tenemos que realizar la transcripción y la traducción por separado. La transcripción debe ocurrir en el núcleo, pero la traducción debe ocurrir en el citoplasma. Entonces, a diferencia de los procariotas, los eucariotas se someten a un paso de procesamiento de ARN justo después de la transcripción y antes de la traducción. El procesamiento del ARN es un desafío exclusivo de los eucariotas porque solo las células eucariotas tienen un núcleo. En esta lección, analizaremos los aspectos más importantes del procesamiento de ARN.
Intrones y exones
Los genes eucariotas se dividen en partes que se expresan como productos de ARN y partes que no lo son. Las partes que se expresan se denominan exones . Aparecen en secuencias cortas esparcidas por todo el gen. Los exones son las partes de un gen eucariota que se expresan mediante transcripción y traducción. Puede pensar en ellos como la “carne” del gen; normalmente se las considera las regiones codificantes reales que especifican nuestras proteínas.
Entre todos los exones se encuentran los otros segmentos, llamados intrones . Los intrones son las secuencias intermedias que se eliminan de un gen antes de que se produzca el producto de ARN. Los intrones y exones se alternan entre sí a lo largo de un gen. Los intrones generalmente se consideran regiones no codificantes porque no parecen codificar ninguna enzima o proteína estructural. Sin embargo, los científicos todavía están aprendiendo sobre la importancia de los intrones. Una cosa que sí sabemos es que los intrones se eliminan de una secuencia de ARN inmediatamente después de la transcripción. Existen en el ADN, se transcriben en ARN, pero luego se extraen antes de que el ARN tenga la oportunidad de producir algún producto.
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Empalme y empalme de ARN
Entonces, los exones contienen las regiones codificantes importantes de nuestros genes, y los intrones no son mucho más que una pelusa adicional. ¿Cómo conseguimos solo las cosas buenas? ¿Cómo separamos el trigo de la paja? La hebra de ARN se procesa para eliminar sus intrones y los exones se juntan para formar una hebra continua y más corta. Este proceso se llama empalme de ARN . Produce un “borrador final” del ARNm antes de que comience la traducción. El empalme de ARN es la eliminación de intrones y la unión de exones en ARNm eucariota. También ocurre en tRNA y rRNA.
El empalme se logra con la ayuda de espliceosomas , que eliminan los intrones de los genes en el ARN. Los empaliceosomas están compuestos por una mezcla de proteínas y pequeñas moléculas de ARN. Localizan los extremos de los intrones, los separan de los exones y unen los extremos de los exones adyacentes. Una vez que todo el gen está desprovisto de sus intrones, se completa el proceso de empalme de ARN.
¿Cuál es el objetivo del empalme de ARN? ¿Por qué tenemos intrones en primer lugar si solo los vamos a eliminar más tarde? Cuando los científicos descubrieron por primera vez los intrones, no pensaron que hubiera ninguna razón para tenerlos en nuestros genes. Originalmente llamaron a los intrones ‘ADN basura’. Pero, investigaciones posteriores revelaron que los intrones juegan un papel importante en la expresión genética . Separan las regiones codificantes del gen y permiten empalmar diferentes combinaciones de exones. En otras palabras, un solo gen es capaz de codificar más de una proteína. Este principio se llama empalme alternativo .
Eche un vistazo a la muestra de gen eucariota a continuación. Tiene cuatro segmentos diferentes que se pueden empalmar en combinaciones alternativas. Una combinación cuenta el segmento verde como un intrón y lo elimina del ARNm. La proteína resultante se traduce solo a partir de los segmentos de genes rojo, amarillo y azul. Una combinación diferente cuenta el segmento amarillo como un intrón removible y el segmento verde como un exón traducible. Cada combinación produce una proteína diferente, ambas traducidas del mismo gen. Los científicos apenas están comenzando a comprender las posibilidades que presenta el empalme alternativo. Por tanto, todavía estamos aprendiendo sobre el papel de los intrones en nuestros genes.
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La tapa de 5 ‘y la cola de poli (A)
Una vez que todos los intrones se cortan del gen, es hora de que el ARNm salga del núcleo. Esto le permitirá comenzar la traducción en el citoplasma. Para salir del núcleo, el ARNm debe atravesar la bicapa lipídica doble de la envoltura nuclear . Puede recordar que una bicapa lipídica es como un bosque denso plagado de complejos de proteínas. La cadena de ARNm necesita protección para atravesar esta doble membrana. También necesita alguna forma de identificación para que los ribosomas lo reconozcan en el otro lado. El ARNm se protege y se identifica agregando nucleótidos adicionales a ambos extremos de la hebra.
Recuerde que una hebra de ARN tiene un extremo 5 ‘y un extremo 3’. Durante el procesamiento del ARN, se agrega un nucleótido de guanina especializado al extremo 5 ‘. A esto se le llama el límite de 5 ‘ . Al extremo 3 ‘se agrega una cadena larga de nucleótidos de adenina, que se llama cola poli (A) . La tapa 5 ‘y la cola de poli (A) son modificaciones adicionales de la cadena de ARNm. Aunque están hechos de nucleótidos, en realidad no codifican proteínas.
Simplemente actúan como un uniforme usado por un árbitro en un partido de fútbol al proteger el ARNm del ataque de las enzimas celulares e identificarlo como un elemento importante en el juego de la expresión genética. El recubrimiento y la cola se producen dentro del núcleo, justo después de la transcripción y el empalme del ARN. Una vez que el ARNm se mueve hacia el citoplasma, los ribosomas usan la tapa y la cola para reconocerlo, unirse a él y comenzar la traducción. La cobertura y el colapso de ARN son adaptaciones especiales que se encuentran solo en eucariotas. Esto se debe a que solo las células eucariotas requieren ARNm para viajar a través de la membrana nuclear .
La maduración del ARNm
Para ver cómo encajan todos estos procesos, tomemos un gen de muestra de la parte superior. Aquí está nuestro viejo amigo, el gen de la queratina, sentado aquí en medio de una cadena de ADN. En este momento, está en el núcleo y la transcripción está a punto de ocurrir. La transcripción del gen de la queratina produce un ARNm complementario, completo con todos los intrones y exones que se encuentran en el gen original. Esta forma de ARNm se denomina ARNm precursor o pre-ARNm . Esta es la forma de ARNm antes de que ocurra cualquier procesamiento de ARN.
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El pre-ARNm contiene más nucleótidos de los necesarios para codificar una proteína. Entonces, con la ayuda de espliceosomas, los intrones se eliminan y los exones se unen. A continuación, se agregan una tapa de 5 ‘y una cola de poli (A) a los extremos. Ahora llamamos al mRNA mRNA maduro . Es la versión final y más corta del ARNm que está lista para la traducción en el citoplasma. El ARNm maduro viaja a través de la envoltura nuclear, se une a los ribosomas y comienza a traducir su código en proteínas.
Una vez que el ARNm abandona el núcleo, tienen lugar mecanismos reguladores adicionales. Estos mecanismos pueden ocurrir durante la traducción, después de la traducción e incluso después de la síntesis de proteínas. Como puede ver, el procesamiento de ARN es solo una de las formas en que se regula la expresión génica en una célula eucariota. Pero, los únicos mecanismos que necesitamos entender aquí son el empalme, el taponamiento y las colas que componen el procesamiento de ARN.
Resumen de la lección
La regulación de la expresión génica difiere entre procariotas y eucariotas. Las células eucariotas poseen un núcleo unido por una membrana y sus genes consisten en intrones y exones alternos . Por lo tanto, el pre-ARNm inmaduro debe procesarse antes de que abandone el núcleo.
El empalme de ARN es la eliminación de intrones no codificantes y la unión de exones por espliceosomas . Se cree que la presencia de intrones ayuda a la regulación genética mediante métodos complejos como el empalme alternativo .
Después del empalme, se añaden una tapa de 5 ‘ y una cola de poli (A) , y este “borrador final” se llama ARNm maduro . El empalme, el taponamiento y la colas comprenden el procesamiento del ARN en el núcleo. Una vez que el ARNm maduro se mueve hacia el citoplasma, comienza la traducción y se somete a otras formas de regulación génica.
Los resultados del aprendizaje
Después de ver esta lección, debería poder:
- Explicar las diferencias básicas en la regulación génica de procariotas y eucariotas.
- Definir intrones y exones
- Describir el proceso de empalme de ARN en eucariotas.