Tema 3 - Flujo de información genética PDF

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Sonia Sánchez Munuera

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1º Medicina

El diámetro del ADN es igual a 2nm. El tamaño del genoma (pares de bases) es igual a 60,4·109. La distancia entre una base nitrogenada y otra es igual a 0.34nm. La multiplicación de éstos dos últimos es igual a 2,18m (longitud genoma). El cromosoma 21 es el más pequeño, sólo contiene 425.129.895 pares de bases.

El gen E2F1 (Ensembl) ocupa 10,72 Kbases. Abajo podemos observar su representación mediante una base de datos en el genoma humano.

Cuando se dibuja un gen únicamente se dibuja una línea representando la doble cadena, ya que la información puede estar en una cadena o en otra, lo que se indica mediante flechas: Va desde el extremo 3’ al 5’. Va desde el extremo 5’ al 3’. Las zonas marcadas en negro se refieren a los Exones (contienen una parte que codifica a una proteína y otra que no y su longitud es aproximadamente 150 nucleótidos) y las líneas a los Intrones (secuencias que interrumpen los genes y no codifican proteínas. Son bastante más largo que los exones y su longitud es aproximadamente 1500 nucleótidos). A la hora de codificar una proteína se unirán todos los trocitos negros y se irán al ribosoma donde se llevará a cabo este proceso. Por lo tanto, podemos distinguir cuatro elementos de un gen: a) Región codificante. Es la que tiene información para codificar la proteína (exones). b) Región promotora. Es una secuencia de nucleótidos que son reconocidos por la ARN polimerasa, y donde ésta se pegará para comenzar la transcripción. Una vez iniciada la transcripción, la ARN polimerasa comienza a separar las dos hebras de ADN para sintetizar el ARN. La lectura del ADN se realiza en sentido 3’-5’, por lo que la síntesis es en dirección 5’-3’. c) Región operadora. Secuencia que controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor. d) Región terminadora. Secuencia de nucleótidos (TTTATTT) que serán reconocidos por la ARN polimerasa y harán que ésta se despegue, liberándose así del ADN y del ARN transcrito.

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El flujo de información genética (flujo genético o migración) es la transferencia de alelos de genes de una población a otra (información que tiene que pasar de ADN a proteínas). Este flujo puede ser responsable de importantes cambios en las frecuencias del cúmulo genético (el número de individuos con un rasgo particular). Nota: inmigración es la introducción de nuevo material genético establecido de una especia y la emigración es una pérdida de material genético. Crick creó el DOGMA (verdad indiscutible) CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR donde el ADN pasa a ARN mediante la transcripción y, éste a proteínas mediante la traducción. Hay varios tipos de ARN: Todos forman parte de la formación de las proteínas.       

ARN mensajero. ARN ribosómico. Compone los ribosomas que son la fábrica molecular donde se sintetizan las proteínas. ARN transferente. Lleva a cabo la traducción. Por una parte va a asociarse con una determinada secuencia de nucleótidos y por otra llevará unido un aminoácido. snARN. Small nuclear que intervendrá en el proceso de Esplise. lcnARN snoARN sncARN. Interviene en la eliminación de los intrones.

REPLICACION VS TRANSCRIPCION Los nucleótidos se van añadiendo en el 3’ OH. Va de 5’ a 3’ porque el que aporta el enlace de alta energía es el nucleótido que entra. Diferencia entre replicación y transcripción: en la replicación el nucleótido que entra es un deoxinucleótido mientras que en la transcripción el nucleótido que entra es un ribonucleótido. Otra diferencia importante esta en los elementos necesarios para llevar a cabo el proceso: 

En la replicaciones la ADN polimerasa necesita un cebador para poder ir añadiendo los nucleótidos y ese cebador lo pone la primasa. Esta primasa es una ARN polimerasa. Eso nos demuestra que las ARN polimerasa sí que pueden añadir nucleótidos donde no hay nada. 2

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Las DNA polimerasa necesita la participación de la primasa mientras que las RNA polimerasa es más versátil, no lo necesita.

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La ARN polimerasa es capaz de abrir la fibra de ADN e ir sintetizándola y cerrándola por detrás. Sin embargo esto tiene un coste energético. La RNA polimerasa es mucho más lenta (40, 50 nucleótidos/segundo) mientras que la DNA polimerasa (millones de nucleótidos/segundo)

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Además la ARN polimerasa comete más errores, sin embargo la DNA polimerasa es más exacta, falla menos. La tasa de fallo en las RNA polimerasa es de 1/10.000 mientras que la tasa de error en la DNA polimerasa es de 1/100.000.

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Otra de las características de la transcripción es que no se copia todo, solo se copian los genes, la información útil.

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Genes convergentes: los promotores se sitúan de forma que transcriben uno hacia otro  

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Mientras que si los genes son divergentes, los promotores se sitúan de forma que transcriben alejándose  

1 INTRODUCCIÓN

La transcripción es el proceso que consiste en la síntesis de una cadena de ARNm a partir de una cadena molde de ADN. Química y enzimáticamente es muy similar a la replicación del ADN. En procariotas, este ARN se obtiene tras la acción de la ARN polimerasa, ya que es ARN mensajero que casi no necesita modificaciones, lo que supone que la traducción o la síntesis de proteínas sea casi simultánea a la transcripción. Sin embargo, en eucariotas, lo que se obtiene corresponde al ARNhn (heterólogo nuclear) o ARN transcrito primario, el cual tiene que madurar (sufrirá splicing y adicción de ‘cap’ en el extremo 5’ y ‘poli A’ en el 3’) para convertirse en ARN mensajero. Este ARNm será el que se traducirá a proteínas.

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CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSCRIPCIÓN    

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Se polimerizan ribonucleótidos y no desoxi-ribonucleótidos y, por tanto, se forma ARN. La ARN polimerasa lo hace todo por lo que no necesita primer sino que es capaz de sintetizar a partir de cero. El ARN sintetizado no permanece formando apareamientos de bases con el ADN molde. Genera más errores que la replicación (10-4 versus 10-7) ya que hay factores de corrección pero no son tan eficaces ya que tendrán menos importancia los errores en la transcripción que en el ADN. Esto es debido a que si se produce un error en el ADN, éste se transmitirá a las proteínas pudiendo formar mutaciones y, por lo tanto, patologías. Sin embargo, si se produce un error en el ARN el siguiente ya será correcto. Genera un número variable de copias a partir de regiones concretas del genoma. Éstas vienen determinadas por la unión de la ARN polimerasa a secuencias específicas generalmente cortas llamadas promotores (contienen la secuencia TATA Box.). Estas regiones se situarán al principio y le indicarán a la ARN polimerasa que dentro de 25 nucleótidos podrán empezar a actuar. Así, la ARN polimerasa tendrá que buscar esta secuencia, reconocerla y empezar a polimerizar.

σ70  Se sitúa en las bacterias y regula alrededor de 300 genes. ARN polimerasa

Parte del ARN que no entra en el ADN -1

+1 Donde empieza a transcribir la ARN polimerasa

La secuencia de consenso es la de -35, muy pocos genes tienen esa secuencia sino que tienen una parecida (son secuencias que se cree que genes con las mismas características deberían tenerla en común) . Los genes que si la tienen normalmente eran genes que se pegaban mucho 4

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y eran genes constitutivos que le interesa a la célula tener siempre activos para transcribirlos sin problema. Una "secuencia consenso" especifica cuáles son los elementos comunes a las secuencias encontradas en distintas situaciones (genes, especies...) para una misma función. La mera existencia de ese consenso, es decir, la presencia sistemática de esos elementos comunes, es informativa porque nos indica que son importantes para la función.

Constituye la base del promotor humano y actuará en secuencias cis.

En ella hay múltiples secuencias aunque no todas tienen que estar en el promotor. Tenemos dos tipos de elementos de secuencia:  

Acción en cis. Una proteína puede reconocer una secuencia presente en varios cromosomas pero sólo se unirá a una secuencia determinada (S) de un cromosoma. Acción en trans. Actúan normalmente las proteínas que reconocen una secuencia S y se pueden unir a cualquier secuencia S de cualquier cromosoma que la tenga. La proteína afectará a distintos genes de distintos cromosomas.

COMPLEJO MEDIADOR DE MUCHAS PROTEÍNAS

No se sabe muy bien para que sirve pero es esencial. GTF tendrán especificidad que determinará el lugar donde se unirá la ARN polimerasa.

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2 ARN POLIMERASA Es la enzima encargada de realizar la transcripción, para ello utiliza como molde el ADN para formar ARN siguiendo siempre la misma dirección; de 5’ a 3’. Se trata de un complejo proteico con varias subunidades. Ésta no se une demasiado fuerte al ADN molde sino que lo hace débilmente para poder moverse para transcribir. La cadena molde de la ARN polimerasa en este caso sería la de abajo ya que el primer extremo que sale de la enzima es el 5’ (contiene la caperuza) y, además, en los ácidos nucleicos las cadenas que aparean lo hacen en forma antiparalela. Sin embargo, si la flecha apuntara hacia el otro sentido, la cadena molde sería la de arriba. En los organismos procariotas sólo hay una ARN polimerasa, sin embargo en complejos eucariotas hay una especialización:  

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ARN polimerasa I. Síntesis, reparación y revisión. Se encarga de sintetizar precursores de ARNr (18S, 5.8S y 28S). El 85% del ARN de una célula es ARNr. ARN polimerasa II. Reparación. Se encarga de sintetizar todos los ARNm en los procariotas y, en los eucariotas, el hnARN que luego se transformará en ARNm. Se requieren factores de transcripción (reconocen las secuencias de ADN de los promotores y, a su vez, interaccionan proteína-proteína con la ARN polimerasa para que vaya a estas secuencias) para que se una a los promotores del ADN. ARN polimerasa III. Reguladora. Se encarga de sintetizar todos los ARNt y un ARNr pequeño que es el 5S.

ESTRUCTURA La estructura (cuaternaria) de la ARN polimerasa es similar a la de la ADN polimerasa ya que está formada por varias subunidades que conforman la holoenzima, que en unión con proteínas accesorias forman una máquina proteica o complejo de transcripción que llevan a cabo la síntesis del ARN. Consta de varios canales: -Un canal por el que entra el ADN que está transcribiendo. -Un canal por el que sale la cadena de ADN.

Foto apuntes

-Un canal por el que entran los ribonucleótidos trifosfatos.

Cuando la ARNpolimerasa comienza a transcribir abre una burbuja de 14 nucleótidos.

3 .PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN Páginas siguientes 6

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4 MODIFICACIONES DE LOS ARNs (eucariotas) CTD (Carboxi terminal domain): Es un dominio muy particular ya que es una cola formada básicamente por la repetición (52 veces) de siete aminoácidos YSPTSPS que si la pusiésemos estirada sería siete veces el tamaño de la enzima. Es una zona que está muy cerca del ARN que sale y va a reconocer a muchas proteínas nucleicas que cuando la encuentren se quedarán allí retenidas. Este dominio va a intervenir en la modificación del ARN. Además, hay unas kinasas que fosforilan la Y, S y T de este dominio, y no será lo mismo fosforilar el aa de un sitio o de otro. CAPPING Ocurre de forma cotranscripcional; al mismo tiempo que se está transcribiendo se modifica el ARN. El ARN sale de la ARN polimerasa orientado por el extremo 5’ y como dentro del núcleo hay una exonucleasa se puede degradar. Para proteger al ARNm transcrito primario (ubicado en el núcleo celular) de esta enzima se le pone una caperuza o casquete o ‘CAP’ en el extremo 5’ que es un nucleótido de guanina modificado (7-metilguanosina trifosfato) se mantiene porque, en este caso, se produce el enlace 5’-fosfato -> 5’fosfato (en lugar del enlace habitual 3’,5’-fosfodiéster) y al final, en vez de quedar un único fosfato, quedarán tres fosfatos; los cuales no podrá reconocer esta exonucleasa y no podrán romperlos, por lo que el ARN quedará protegido. Esta caperuza mantiene la estabilidad de este ARN, por lo que es necesaria para el proceso normal de traducción del ARN; ya que ayuda para el transporte de las proteínas al citoplasma y para reaccionar posteriormente con el ribosoma. POLIADENILACIÓN

CstF: Factor de estimulación cleavage CPSF: Factor específico de escisión y poliadenilación

Es la adición al extremo 3' de una cola poli-A, una secuencia larga de poliadenilato, es decir, un tramo de RNA cuyas bases son todas adenina (entre 200 y 250). Su adición está mediada por una secuencia o señal de poliadenilación (AAUAAA), situada unos 11-30 nucleótidos antes del extremo 3' original. Esta cola protege al ARNm frente a la degradación de las exonucleasas, aumentando su vida media en el citosol, de modo que se puede sintetizar mayor cantidad de proteína. Cuando el ARNm ya se ha formado y es el definitivo, se corta y se le adiciona la cola poli A. 7

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Pero la ARN polimerasa sigue actuando y formando más ARN pero éste no es funcional ya que no sale con caperuza, por lo que las exonucleasas lo degradan. Y finalmente, cuando las exonuclasas (que van degradando el ARN mucho más rápido que lo sintetiza la polimerasa) chocan con la polimerasa, ésta se desprende dejando así de sintetizar ARN. Además esta cola permite el transporte del ARNm del núcleo al citoplasma. Esta poliadenilación también ocurre de forma cotranscripcional; al mismo tiempo que se está transcribiendo se modifica el ARN. SPLICING o ‘CORTE Y EMPALME’ Se piensa que ourre de forma postranscipcional (después de la transcripción) pero en los últimos años se ha dicho que posiblemente pueda ocurrir de forma cotranscripcional.

5 SPLICING O ‘CORTE Y EMPALME’ La mayoría de los genes humanos van a estar interrumpidos y la secuencia codificante no va a ser continúa ya que contendrá exones (codificantes) e intrones (no codificantes). Para llegar a las proteínas se tendrán que eliminar los intrones para obtener el ARN definitivo o maduro. Como media los genes suelen tener unos 8 exones transcritos, aunque el gen contendrá más ya que muchas veces en un gen se saltan varios exones a la hora de transcribir. En la siguiente fotografía podemos observar una zona en blanco dentro de los exones, ésta no será codificante pero también se le llamará exón ya que al final estará en el ARN mensajero.

Este gen contiene 7 exones, 10720 pares de bases a nivel de ADN (desde que empieza a transcribir hasta que acaba) que serán transcritas a pre-ARNm formando el mismo número de nucleótidos y, al madurar en el splicing, se obtendrá ARN maduro con 2503 nucleótidos (supone más o menos el 23%).

Este gen contiene 47 exones, 189655 pares de bases a nivel de ADN (desde que empieza a transcribir hasta que acaba) que serán transcritas a pre-ARNm (proceso que durará horas) formando el mismo número de nucleótidos y, al madurar en el splicing, se obtendrá ARN maduro con 10435 nucleótidos (supone más o menos el 5.5% = valor más típico que suele quedar después del splicing).

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¿QUÉ ES EL SPLICING DEL ARN? Es un proceso postranscripcional de maduración del ARN del cual se eliminan ciertos fragmentos secuenciales que no codifican para genes. Éste proceso es muy común en eucariotas, pudiéndose dar en cualquier tipo de ARN aunque es más común en el ARNm. Sin embargo, los procariotas casi siempre tienen una secuencia codificadora continua de 3N pares de bases que codificará una proteína de N aminoácidos. Este proceso consiste en eliminar los intrones del ARN transcrito primario y posteriormente unir los exones; aunque existen otros tipos de ajuste donde se eliminan exones y/o retienen intrones (como sería el splicing alternativo).

El número de intrones en el genoma de un individuo, aumenta con el grado de especialización de éste, así los seres más complejos tienen un mayor número de intrones que las bacterias o los organismos procariotas en general. El splicing se lleva a cabo gracias a un complejo denominado espliceosoma. ESPLICEOSOMA Es el que lleva a cabo las reacciones que tienen lugar en el splicing. Está compuesto por una combinación de ARN y proteínas, por lo que es un complejo formado por cinco ribonucleoproteínas nucleares pequeñas o snRNP. Esta maquinaria es muy dinámica ya que hay unos componentes que actúan antes que otros. Las snRNP son complejos formados por unas diez proteínas más una pequeña molécula de ARN, rica en uracilo, que es la encargada de reconocer al intrón por sus extremos mediante apareamiento complementario de bases para poder provocar su extracción. Éstas se denominan U1, U2, U4, U5 y U6 y participan en diversas interacciones ARN-ARN y ARNproteína.

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El espliceosoma tiene que ser capaz de reconocer el principio y final de exones e intrones, para así eliminar los intrones de los precursores del ARNm y ligar los exones. Para que esto tenga lugar se ven implicadas muchas interacciones débiles. Las snRNP reconocen la secuencia consenso (que está muy poco conservada ya que es muy variable) GU (Guanina-Uracilo) del extremo 5´ (lugar dador) y AG (Adenina-Guanina) del extremo 3´ (lugar aceptor) del intrón; las cuales son lo más conservado de este intrón. Pero, debido a la repetición de estas secuencias en el genoma humano su reconocimiento resulta difícil.

Estas secuencias no pueden ser las únicas que les indiquen ya que hay sitios que son muy similares. Por ello, a parte de estas secuencias conservadoras hay otros tipos de secuencias:    

ESE: Secuencias potenciadoras del splicing que están en un exón (efecto positivo). ISE: Secuencias potenciadoras de splicing que están en un intrón (efecto positivo). ESS: Secuencias que van a tener el efecto de inhibir el splicing en ese lugar del exón (efecto negativo). ISS: Secuencias que van a tener el efecto de inhibir el splicing en ese lugar del intrón (efecto negativo).

Estas secuencias las reconocen las proteínas que intervienen en el splicing (SR: familia de proteínas, hnARNP: ribonucleoproteínas…). U1 reconoce el extremo 5’ del espliceosoma pero, como a veces le cuesta reconocerlo, las proteínas SR le ayudan a saber dónde está y así, este sabrá que al siguiente ‘GU’ se tiene que unir. Nota: Un error sistemático en este proceso puede generar problemas ya que estas mutaciones comprenden el 10% de las mutaciones patogénicas y el ARN no se podrá cortar por el sitio correcto. Además, si hay mutaciones en las proteínas que forman parte del espliceosoma, afectarán al splicing y llegarían a formar un 50% de las mutaciones totales.

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ACTUACIÓN DEL ESPLICEOSOMA Primero se corta por el extremo 5’ del intrón, separando el exón izquierdo de la molécula intrón-exón derecha. El exón izquierdo asume la forma de una molécula lineal y la molécula intrón-exón derecha, forma un lazo. Pero, ¿Cómo se forma este lazo?: El extremo 5’ del intrón se une por enlace 5’->2’ con una base diana del mismo intrón; esta base es una A, y se encuentra en una secuencia llamada sitio de ramificación. La escisión del extremo 3’ del intrón, libera al intrón libre con forma de lazo. Entonces, el exón derecho se unirá al exón izquierdo mediante una ligasa. El lazo entonces será ‘desramificado’ para obtener un intrón lineal cortado, que se degradará rápidamente.

Nota: unos pocos ARNs ...