8.1 NIVELES DE REGULACIÓN DE LA
EXPRESIÓN GENÉTICA
Los organismos multicelulares
complejos están compuestos de diferentes tejidos cuyas características
individuales dependen de las proteínas específicas expresadas por sus tipos
celulares. La diferenciación, el desarrollo y la funcionalidad de
los tejidos específicos dependen del conjunto de proteínas selectivamente
expresadas por cada célula. Estas proteínas expresadas en forma diferencial
pueden funcionar como componentes estructurales de las células, enzimas
reguladoras del metabolismo, factores de transcripción, receptores
celulares, componentes intracelulares de señalización, etc.
La expresión incorrecta
de tales proteínas, su expresión en lugares equivocados, a destiempo,
o la producción en cantidades anormales de proteínas específicas o de
proteínas de función anómala subyace a toda patología celular de base
genética.
Por consiguiente el
conocimiento de los mecanismos de regulación de la expresión proteica en
eucariontes contribuirá al conocimiento de las bases moleculares de
diversas patologías.
En las células eucariotas, la
capacidad de expresar proteínas biológicamente activas resulta de
diferentes niveles regulatorios.
1) CONFORMACION Y ESTRUCTURA DEL ADN
Compactación diferencial de la cromatina
La
compactación de la cromatina afecta la capacidad de unión de las enzimas y
factores transcripcional es de genes específicos. La cromatina se puede dividir
en dos clases según su patrón de tinción. La eucromatina se tiñe
suavemente y se corresponde con regiones del genoma que están
disponibles para la transcripción. Por otro lado, la heterocromatina,
se tiñe intensamente y se corresponde a regiones del genoma que
están densamente compactadas e inaccesibles para el aparato transcripcional.
Se pueden
distinguir dos clases de heterocromatina: la constitutiva y la facultativa. La constitutiva hace referencia a cromosomas o parte de ellos que
son heterocromáticos en todas las células de una misma especie, mientras que la
facultativa implica zonas de
cromosomas que se pueden descompactar tornándose en eucromatina en
algunas células de un mismo organismo.
Como la heterocromatina
no puede ser transcripta, la expresión génica en los eucariontes se puede
reprimir por condensación de eucromatina en heterocromatina. Todavía no
se conocen todos los factores que modulan la descompactación de la
cromatina. Ciertamente hay proteínas que reconocen secuencias específicas del
DNA y una vez unidas, transmiten la señal de descondensación de
cerca de 10000 pares de bases correspondientes a un bucle de la cromatina.
Las
acetilaciones y desacetilaciones de histonas son modificaciones covalentes frecuentes en estos
fenómenos de descompactación cromatínica. Un ejemplo típico de este tipo de
regulación ocurre en la acetilación de coactivadores involucrados
en las transcripciones genéticas moduladas por las hormonas tiroideas.
Las acetilaciones se producen en los residuos de lisina de los extremos
aminoterminales de las histonas, reduciendo su carga positiva y por lo tanto su
afinidad de unión al ADN cargado negativamente. La desacetilación de las
histonas, mediada por desacetilasas provoca el efecto contrario
(recompactación).
Secuencias
características de organización del DNA como los palíndromes así
como la disposición espacial del DNA Z han sido relacionados con
señalizaciones para el sitio de inicio de la transcripción.
Metilaciones
de residuos de desoxicitidina:
La metilación
de los restos de citosina en el ADN, especialmente en los sitios promotores, dificulta
la transcripción. Por ejemplo: los genes de globina están más metilados en
células no productoras de hemoglobina que en los eritroblastos. Las
metilaciones se producen en secuencias específicamente reconocidas (5’---
m CpG ---3’) que generalmente se agrupan en “islotes” ricos en GC, con
frecuencia dentro o cerca de regiones reguladoras de la
transcripción.
La metilación
puede inhibir la transcripción de los genes al interferir en la capacidad
de los factores de transcripción para reconocer los sitios de unión al
ADN o alterando las conformaciones del ADN dificultando la polimerización
de la ARN polimerasa. Uno de los ejemplos más espectaculares de la
metilación ocurre durante el fenómeno de impresión genómica. Así,
el conjunto de cromosomas heredados del progenitor masculino no es
funcionalmente equivalente al conjunto de cromosomas heredados de la madre.
Existen por lo menos 100 genes sometidos a esta expresión diferencial. Las
versiones activas e inactivas de los genes difieren en sus patrones de
metilación. Las diferencias en los alelos se originan durante la gametogénesis.
Modificación
del número y de la estructura de los genes:
La eliminación
total o parcial de genes impide la formación de ARNm y de la proteína correspondiente, los
glóbulos rojos son un caso extremo donde una vez sintetizadas las proteínas
estructurales y funcionales, la eliminación del núcleo en la etapa de
eritroblasto ortocromático produce una célula incapaz de sintetizar toda otra
proteína de novo presentando un 90% del contenido proteico total como
hemoglobina.
Otro caso es
la recombinación somática de la línea germinal de los linfocitos
B. En este tipo particular de regulación de la expresión de genética,
los genes codificantes de las cadenas pesadas y livianas de la inmunoglobulinas
sufren un rearreglo independiente de la presencia del antígeno. Allí, se
produce el corte y empalme al azar de diversos fragmentos génicos de manera
irreversible que dan origen al variado repertorio de las inmunoglobulinas.
Por otra
parte, la presencia de genes en tandem, implica la presencia de de
múltiples copias de un gen que aumentan la capacidad de producción de la
proteína requerida en grandes cantidades. Es el caso de los genes
codificantes de histonas y ARN 5S.
La regulación
génica se puede regular también en función de la disponibilidad del DNA
incrementando el número de copias de un gen accesible. Este mecanismo de
regulación se conoce como amplificación génica. Una forma de
amplificación es la repetición sucesiva de la replicación de una secuencia
específica del ADN. Este fenómeno se observó en la amplificación de ciertos
genes cuyos productos son necesarios para el desarrollo de algunos
insectos y anfibios. Como ejemplo puede citarse el ARN ribosómico en la
rana Xenopus laevis, donde los gnes que codifican los ARN r 5.8 S, 18S y
28 S se amplifican de 500 a 2 millones de copias.
2) CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
Constituye uno
de los modos más importantes de regulación de la expresión proteica en
eucariontes. En esta categoría están incluidos los promotores, la presencia de
secuencias regulatorias potenciadoras (enhancers), y la interacción entre
múltiples proteínas activadoras o inhibidoras que actúan mediante su unión a
secuencias específicas de reconocimiento al ADN.
Las regulaciones pueden ser de tipo CIS o TRANS.
Cuando el elemento regulador transcripcional es
parte de la cadena polinucleotídica donde se localiza el gen a regular, se
denomina regulador CIS. Evidentemente se tratan de secuencias especiales
del ADN (promotores y enhancers).
Cuando los elementos regulatorios son de naturaleza y
origen diferente a la secuencia genética a controlar, la regulación es de
tipo TRANS (aquí se incluyen a los factores de transcripción
generales, histoespecíficos y todas las proteínas regulatorias con
capacidad de unión al ADN).
Regulación en CIS
Promotores
El paso
inicial de la síntesis de los tres tipos de ARN es la ubicación de las
ARN polimerasas junto a una secuencia del ADN a la altura del denominado
promotor del gen a ser transcripto. La ARN polimerasa I sintetiza los ARN r
(excepto el 5S), la de tipo II sintetiza los ARN m y algunos ARN sn
involucrados en el proceso de corte y empalme del transcripto primario
(splicing), mientras que la ARN polimerasa III sintetiza el ARN r 5S y
los ARN t. El más complejo de los procesos regulatorios es el que comprende a
los genes de clase II o codificantes de ARN m. Casi todos los genes
codificantes de proteínas contienen promotores basales de dos tipos
y un número variable de dominios regulatorios transcripcionales.
El promotor es una secuencia que define el sitio de iniciación
de la transcripción del ARN.
Los promotores
más frecuentes son los de tipo CCAAT y TATA , denominados motivos o cajas
por su alta conservación evolutiva.
La caja TATA
está localizada 20-30 pb corriente arriba del sitio de inicio de la
transcripción . Numerosas proteínas identificadas como TF IIA,B,C, etc.
(factores regulatorios de la ARN polimerasa II) interaccionan con la caja TATA.
El promotor CCAAT reside 50-130 pb corriente arriba del sitio de inicio transcripcional.
La proteína denominada C/EBP (CCAAT-box /enhancer/binding/protein)
se une a esta secuencia. Otra secuencia regulatoria incluye a la caja GC.
Si bien los
promotores están preferentemente localizados corriente arriba (5’) del inicio
transcripcional, algunos pueden ubicarse corriente abajo (3’) o bien ser de
tipo intragénicos. El número y tipo de elementos regulatorios varían según cada
ARNm. La naturaleza de los promotores y la combinatoria de las proteínas
interactuantes con ellos es uno de los principales mecanismos de
regulación en los genes de tipo inducibles.
Secuencias
regulatorias potenciadoras (enhancers):
Existen además
secuencias del ADN que pueden localizarse corriente arriba o abajo del gen a
regular situadas a miles de pares de bases con respecto al promotor. Las zonas
de ADN sobre las cuales se ejercen acciones activadoras son
llamadas potenciadoras o aumentadoras (enhancers en inglés). En términos generales una secuencia
regulatoria potenciadora o enhancer regula la frecuencia con la que se realiza
el proceso transcripcional.
Para un mismo
gen pueden existir varias secuencias regulatorias. También existen
reguladores de acción opuesta (silenciadores o amortiguadores de la
transcripción). La explicación más simple del fenómeno regulatorio a distancia
es propone que la molécula de ADN se dobla en asa para
permitir la aproximación de estas zonas alejadas de la doble hélice y
ubica a la proteína activadora unida al “enhancer".
Factores
transcripcionales:
A diferencia
de las ARN polimerasas bacterianas, las eucarióticas no hacen contacto directo
con el ADN promotor sino que son reclutadas hacia este por complejos de
proteínas específicas para cada tipo de ARN polimerasas. Estos complejos se han
denominado SL1 para la ARN polimerasa I, TFIID para la ARN pol, II y TF IIIB
para la RNA pol III respectivamente.
No hay
duda alguna que los factores transcripcionales de los genes codificantes de
proteínas son de crucial importancia en el control del crecimiento y la
diferenciación de las células. Muchos de ellos están codificados por
protooncogenes, que al activarse pueden alterar la tasa transcripcional o la
calidad de las proteínas fisiológicas desencadenando un proceso oncológico.
Se pueden
distinguir los denominados factores de transcripción generales
(componentes del complejo de transcripción basal) y los factores de
transcripción histoespecíficos (que se unen a regiones específicas
promotoras/reguladoras de los genes y regulan el grado de transcripción desde
el complejo de transcripción basal). Ambos tipos de proteína se unen a
secuencias en el surco mayor del ADN.
Para montar la
transcripción basal en un promotor dependiente de la ARN polimerasa II,
se reclutan secuencialmente factores de transcripción generales. El primer
factor de transcripción general que se une al promotor es el TFIID, que entra
en contacto directo con la caja TATA a través de la proteína fijadora de TATA
(TBP). Una vez unido el TFIIB los otros factores de transcripción
generales (GTF, del inglés: general transcription factors) se unen
secuencialmente y por último se reclutan la ARN polimerasas II y los factores
asociados.
Este conjunto
conformado por ADN, factores de transcripción general y ARN polimerasa II se
denomina complejo de transcripción basal. Este actúa como objeto de
activación o represión transcripcional por la acción de proteínas
regulatorias específicas de tejido. Estos factores de transcripción
histoespecíficos se unen específicamente a otras secuencias de ADN
en las zonas de control de los genes intercalándose en el surco mayor y
comandan la interacción del complejo de transcripción basal con el ADN,
lo que provee una expresión génica regulada histoespecífica.
Además de su
dominio de unión al ADN, las proteínas reguladoras de la transcripción
pueden tener dominios para la interacción reversible, no covalente de una
proteína con otra, denominados dominios de dimerización. La interacción
de dos proteínas a través de estos dominios puede ser un requisito para su
unión al ADN. Por lo tanto, la unión de factores de regulación es a menudo de
tipo cooperativa Mientras muchos factores diméricos poseen dos proteínas de la
misma especie (homodímeros), otros están formados por dos proteínas de
diferente naturaleza (heterodímeros).
Es evidente
que este tipo de proteínas poseen además de dominios de dimerización, dominios
de fijación al ADN y dominios de activación transcripcional.
PROTEINAS DE UNION AL ADN: CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES
1- MOTIVO HELICE–GIRO-HELICE (HLH: Helix- loop-helix)
Constituye una
zona proteica o dominio compuesto por dos regiones de alfa hélice separadas por
una de longitud variable que forma un rulo o bucle entre ellas. Los dominios
alfa helicoidales son similares estructuralmente y necesarios para la
interacción con secuencias de la proteína que permiten una conformación
simétrica respecto de un eje. Esta clase de proteínas a menudo contiene una
región rica en aminoácidos básicos localizada en el extremo amino terminal que
le permite su unión a secuencias del ADN reconocidas específicamente. Los
dominios HLH son necesarios para la homo y heterodimerización. Ejemplos para
las proteínas de unión al ADN con motivos HLH son: Myo D, c-Myc y Max. Varias
proteínas que no contienen la zona rica en aminoácidos básicos no se unen al
ADN y actúan como represores de la transcripción por esta causa. Así, estas
proteínas HLH reprimen la actividad de otras HLH por formación de
heterodímeros y bloqueo de la unión al ADN.
Este
motivo consiste en espaciamientos específicos conformados por residuos de
cisteínas
e histidinas que permiten la unión de cationes Zn2+ a la
proteína, produciéndose un enlace coordinativo del metal en el centro de ellos.
Este fenómeno confiere al dominio aspecto de un dedo, por lo cual es llamado
comúnmente “dedo de zinc”. Estos dominios pueden encajar en los surcos mayores
del ADN. El acople de estos factores regulatorios abarca la mitad de una vuelta
de la doble hélice del ADN. Los ejemplos más típicos son el factor de
transcripción de la ARN polimerasa II (TFIIIA) y las proteínas de la
superfamilia de receptores de las hormonas permisivas (esteroideas, tiroideas,
etc.).
3- CIERRE DE LEUCINA (Leucine zipper
Es un motivo que se
origina por la distribución repetitiva de residuos de leucina espaciados
por 7 aminoácidos en una distribución alfa helicoidal de la proteína. Estos
residuos de Leu terminan en una zona con residuos R que protruyen con
respecto a la zona helicoidal. Los grupos R se interdigitan con grupos R
de otros dominios de este tipo, estabilizando así la homo o heterodimerización.
Los dominios de cierre de leucina están presentes en proteínas tales como: c-myc,
c-fos, c-jun y C/EBP.
La tasa de expresión de
un gen es la resultante de la interacción de varios de estos factores de
transcripción específicos que inducen o impiden la formación del aparato basal
de transcripción (compuesto por los factores de transcripción generales).
Los factores de
transcripción específica pueden de unión al ADN pueden activar o bloquear la
transcripción si se fijan a secuencias reguladoras consenso cercanas a la
región del promotor. Si estas proteínas se fijan a enhancers distantes de la
región del promotor pueden aumentar o disminuir la tasa transcripcional de un
gen que se está transcribiendo.
La actividad de estos
factores de transcripción puede regularse a su vez a través de modificaciones
covalentes mediadas por cascadas de quinasas/fosfatasas y en algunos casos por
inducción/represión, dependiendo en todos los casos de señales externas. Esto
es muy importante para coordinar las funciones biológicas de la célula y su
interacción con el medio.
SITIOS ALTERNOS DE INICIO DE LA TRANSCRIPCION: Un gen puede codificar para varias proteínas al poseer
dos exones 5’ diferentes ej: el gen de la amilasa y la cadena
ligera de miosina del ratón, la glucoquinasa y la alcohol deshidrogenasa en la
rata y la actina en la mosca de la fruta.
“PIEDRAS DEL CAMINO”: Una vez iniciada la transcripción, la velocidad del
movimiento de la RNA polimerasa puede reducirse e incluso detenerse por
periodos breves. Se asume que esto tiene que ver con el encuentro de la
polimerasa con determinadas secuencias del ADN llamadas “piedras del camino”
por su cualidad de detener la polimerasa. Se sabe que determinados factores de
transcripción favorecen el paso de la enzima por estos sitios y otros provocan
la liberación del aparato de transcripción de la plantilla, determinando la
finalización abrupta de la transcripción al interaccionar con estos sitios.
3)- CONTROL POST-TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
Aunque el inicio de la
transcripción es el sitio primario de la regulación de la expresión de genes,
la síntesis del transcripto primario no es el único momento en que las células
controlan la producción adecuada de proteínas.
SITIOS DE POLIADENILACION ALTERNATIVA:
Puede ocurrir algo
similar a la ocurrencia de sitios alternativos de inicio de la transcripción
pero en el extremo 3’. En este caso hallándose sobre un mismo gen varios sitios
susceptibles de ser poliadenilados como es el caso del gen para la cadena
pesada m de inmunoglobulina. Dependiendo del sitio 3’ poliadenilado, la
proteína resultante puede anclarse a membrana o ser secretada, de acuerdo al
estadío de desarrollo en que se encuentra la célula.
SPLICING ALTERNATIVO:
Es un mecanismo muy
difundido, que permite que un solo gen pueda codificar para más de una
proteína. En muchos de estos casos se conoce más de una vía para procesar el
transcripto primario obteniendo proteínas estructural y funcionalmente
diferentes o bien isoformas de una proteína. Los cortes sobre el RNAhn
deben producirse con absoluta precisión. Puede ocurrir que uno más exones sean
removidos (dando una proteína más corta), o que uno o más intrones no sean removidos
(dando una proteína más larga). Se conoce una familia de 6 proteínas llamadas
ASF (factores de splicing alternativo) responsables de reconocer y seleccionar
los lugares para los cortes alternativos, poseen la característica de contener
dominios ricos en serina y arginina por lo que se las llama también proteínas
SR. El mecanismo por el cual la célula selecciona los sitios no está claro.
Los siguientes son algunos ejemplos de genes cuya expresión puede regularse por
splicing alternativo:
- La a tropomiosina: esta se codifica a partir de un mismo gen pero con una secuencia primaria diferente a partir de ARNm diferentes específicos en 7 tejidos.
- El gen de la tirosinhidroxilasa humana: Esta enzima expresa 4 isoformas diferentes, es decir similar actividad biológica con diferentes propiedades, en este caso se expresan todas en médula suprarrenal y cerebro. El gen contiene 14 exones, al cortar y empalmar de diferente manera, la isoforma 2 tiene 12 nucleótidos más que la isoforma 1, la isoforma 3 tiene 81 más y la isoforma 4 tiene 93 nucleótidos más que la isoforma 1.
- Los RNAm de las cadenas livianas de inmunoglobulinas sufren corte y empalme alternativo, esto contribuye, como veremos en inmunología, a ampliar el repertorio de anticuerpos, es decir a reconocer más antígenos (elementos no propios) a los que pueda ser expuesto el organismo. Así como permite mejorar la respuesta inmune a un antígeno en particular.
- Un mismo gen como el que codifica para la hormona calcitonina –interviniente en la regulación de los niveles de Calcio plasmático- al ser expresado en las células parafoliculares de la tiroides cuando se expresa en las neuronas hipotalámicas produce una proteína llamada CGRP (Producto relacionado al gen de calcitonina) que actúa como neurotransmisor.
- La fibronectina que cuando es sintetizada por el fibroblasto y liberada a la matriz extracelular expresa dos intrones que no son expresados cuando la proteína es sintetizada en los hepatocitos y secretada al plasma.
- Algunos genes codificantes para factores de transcripción en células en etapas del desarrollo pueden ser ensamblados alternativamente, la producción de una u otra variante determinará la vía de diferenciación adoptada por la célula.
En la mayor parte de los
casos, la diferencia entre los productos de splicing alternativo sobre un mismo
ARN difieren en regiones claves que pueden afectar a la proteína en propiedades
como: la compartimentalización, el tipo de ligandos al que se unirá, la
afinidad con que lo hará y si es una enzima su actividad catalítica.
EDICIÓN DEL ARN (Mutagénesis dirigida del ARN):
Si bien el
splicing alternativo es la forma mejor estudiada y más habitual de regulación
de la expresión genética a nivel de procesamiento del ARN, no es la
única. La mutación puntual de una base en el ARNnh o en el ARNm, puede alterar
el producto. Esto no constituye un error sino que es una herramienta utilizada
por la célula para lograr una determinada proteína. En el ser humano este
es el caso de las apoproteínas B100 y B48. Ambas son codificadas por el mismo
gen y contienen en el ARNnh los mismos exones e intrones. Cuando el gen se
expresa en el hepatocito, el ARNnh no sufre ningún tipo de modificación y el
RNAm procesado se traduce en ApoB100. En cambio, cuando el gen se expresa en el
enterocito se produce una mutación puntual que convierte C por U en el ARNm
configurando un codón de terminación que codifica para la ApoB48.
TRANSPORTE DEL ARN AL CITOPLASMA:
Los primeros
estudios sobre el ARNnh probaron que una fracción de éste es desdoblada en el
núcleo por completo antes de generar ARNm. Si bien aún los mecanismos no se
conocen con certeza, los estudios actuales sugieren que la célula puede
controlar que un ARNnh sea o no procesado. Este es el caso de la porción
proteica de una ribonucleoproteína, la U1A. Cuando ésta se expresa en
cantidades altas se puede ligar a su propio ARNnh e inhibir su poliadenilación
de modo que el mensajero resultante tiene baja estabilidad y disminuye así tu
tasa de expresión.
ESTABILIDAD
DEL ARNm:
A diferencia
de los ARNm procariotas, cuyas vidas medias rondan los 1-5 minutos, los
ARNm eucariontes varían ampliamente en su estabilidad. Por ejemplo:
el ARNm de c-fos tiene una vida media de entre 10 y 30’ en cambio el de las
cadenas de globina es de más de 24 hs.
La longitud de
la cola de poli A está directamente relacionada a la estabilidad citosólica del
ARNm y esto se asocia a la protección que ejerce esta secuencia al competir con
el resto de la cadena por la unión a nucleasas citosólicas. La cola de poli A
se halla ligada a una proteína llamada “Proteína de Enlace de Poli A” (PEPA)
que protege a la secuencia de la acción de nucleasas generales y la sensibiliza
para nucleasas específicas de poli A. A medida que estas nucleasas actúan la
cola de poli A se acorta hasta que ya no puede ligar a PEPA y el ARNm se vuelve
susceptible a las nucleasas generales y es rápidamente degradado.
Ciertos
transcriptos inestables poseen secuencias predominante pero no exclusivamente,
en las regiones 3’ que constituyen señales de rápida degradación para las
nucleasas citoplasmáticas. Estas secuencias se llaman “secuencias
desestabilizadoras”, constan de unos 50 nucleótidos y son ricas en A y U. Un
grupo de nucleasas citoplásmicas que se conocen como ribosomas y poseen un ARN
pequeño en su sitio activo pueden aparear con estas secuencias del extremo 3’
de manera específica, acelerando la degradación del ARNm. Como ejemplo de estos
transcriptos hallamos a la mayoría de los ARNm para factores de crecimiento
(caracterizados por una vida media muy corta).
Ejemplos de
control de la estabilidad del ARNm en el citosol:
- En el organismo humano los únicos mensajeros no poliadenilados son los mensajeros de las histonas, que se sintetizan constantemente a lo largo de todo el ciclo celular pero no se transcribe debido a su gran inestabilidad (vida media de unos pocos minutos). Cuando se progresa en G1/S lo que se incrementa es la tasa de transcripción de los ARN de modo que al haber una gran cantidad disponible. se alcanza a traducir. Una vez que la célula ha ingresado a la fase S la vida media del ARNm de histonas se prolonga hasta 1 hora, posiblemente por la baja actividad de nucleasas en este momento del ciclo celular.
- La caseína, una proteína de la leche se produce por la glándula mamaria en respuesta a prolactina. Aunque no se conoce con certeza el mecanismo, bajo la acción de prolactina no se aumenta la tasa transcripcional sino que se prolonga la estabilidad del mensajero.
- La tubulina consta de dos subunidades (a y b) que heterodimerizan. Cuando este dímero de tubulina alcanza determinada cantidad en el citosol se une al extremo N terminal de los péptidos de tubulina nacientes activando una nucleasa específica para los mensajeros de tubulina, ejerciendo así un control de retroalimentación negativa sobre su propia expresión.
- La expresión de receptores de transferrina también se maneja por estabilidad del mensajero. En este caso particular, cuando las concentraciones citosólicas de hierro son bajas, el mensajero liga en su extremo 3’ a la enzima aconitasa llamada también IRF (Factor de respuesta al Hierro) Esto protege al ARNm de la acción de nucleasas. Cuando la concentración citosólica de hierro aumenta, este compite con el mensajero por la IRF se une al hierro y libera el extremo 3’ del mensajero del receptor de transferrina. Este extremo 3’ posee 5 bucles con secuencias desestabilizadoras que son rápidamente reconocidas por ribosomas. De este modo se reduce la traducción de la proteína y con ello el ingreso de más hierro –innecesario- a la célula.
Se descubrió
también que los mensajeros no se ubican al azar en el citosol En los
fibroblastos humanos el 75% de los ARNm poliadenilados se localizan en la
intersección entre filamentos de actina del armazón del citoesqueleto. Si bien
no se conoce claramente la significación de este hecho, en experimentos en la
mosca de la fruta se comprobó que esta disposición no azarosa tiene un papel
muy importante en el proceso de la fecundación.
4)- CONTROL TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
Casi una tercera parte del ARNm citoplásmico no está
unido a ribosomas aún cuando más del 90% de los ribosomas se encuentre en
actividad. Se ppuede regular la
velocidad con que los mensajeros son traducidos y el número de veces que debe
traducirse.
Existe un
control general, global o inespecífico de la traducción ejercido sobre los
factores del complejo de traducción. Por otro lado se conocen casos específicos
o control particular de la traducción de ciertos ARNm.
CONTROL GENERAL DE LA TRADUCCIÓN: Todos los ARNm celulares tienen Cap con la
guanosina metilada y esa estructura aumenta la traducción. Cuando por alguna
razón de disposición espacial del extremo 5’ del ARN el cap no queda disponible
para su interacción el factor de iniciación Ife4E la traducción disminuye.
Puede controlarse también la actividad de los factores de iniciación: IFe2B,
IFe3, IFe4B e IFe4F. La actividad de estos factores se controla por
fosforilación. Esta fosforilación a su vez responde a diversos estímulos que
pueden ser fisiológicos (factores activadores de cascadas de quinasa) o
no (desnutrición severa, hiperosmolaridad, infección viral o shock
térmico)
El IFe2B
parece ser entre ellos el más importante desde el punto de vista del control de
la traducción. En el caso particular del IFe2B es la subunidad a la susceptible
de ser fosforilada por una proteinquinasa independiente de AMPc que
responde a señales de estrés y se inactiva evitando la formación del complejo
40S.
El IFe4F puede
ser fosforilado por Insulina y Cascadas de quinasa activadas por mitógeno en
este caso la fosforilación activa al factor promoviendo un aumento en la
traducción. Existen 2 proteínas (4E-BP1 y 4E-BP2) que se ligan al IFe4F
inactivándola. La insulina y los factores de crecimiento pueden fosforilarlas
liberando al IFe4F y dejando disponibles los sitios de fosforilación para
potenciar la estimulación de la actividad del factor y con ello la síntesis de
proteínas.
CONTROL PARTICULAR DE LA TRADUCCIÓN: Depende de sustancias reguladoras que modifican la configuración de un
tramo de nucleótidos no traducibles localizados en el extremo 5’ entre el Cap y
el codón de iniciación.
Un ejemplo de
este tipo de regulación lo proporciona la traducción del mensajero de la
Ferritina que se une al hierro para su depósito intracelular. Cuando las
concentraciones citosólicas de hierro aumentan la síntesis de ferritina se
produce a altas velocidades, el hierro se liga a la aconitasa o IRF. En cambio,
cuando estas concentraciones disminuyen la IRF queda libre y se liga al ARNm de
la ferritina formando un bucle en el extremo 5’ que impide el ligado de IFe4F y
con ello el ensamblaje del aparato de traducción, bloqueando de esta manera la
producción innecesaria de proteína.
Otro ejemplo
podemos verlo en los reticulocitos en que la síntesis del hem está controlada
por el propio grupo hem. Cuando hay suficiente hem, este activa a la
proteinquinasa de IFe2B regulada por hem que inactiva al factor por
fosforilación.
En los últimos
años se han descubierto nuevos procesos en cuanto a control de la traducción
que operan en algunas células en particular. Ellos son
- CAMBIO DEL MARCO DE LA TRADUCCIÓN: es decir, el ribosoma cambia la pauta de lectura en algún punto de su movimiento a lo largo del ARNm desplazándose un nucleótido hacia atrás o hacia delante, pudiendo, un mismo mensajero dar origen a dos proteínas.
- SALTO DEL CODÓN DE TERMINACIÓN: el ribosoma pasa por alto el codón de terminación y continúa leyendo la secuencia de nucleótidos.
- PASO POR ALTO DE LA TRADUCCIÓN: el ribosoma “salta” una secuencia de nucleótidos en el mensajero de modo que queda un mensajero más largo que la proteína porque resta una porción interna del mensaje sin traducir, pudiendo nuevamente un mismo mensajero dar origen a dos proteínas
- EMPALME DE PROTEÍNAS: Al modo del splicing se conocen casos en que un segmento específico del polipéptido se secciona y los dos bordes se unen en forma covalente.
5)- CONTROL POST- TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
El péptido naciente del ribosoma puede sufrir diversas
modificaciones acorde con su función biológica posterior incluyendo, remoción
del extremo amino terminal, agregado se secuencias señal para exportación,
acilaciones, metilaciones, sulfataciones, glicosilaciones, prenilaciones,
modificaciones dependientes de vitamina C, carboxilaciones dependientes de
vitamina K –como en el caso de los factores de coagulación- o bien
clivajes post-traduccionales para tornarse activas (lo cual es un modo de
controla su actividad como en el caso de algunas enzimas y hormonas peptídicas).
Todas estas modificaciones pueden ser controladas por
señales internas (pH intracelular, actividad de chaperonas moleculares) o
externas (cascadas de quinasa que controlan fosforilaciones) Cualquier problema
en estas modificaciones post-traduccionales puede desencadenar alteraciones en
la fisiología de la célula. La actividad post-traduccional se controla a través
de la regulación de la actividad de las enzimas intervinientes en los procesos
citados.
Cualquiera sea la estructura y función de la proteína es
indispensable un correcto plegamiento post-traduccional de los péptidos ya que
la formación de estructuras 2º, suprasecundarias y 3º, así como las
oligomerizaciones serán las responsables de que la proteína sea funcional.
Proteólisis limitada: poliproteínas
Algunos
mensajeros codifican para poliproteínas. Éstas son productos transitorios que
se escinden en varias proteínas, cada una con estructura y función diferente.
Un ejemplo de poliproteína es el producto del gen POMC (Proopiomelanocortina)
que puede escindirse en modo diferencial según sea que esté en las células
adrenocorticotropas del lóbulo anterior de la hipófisis –generando ACTH y b
lipotrofina- o en las células de la pars intermedia donde genera bendorfina,
glipotrofina y hormona estimulante de Melanocitos en sus dos formas aMSH y
bMSH.
:Control sobre la estabilidad de las proteínas:
Las células
pueden controlar el tiempo de supervivencia de las proteínas una vez que han
sido sintetizadas y modificadas post-traduccionalmente. Aunque no se trata
directamente de la regulación de la expresión de genes, es una extensión
del tema.
Los mecanismos
que controlan la estabilidad proteica no están bien comprendidos, aunque se
sabe que en las proteínas que en el extremo amino terminal son ricos en metionina,
serina, alanina, treonina, valina y glicina son estables por más de 20hs en
cambio los que son ricos en fenilalanina, ácido aspártico, lisina y arginina
tienen una vida menor a 5’. Esto se llama “Regla del Extremo N”. Las
últimas secuencias mencionadas se llamas “Secuencias PEST” – por la
nomenclatura internacional de aminoácidos- y son altamente sensibles al
reconocimiento por ubiquitina y con ello su degradación en el
proteasoma.
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