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Objetivos:
Describir el proceso de transcripción. Identificar las diferencias entre la transcripción eucariota y procariota. Describir los promotores procariotas y eucariotas, así como su importancia para el proceso de transcripción.
Nota: En la transcripción, la secuencia de ADN de un gen se transcribe (copia) para hacer una molécula de ARN.
Puntos más importantes:
La transcripción es el primer paso de la expresión génica. Esta etapa consiste en
copiar la secuencia de ADN de un gen para producir una molécula de ARN.
Enzimas llamadas ARN polimerasas realizan la transcripción, estas unen
nucleótidos para formar una cadena de ARN (usando una cadena de ADN como
molde).
La transcripción tiene tres etapas: iniciación, elongación y terminación.
En eucariotas, las moléculas de ARN deben ser procesadas después de la
transcripción: se empalman y se les añade un cap 5' y una cola de poli-A en sus
extremos.
La transcripción de cada gen en tu genoma se controla por separado.
La transcripción es un proceso en el que se vuelve a escribir información. La
transcripción es algo que hacemos en nuestra vida cotidiana y también es algo que
nuestras células deben hacer, de una manera más especializada y más
estrechamente definida. En biología, la transcripción es el proceso en el que se copia
la secuencia de ADN de un gen en el similar alfabeto de ARN.
Resumen de la transcripción
La transcripción es el primer paso de la expresión génica, el proceso por el cual la
información de un gen se utiliza para generar un producto funcional, como una
Transcripción del
ADN
proteína. El objetivo de la transcripción es producir una copia de ARN de la secuencia
de ADN de un gen. En el caso de los genes codificantes, la copia de ARN, o transcrito,
contiene la información necesaria para generar un polipéptido (una proteína o la
subunidad de una proteína). Los transcritos eucariontes necesitan someterse a
algunos pasos de procesamiento antes de traducirse en proteínas.
En la transcripción, una región de ADN se abre. Una sola cadena, la cadena molde,
sirve como plantilla para la síntesis de un transcrito complementario de ARN. La otra
cadena, la cadena codificante, es idéntica al transcrito de ARN en secuencia, excepto
que el ARN tiene bases de uracilo (U) en lugar de bases de timina (T).
Ejemplo:
Cadena codificante: 5'-ATGATCTCGTAA-3' Cadena molde: 3'-TACTAGAGCATT-5'
Transcrito de ARN: 5'-AUGAUCUCGUAA-3'
En el caso de un gen codificante, el transcrito de ARN contiene la información
necesaria para sintetizar un polipéptido (proteína o proteína subunidad) con una
secuencia de aminoácidos particular. En este caso:
Transcrito de ARN (que actúa como ARN mensajero): 5'-AUGAUCUCGUAA-3' Polipéptido: Met-Ile-Ser-ALTO La ARN polimerasa
Principal enzima que participa en la transcripción es la ARN polimerasa, la cual utiliza
un molde de ADN de cadena sencilla para sintetizar una cadena complementaria de
ARN. Específicamente, la ARN polimerasa produce una cadena de ARN en dirección de
5' a 3', al agregar cada nuevo nucleótido al extremo 3' de la cadena.
La región promotora se encuentra antes de (y sobrelapa ligeramente con) la
región transcrita cuya transcripción señala. Esta región contiene sitios de
reconocimiento para que la ARN polimerasa o sus proteínas auxiliares se unan.
El ADN se abre en la región promotora de forma que la ARN polimerasa pueda
iniciar la transcripción.
Elongación: Una cadena de ADN, la cadena molde, actúa como plantilla para la
ARN polimerasa. Al "leer" este molde, una base a la vez, la polimerasa produce
una molécula de ARN a partir de nucleótidos complementarios y forma una
cadena que crece de 5' a 3'. El transcrito de ARN tiene la misma información
que la cadena de ADN contraria al molde (codificante) en el gen, pero contiene
la base uracilo (U) en lugar de timina (T).
Por ejemplo, una secuencia de ADN CGATGG se copiaría como GCUACC en el ARN.
Etapa de elongación en la transcripción del ADN.
La ARN polimerasa sintetiza un transcrito de ARN complementario a la cadena
molde de ADN en dirección 5' a 3'. La enzima avanza a lo largo de la cadena
molde en dirección 3' a 5' y al avanzar abre la doble hélice del ADN. El ARN
sintetizado solo se mantiene unido a la cadena molde por un corto tiempo y
luego sale de la polimerasa como una cadena colgante, para permitir que el
ADN se vuelva a cerrar y formar una doble hélice.
En este ejemplo, las secuencias de la cadena codificante, la cadena molde y el
transcrito de ARN son:
Cadena codificante: 5' - ATGATCTCGTAA-3'
Cadena molde: 3'-TACTAGAGCATT-5'
ARN: 5'-AUGAUC...-3' (los puntos indican que todavía se están agregando
nucleótidos en el extremo 3')
Terminación: Las secuencias llamadas terminadores indican que se ha
completado el transcrito de ARN. Una vez transcritas, estas secuencias
provocan que el transcrito sea liberado de la ARN polimerasa.
El ADN terminador codifica una región de ARN que forma una estructura de tallo-asa seguida de una cadena de nucleótidos U. La estructura tallo-asa del transcrito provoca que la ARN polimerasa se detenga. Los nucleótidos U que están después del tallo-asa forman enlaces débiles con los nucleótidos de A en el molde de ADN, lo que permite que el transcrito se separe del molde y la transcripción termine.
Modificaciones al ARN eucarionte
En bacterias, los transcritos de ARN pueden actuar como ARN mensajeros (ARNm)
inmediatamente. En eucariontes, el transcrito de un gen codificante se llama pre-
ARNm y debe experimentar un procesamiento adicional antes de que pueda dirigir la
traducción.
forma que solo se transcriben los genes cuyos productos son necesarios en un
momento determinado.
Por ejemplo, el siguiente diagrama muestra una "fotografía" de los ARN de una célula
imaginaria en un momento dado. En esta célula, los genes 1, 2 y 3, se transcriben,
pero no el gen 4. Además, los genes 1, 2 y 3 se transcriben en diferentes cantidades,
lo que significa que se produce un número diferente de moléculas de ARN de cada
uno.
Transcripción y ARN La transcripción consiste en la formación de una molécula de ARN a partir de la información genética contenida en un segmento de ADN, es decir da lugar a una copia de ARN con secuencia complementaria y antiparalela, a partir de una secuencia molde en una de las hebras del ADN. Mientras que en la replicación se copia el cromosoma entero, la transcripción es más selectiva. En un momento dado solo son transcritos ciertos genes o grupos de genes. La célula restringe la expresión de la información genética a la formación de los productos génicos necesarios en cada
Diferencias entre la
transcripción eucariota y
procariota
momento, en un proceso finamente regulado por secuencias reguladoras específicas que indican el principio y el fin de los segmentos que deben ser trascritos. Existen tres clases principales de ARN: El mensajero codifica la secuencia de aminoácidos de uno o más polipéptidos especificados por un gen. El ARN transferente
que lee la información codificada en el ARNm y transfiere el aminoácido adecuado a la cadena polipeptídica en crecimiento durante la síntesis proteica y el ARN ribosómico que forma parte de los ribosomas, las complejas maquinarias celulares donde se sintetizan las proteínas.
El proceso empieza cuando la ARN polimerasa se une a unas secuencias específicas llamadas promotores. La doble hélice del ADN se desenrolla formado el bucle de transcripción (unos 17 nucleótidos) para servir de molde para la síntesis del ARN, de tal manera que solamente una de las dos cadenas es la que transcribe la información al ARN. La cadena de ADN que sirve de molde se denomina” cadena molde”, mientras que la complementaria se llama “cadena codificante”, idéntica en secuencia de bases
al ARN transcrito excepto que la timina es sustituida por uracilo. Los ribonucleótidos trifosfato existentes en el fluido celular (ATP, GTP, CTP y UTP) se desplazan hacia la parte desenrollada de la doble hélice del ADN y se sitúan complementando la cadena (T=A; A=U; C=G). Cuando estos nucleótidos se encuentran adecuadamente situados se unen entre sí por acción de la enzima ARN polimerasa (en el sentido 5→ 3). Finalmente, el ARN se separa y el ADN recupera la estructura de doble hélice. El ARNm así formado sufre pocas modificaciones en el caso de los procariotas, pero sufre importantes modificaciones postranscripcionales en el caso de los eucariotas, eliminándose los intrones (secuencias del genoma que no codifican nada), formando
así el ARNm maduro que se traducirá en proteínas. El ADN se utiliza también como molde para la síntesis de los otros dos tipos de ARN, el transferente y el ribosómico.
Principales diferencias entre el proceso de transcripción en procariotas y eucariotas: En procariotas no hay separación física entre transcripción y traducción, mientras que en los eucariotas la transcripción tiene lugar en el núcleo, donde está el ADN, y la traducción en el citoplasma donde están los ribosomas. En procariotas los ARNm son policistrónicos (llevan varios genes) y en eucariotas por lo general son monocistrónicos. En procariotas hay un solo tipo de ARN polimerasa, mientras que en eucariotas hay al menos 3 tipos de ARN polimerasas distintas (una para cada tipo de ARN). En Procariotas los ARNm sufren pocas modificaciones postranscripcionales, mientras que en eucariotas sufren muchas, entre ellas la eliminación de intrones.
Transcripción (Resumen) Tanto las proteínas como el ARN son biomoléculas vitales para el funcionamiento de una célula. Aunque ambas biomoléculas son productos de la expresión génica, el ARN solo necesita la primera etapa del proceso. Durante la transcripción (primera etapa del proceso), el ARN se sintetiza, a partir de ADN. Durante la traducción, las proteínas se sintetizan, a partir del ARN.
¿Qué significa gen? El ADN está organizado en moléculas separadas, llamados cromosomas. Un gen es una sección corta de una secuencia de bases en un cromosoma. Los genes tienen los códigos necesarios para fabricar un polipéptido. Algunos genes codifican para moléculas de ARN que son necesarias para la síntesis de proteínas —incluyendo el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr)—. Un polipéptido (proteína) está formado por una larga cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
Distintos genes se agrupan en cada uno de los cromosomas. Sin embargo, el gen c onstituye la unidad de información y herencia de un rasgo, ya que son los que se transfieren de padres a hijos. Concepto de transcripción En biología, la transcripción es la primera etapa del proceso de expresión génica. La transcripción se refiere al proceso biológico en el que se produce una copia de la secuencia de ADN de un gen y se escribe o transcribe en una secuencia de ARN.
Promotores procariotas y
eucariotas, así como su
importancia para el proceso de
transcripción
Durante la transcripción, se utiliza una de las dos cadenas de ADN como plantilla (llamada cadena molde ). La copia resultante, denominada ARN mensajero (ARNm ), es de una sola hebra. El ARNm contiene, entonces, la misma información codificada en la secuencia del gen y se utiliza como plantilla intermediaria para el siguiente paso de la síntesis de proteínas: la traducción. En otras palabras, el ARNm lleva el código que la célula leerá para producir nuevas moléculas de proteínas. ¿Dónde se lleva a cabo la transcripción? La transcripción del ADN se lleva a cabo en distintos lugares, dependiendo de si es una célula procariota o una eucariota: En células eucariotas ocurre dentro del núcleo, ya que ahí se encuentra el ADN. Luego de formado el ARNm, este sale del núcleo hacia el citoplasma, para seguir el proceso de traducción. En células procariotas, como su ADN no está encerrado en un núcleo, sino concentrado en una región del citoplasma llamada nucleoide, la transcripción (y todo el proceso de expresión génica, incluyendo la traducción) se lleva a cabo en el citoplasma.
Enzimas de la transcripción Las enzimas involucradas en la transcripción del ADN se denominan ARN polimerasas. Debido a que el proceso es diferente para eucariotas y procariotas, también hay diferencias en estas enzimas. Mientras que en procariotas existe solo un tipo de ARN polimerasa, en eucariotas se emplean tres ARN polimerasas que catalizan la síntesis de distintos tipos de ARN:
La ARN polimerasa I se encarga de la síntesis, específicamente, de ARN ribosómico o ARNr (forma parte de los ribosomas). La ARN polimerasa II se encarga de la síntesis del ARNm, la molécula copiada del ADN que contiene y transporta la información para sintetizar proteínas. La ARN polimerasa III se encarga de la síntesis del ARN de transferencia (ARNt, que apoya al ribosoma en la síntesis de proteínas) y un tipo de ARNr.
Transcripción: de ADN al ARN El proceso de transcripción se desarrolla en cuatro etapas : iniciación, elongación, terminación y maduración. Algunos textos describen el proceso de transcripción en tres etapas, en lugar de cuatro. Esto es porque no toman en cuenta la maduración como una etapa general del proceso, sino como exclusiva de los eucariotas. Iniciación En la iniciación, la enzima ARN polimerasa se une a una secuencia específica en la cadena de ADN, conocida como promotor o región promotora (secuencias cortas de ADN), que indica el comienzo de un gen. Al unirse la ARN polimerasa al promotor, desenrolla el ADN en esta región para permitir la transcripción. La parte de la doble cadena de ADN que se desenrolla forma, entonces, una burbuja u horquilla de transcripción. El promotor no se incluye en la transcripción del ADN: la ARN polimerasa inicia su trabajo después de este. Elongación La ARN polimerasa lee las bases, recorriendo la cadena de ADN en la dirección de 3′ → 5'. A medida que viaja por la cadena molde, añade las bases complementarias en la dirección de 5′ → 3 ′.
Recuerda que las bases nucleotídicas se emparejan de la siguiente manera:
Maduración Los genes eucariotas contienen, dentro de su secuencia, regiones que codifican proteínas (llamadas exones, que se expresan) y secuencias no codificantes (llamadas intrones). Los intrones no codifican proteínas funcionales; por ello, es importante que se eliminen del pre-ARNm antes de la síntesis de proteínas, ya que esto asegura que los exones se unan correctamente para la codificación de aminoácidos. La maduración o proceso postranscripcional se refiere a esta eliminación de los intrones por medio del empalme. Los genes procariotas no poseen intrones, por lo que su ARNm no pasa por la etapa de maduración. Algunos textos incluyen los procesos de añadir la caperuza y la poliadenilación como parte de la maduración. No está mal describirlo así, pero hay que recordar que estos ocurren durante la elongación (el primero) y en la terminación (el segundo).
El empalme del pre-ARNm El empalme del ARNm es el proceso de eliminar los intrones del pre-ARNm y luego unir los exones (empalmar) en una cadena continua (también se usa mucho el nombre en inglés splicing. Si hubiera un error en este proceso, los exones estarían mal alineados. Esto produciría una lectura incorrecta y la proteína no sería funcional. Se cree que este tipo de errores pueden provocar cáncer y otras enfermedades.
Este proceso es realizado por grandes complejos, llamados espliceosomas , que tienen un tamaño similar a un ribosoma. Un espliceosoma está formado por diferentes enzimas del tipo ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn) y otras proteínas. Los intrones en una molécula de ARNm se unen a sitios específicos del espliceosoma, por lo que un intrón termina formando un bucle y los extremos de los exones adyacentes se acercan. Posteriormente, se cortan los intrones y una ARN ligasa termina de unir los extremos de los exones para formar el ARN maduro, ya sin intrones.
Factores de transcripción La transcripción debe ser estrictamente regulada para el funcionamiento correcto de una célula específica. En las células eucariotas encontramos proteínas accesorias, llamadas factores de transcripción, que funcionan como reguladores. Los factores de transcripción son moléculas que regulan la actividad de un gen, indicando cuándo es necesaria la transcripción. Para esto, se unen al promotor en la cadena de ADN, con el fin de que la ARN polimerasa lo reconozca. Hay muchos tipos de factores de transcripción, pero suelen trabajar juntos en complejos de proteínas para llevar a cabo sus funciones.
Las células eucariotas poseen varios mecanismos de regulación que pueden darse antes, durante o después de la transcripción. Las células procariotas tienen una regulación más simple, y no poseen factores de transcripción, pero sí poseen otros mecanismos.
Por ejemplo, los operones: complejos funcionales de genes con la capacidad de autorregular su expresión. Descubre más leyendo la Regulación de la expresión génica_._
Transcripción: Puntos clave
La transcripción corresponde al primer paso en la expresión génica. Durante este proceso, se genera una copia de la secuencia de ADN de un gen y se escribe en una secuencia de ARN. El proceso de transcripción en eucariotas tiene lugar en cuatro pasos: iniciación, elongación, terminación y maduración. La transcripción se produce en el citoplasma de las células procariotas y en el núcleo de las células eucariotas. El pre-ARNm eucariota se somete a tres pasos adicionales para transformarse en ARNm funcional: adición de la caperuza al extremo inicial 5’ (durante la elongación), poliadenilación al extremo final 3’ (al final de la terminación) y empalme (durante la maduración). La transcripción es catalizada por las enzimas ARN polimerasas (un tipo en procariotas y 3 tipos en eucariotas).
Nota: Los factores de transcripción son generales y específicos. Poseen un complejo de iniciación de la transcripción y formación de asa. Tienen regulación combinatoria.
Puntos más importantes:
Los factores de transcripción son proteínas que ayudan a "encender" o
"apagar" ciertos genes al unirse con ADN cercano.
Los factores de transcripción que son activadores promueven la transcripción
de un gen. Los represores disminuyen la transcripción.
Conjuntos de sitios de unión de factores de transcripción
llamados potenciadores y silenciadores pueden encender/apagar genes en
partes específicas del cuerpo.
Promotores procariotas y
eucariotas, así como su
importancia para el proceso de
transcripción
Factores de la transcripción
¿Qué tiene que suceder con un gen para que sea transcrito? La enzima ARN
polimerasa , que fabrica ARN nuevo a partir de un molde de ADN, debe unirse al ADN
de un gen. Se pega en un lugar conocido como promotor.
En las bacterias, la ARN polimerasa se une directamente al promotor. Puedes ver
cómo funciona este proceso y cómo se puede regular por medio de factores de
transcripción en los videos sobre el operón lac y el operón trp.
En los seres humanos y demás eucariontes, hay un paso adicional. La ARN polimerasa
se puede unir al promotor solo con la ayuda de proteínas llamadas factores de
transcripción basales ( generales ). Son parte de las herramientas centrales de
transcripción de la célula y se necesitan para transcribir cualquier gen.
La ARN polimerasa se une a un promotor con la ayuda de un conjunto de proteínas
llamado factores generales de la transcripción.
Sin embargo, muchos factores de transcripción, hay una clase grande de factores de
transcripción que controla la expresión de genes específicos en particular. Por
ejemplo, un factor de transcripción podría activar solo un conjunto de genes que se
necesitan en ciertas neuronas.
¿Cómo funcionan los factores de transcripción?
Un factor de transcripción típico se une al ADN en cierta secuencia objetivo. Una vez
unido, el factor de transcripción hace que sea más fácil, o bien más difícil, que la ARN
polimerasa se una al promotor del gen.
Activadores
Algunos factores de transcripción activan la transcripción. Por ejemplo, pueden
ayudar a que los factores generales de transcripción y/o la ARN polimerasa se unan al
promotor, como se muestra en el diagrama siguiente.
Diagrama de un activador unido a una secuencia específica de ADN que es su sitio de
unión. El otro extremo del activador transcripcional (el que no está unido al ADN)
interactúa con los factores generales de transcripción, y ayuda a que estos factores y
la polimerasa se ensamblen en el promotor cercano.
Represores
Otros factores de transcripción reprimen la transcripción. Esta represión puede
funcionar de varias formas. Por ejemplo, un represor puede estorbar a los factores
basales de transcripción o a la ARN polimerasa, de manera que no puedan unirse al
promotor e iniciar la transcripción.
La flexibilidad del ADN es lo que permite que los factores de transcripción que están
en sitios de unión lejanos hagan su trabajo. El ADN serpentea como un espagueti
cocido para reunir los sitios de unión y los factores de transcripción lejanos con los
factores generales de transcripción o las proteínas "mediadoras".
En el dibujo anterior, un factor de transcripción activador unido a un sitio lejano ayuda
a que la ARN polimerasa se una al promotor e inicie la transcripción.
[¿De dónde vienen los factores de transcripción?]
¿En qué se diferencia de E. coli?
Hasta ahora, los factores de transcripción eucariontes no parecen tan diferentes de
los factores de transcripción que hemos visto en las bacterias. Se unen al ADN y
hacen que sea más fácil o más difícil que la ARN polimerasa haga su trabajo, justo
como la proteína represora lac de E. coli.
En general, esto es un punto importante. Las proteínas que controlan la transcripción
suelen funcionar de formas similares, ya sea dentro de tus propias células o en las
bacterias que habitan en tu nariz. Las diferencias principales son mecánicas: qué tan
lejos están los sitios de regulación, si se requieren o no factores basales de
transcripción, etc.
Sin embargo, también hay algunas diferencias significativas en cuanto a cómo se
usan los factores de transcripción en los humanos. Los seres humanos y demás
eucariontes son complejos: estamos hechos de billones de células organizadas en
tejidos y estructuras corporales únicas. Cada célula de tu cuerpo debe correr su propio
"programa" de expresión génica.
Encendido de genes en partes del cuerpo específicas
Algunos genes deben expresarse en más de una parte de tu cuerpo o tipo de célula.
Por ejemplo, supongamos que un gene tuviera que encenderse en tu columna, cráneo
y puntas de los dedos, pero no en el resto de tu cuerpo. ¿Cómo pueden los factores de
transcripción hacer que se dé este patrón?
Un gen con este tipo de patrón podría tener varios potenciadores (conjuntos lejanos
de sitios de unión de los activadores) o silenciadores (que son lo mismo, pero para
los represores). Cada potenciador o silenciador puede activar o reprimir el gen en
cierto tipo de células o parte del cuerpo, al unirse a factores de transcripción que se
producen en esa parte del cuerpo.
Ejemplo: un modelo de ratón
Por ejemplo, consideremos un gen que se encuentra en los ratones llamado Tbx.
Este gen es importante para el desarrollo de muchas partes distintas del cuerpo del
ratón, entre ellas, los vasos sanguíneos y las patas traseras.
Durante el desarrollo, varios promotores bien definidos promueven la expresión
de Tbx4 en diferentes partes del embrión de ratón. El siguiente diagrama muestra
algunos de los promotores de Tbx4 , cada uno marcado con la parte del cuerpo donde
produce la expresión.
Evolución del desarrollo
Potenciadores como aquellos del gen Tbx4 se conocen como
potenciadores específicos de tejido , y controlan la expresión de un gen en cierta
parte del cuerpo. Las mutaciones en los potenciadores y silenciadores específicos de
tejidos podrían tener un papel clave en la evolución de la forma del cuerpo.
¿Cómo funciona eso? Supongamos que una mutación o cambio en el ADN sucediera
en la secuencia codificante del gen Tbx4. La mutación desactivaría el gen en todo el
cuerpo, y un ratón sin una copia normal moriría. Sin embargo, una mutación en un
potenciador podría quizás solo cambiar el patrón de expresión un poquito, lo que
llevaría a una característica nueva (por ejemplo, una pata más corta) sin matar al
ratón.
Los factores de transcripción y la "lógica" celular
