domingo, 16 de diciembre de 2007

Transcripción.

Hoy escribiré sobre el segundo proceso (en orden, no en importancia) más relevante de la Biología Molecular: la Transcripción. Sin embargo, en la última entrada traté sobre la Replicación pero dejé fuera un punto importante más por no complicar el contenido que por descuido propio, así que lo resolveré antes de adentrarnos en el otro tema.

Los Telómeros.

Si recordáis un poco la última entrada y cuando hablaba de los cebadores o primers para la replicación comenté que éstos servían para iniciar, como un punto de apoyo, como si dijéramos, la Replicación al ofrecer un extremo 3'OH para unir nucleótidos. Lo que no comenté fue qué ocurre con los primers una vez han cumplido su función. Pues bien, las DNApol normalmente tienen una función exonucleasa por la que eliminan nucleótidos, ya sea porque hay un missmatch (un desapareamiento o apareamiento erróneo por el que no hay enlaces de hidrógeno compatibles) o por otros motivos, como en el caso de los cebadores, por ejemplo.

La cuestión radica en que al eliminar estos cebadores, en los extremos de la hebra retardada de dobles hebras de DNA lineales, como es el caso de los cromosomas de células eucariotas, se produciría un acortamiento que reduciría la longitud de los cromosomas y una consecuente degradación del material genético de las células. Los extremos de los cromosomas reciben el nombre de telómeros y tienen una composición en la que interviene el DNA nuclear junto con ciertas proteínas de andamiaje especiales y, como se descubrió recientemente, RNA. La solución para el acortamiento de los telómeros se descubrió que radica en una enzima, la telomerasa. Esta enzima presenta en su estructura un fragmento de RNA complementario con el DNA telomérico, una de cuyas características fundamentales es que presenta patrones de repetición bastante particulares y que hacen que exista una buena complementariedad entre enzima y telómero. Una vez la enzima anilla en la posición apropiada, su RNA sirve de primer para elongar la hebra retardada, compensando el acortamiento de otra forma inevitable.

Dado que algunos estudios han relacionado el acortamiento de los telómeros con el envejecimiento celular y también se ha relacionado la telomerasa con la inmortalidad de las células tumorales cancerosas, se ha postulado que una activación controlada de la telomerasa podría, en efecto, permitir combatir envejecimiento y deterioro de de la salud. No obstante, es todo tremendamente hipotético por toda una serie de complicaciones inherentes a la expresión de este gen así como de los efectos aparejados al mismo (la cuestión misma de la relación con cáncer no es nada casual).


Transcripción.

El proceso de la Transcripción es uno de los fenómenos más importantes en la biología. Este proceso consiste, esencialmente, en la producción de RNA transcrito a partir del DNA como molde de referencia. Al igual que en el caso de la Replicación, existen diferentes RNA-polimerasas (RNApol) pero en éste cada enzima tiene una función normalmente relacionada, de forma expresa, con un tipo de RNA diferente dentro de una serie de grupos. El RNA producido directamente a través de la Transcripción es siempre denominado como Transcrito Primario, ya que normalmente sufren modificaciones posteriores que serán objeto de otra entrada.

El proceso ocurre en tres fases canónicas: Iniciación, Elongación y Terminación. El paso de Iniciación consiste en la unión de todos los Factores de Transcripción (TF) oportunos al DNA; éstos son, en general, proteínas que se producen de forma constitutiva (continuada) o regulada por factores internos o externos. El posicionamiento de estos Factores de Transcripción sobre la hebra se da de acuerdo con secuencias prefijadas en los procariotas y eucariotas (en los procariotas es canónica la secuencia de Shine-Delgarno, por ejemplo, y en eucariotas la caja TATA) que aparecen en diferentes combinaciones, denominadas motivos y cajas y que constituyen lo que se denomina Promotor. La unión de los TFs apropiados permite, posteriormente, la unión de la RNApol que corresponda al gen, la unión de un primer de RNA y que se produzca la elongación.

Figura 1. Unión de los diferentes TFs (Factores de Transcripción) típicos de RNApol II en Eucariotas. Pinchad para aumentar la imagen.

Figura 2. Promotor típico de RNApol II. Los números indican distancia al punto de inicio del gen y de la transcripción. Los elementos con más de una letra en una misma posición indican que el elemento puede tener más de una secuencia válida.

La Elongación es, simplemente, la prolongación de la hebra de RNA a partir del primer en correspondencia complementaria con el DNA. Esto hace que la hebra que se transcribe, siempre, sea la hebra anti-sentido del DNA de cada gen, ya que el transcrito primario será siempre igual que el gen en la hebra con sentido.

Figura 3. Esquema general del proceso de Transcripción. Pinchad para aumentar la imagen.

La Terminación, el último paso del proceso, es la conclusión de la Transcripción, que se produce por el reconocimiento de ciertas secuencias y motivos en el extremo terminal de los genes y que producen el desacoplamiento de la RNApol.

Los detalles más relevantes del proceso estriban en que la Transcripción ocurre en ambas hebras y en sentidos completamente opuestos. De hecho, en procariotas y en mitocondrias y cloroplastos (orgánulos de las células eucariotas) la Transcripción puede ocurrir en un mismo gen en las dos hebras, lo que representa un enorme ahorro de espacio. Además, al producirse RNA a partir de DNA los nucleótidos de Adenina son complementados con nucleótidos de Uracilo, por lo que en la secuencia, aunque sea complementaria de la hebra con sentido, tiene U donde antes había T.

Por otro lado, hay un par de detalles bastante importantes que diferencian la Transcripción en Eucariotas y en Procariotas. En Procariotas, por ejemplo, el RNA transcrito para mRNA puede ser policistrónico, es decir, codificar varios genes a la vez en una misma hebra que luego son traducidos como proteínas separadas. En los Eucariotas esto nunca ocurre, cada proteína se transcribe y se traduce como una proteína separada. Sin embargo, muchos genes eucariotas tienen diferentes señales de iniciación y/o finalización de Transcripción, por lo que un mismo gen puede codificar diferentes proteínas al variar la longitud del transcrito correspondiente, lo que ocurre, normalmente, en función de los TFs que se acoplen al DNA en uno u otro extremo. Esto último ocurre por la interacción de diferentes factores y suele ser un fenómeno propio de genes con una regulación muy fuerte, propia del desarrollo de tejidos y órganos, o asociada a condiciones especiales que requieran adaptación de la célula.

Como conclusión, me gustaría señalar que este fenómeno es un reflejo de la enorme complejidad conceptual de la biología. El hecho de que las propias instrucciones de montaje de las piezas-máquinas que permiten la misma vida (las enzimas y proteínas) tengan una forma de regulación y control de su expresión con tantos niveles y que acumula una cantidad de información tan enorme es algo realmente asombroso dado que queda lejísimos de los más eficientes de los diseños informáticos. Sin embargo, tampoco hay que asombrarse, ya que en eso la vida nos lleva millones de años de ventaja y afinamiento y su proceso de control de calidad ha sido mucho más restrictivo que el de cualquier compañía de software.

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Imágenes tomadas del Molecular Biology of the Gene (Fifth Edition) de Watson et al. Editado por Cold Harbor Laboratory Press a través de Benjamin Cummings (Grupo Pearson).

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Enlaces de Interés:

Telómeros.
Transcripción.
Factores de Transcripción.

domingo, 2 de diciembre de 2007

Replicación y Niveles de Organización Superiores del DNA.

Bienvenidos de nuevo. Lamento que la actualización de esta semana haya caído tarde pero intentaré compensar este puente y adelantar entradas. Esta semana ha sido un poco agobiante en el trabajo. De hecho creo que voy a recurrir más habitualmente a escanear imágenes de algunos de mis libros para poder ganar tiempo.

En esta entrada vamos a tratar sobre dos cuestiones bastante relevantes, aunque no serán de mucha extensión. El primero, sobre el que comenté alguna cosa en la última columna, es el de la Replicación, es decir, cómo el DNA se perpetúa molecularmente y es copiado para producir el doble de material y, así, las células puedan dividirse y cada célula surgida de la original pueda tener el mismo material genético (tanto en contenido como en cantidad) que la progenitora.

Replicación.

Ya comenté al escribir sobre los nucleótidos que la forma trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) de los desoxinucleótidos son la forma que se emplea para la polimerización del DNA y, por lo tanto, en el caso de la Replicación, ocupan un papel fundamental. Esos fosfatos de las moléculas acumulan energía química que permitirá los enlaces y la consecuente construcción de la molécula en toda su extensión pero el proceso de Replicación, y la polimerización en general, requiere algo más que los desoxinucleótidos-trifosfato (dNTPs) y el ADN original como molde, también exige un cebador o primer para el inicio del proceso. Este cebador es un fragmento pequeño de DNA, aproximadamente de 20 bases de longitud, cuya secuencia no es específica y que se complementa con las hebras de DNA. Este cebador permite la unión de los dNTPs por la enzima DNA-polimerasa (DNA-pol; que posee isoformas también para otros procesos, como la reparación del DNA cuando hay daños o para el DNA mitocondrial y para otros procesos), extendiendo una hebra de forma que al final del proceso se obtiene el doble de material que al principio.

Figura 1. Rendimiento de la Replicación: como se puede ver, el material heredado por las células originadas en la división es mitad nuevo, mitad antíguo.

No obstante, hay sutilezas en el proceso con consecuencias importantes: para empezar, la DNA-pol lee en sentido 3'-5', mientras que sintetiza en sentido 5'-3', esto es así en las dos hebras del DNA, lo que hace que una de las dos hebras sea sintetizada a trozos (hebra retardada) mientras que la otra lo es del tirón (hebra contínua). Esto ocurre así porque la DNA-pol forma un macrocomplejo compuesto por dos unidades de la DNA-pol, una topoisomerasa/helicasa (una enzima que separa las dos hebras de DNA rompiendo los enlaces de hidrógeno), un pequeño complejo (complejo Gamma) que coloca proteínas en la hebra retardada de DNA para estabilizarla y evitar que renaturalice con la contínua; y una proteínas que mantienen el resto unidas entre sí. Este macrocomplejo crea lo que se denomina una horquilla de Replicación.

Figura 2. Gráfico con el modelo de la horquilla de Replicación del DNA. Se pueden apreciar en amarillo las proteínas SSB (colocados por el complejo gamma en azul) estabilizando la hebra retardada y en naranja y verde discontínuo los fragmentos de Okazaki.

Los fragmentos de DNA que complementan la hebra retardada se denominan fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos tienen una longitud limitada pero regular debido a que son producto de la geometría del complejo de la horquilla de Replicación. Aunque en principio la producción de los fragmentos de Okazaki podría sugerir que la hebra retardada queda como discontínua, la DNA-pol posteriormente los enlaza entre sí con un pequeño gasto de energía formando así una hebra coherente.

Lo interesante del proceso de Replicación es que bastantes de los elementos que podemos observar en este proceso aparecen posteriormente en otros procesos relacionados con el DNA, como puede ser en la reparación del DNA, en la Transcripción y en la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), sobre las que escribiré más adelante.

Cromatina.

Los niveles de organización superiores del DNA a los que me refiero en el título son las formas del DNA que aparecen en las células eucariotas (con auténtico nucleo y endomembranas) a partir de la estructura de la doble hebra que ya describí anteriormente. Su importancia va más allá de una simple cuestión de organización para ahorrar espacio, como explicaré más abajo. La primera estructura que forma el DNA después de la doble hebra es la que se denomina estructura nucleosomal. Los nucleosomas son unidades regulares formadas por el DNA y unas proteínas, muy conservadas filogeneticamente (o sea, a lo largo de la evolución), denominadas histonas. Las histonas (H2A, H2B, H3, H4) forman un octámero alrededor del que se arrolla el DNA de una forma bastante regular (en número de bases) y que se cierra por la quinta histona (H1). La Hebra de DNA e histonas es lo que se denomina estructura de collar de perlas. Esta estructura puede compactarse, que es lo que ocurre en el nivel de fibra de 30nm (nanometros). A su vez, esta fibra es la forma de unión a las proteínas de andamiaje (scaffolding) que dan la base estructural física de los cromosomas.


El conjunto de DNA y proteínas que conforman los cromosomas son lo que se denomina cromatina y el estado de compactación tiene una gran importancia funcional por una cuestión puramente física. Cuanto más compactado se halla el DNA, menos accesible es este para las enzimas que se ocupan de la Replicación y de la Transcripción, ya que no disponen de espacio para unirse al DNA y poder realizar su función. Aunque en los primeros tiempos del estudio de la compactación de la cromatina se creía que era un fenómeno sólamente asociado al gran cambio de compactación que ocurre al entrar la célula en mitosis (los cromosomas se compactan extraordinariamente para el proceso de división celular ya que deben repartirse por igual entre una célula y otra), la realidad es más compleja y los cromosomas alteran su estado de compactación de forma selectiva con fines funcionales de expresión genética, por lo que esta forma física de impedir el acceso de las enzimas de la Transcripción al DNA es un nivel más de regulación de la expresión de los genes.

Es en este nivel de regulación en el que las histonas muestran por qué tienen tal importancia: las histonas presentan unas colas que sobresalen de la estructura del octámero nucleosomal y que pueden ser objetivo de modificaciones de diferente tipo: acetilación, metilación SUMOilación. Estas modificaciones alteran la hidrofobia o hidrofilia de las colas, que se doblan sobre el nucleosoma y por tanto lo cierran o lo abren, participando en la regulación de la expresión genética a un nivel fundamental. Esta es una de las cuestiones que justifican la importancia de la conservación de las histonas y que unen el concepto estructural y el concepto funcional.


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Nucleosomas.
Histonas.
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