lunes, 28 de enero de 2008

Transporte y Vida Media del mRNA y Splicing Alternativo.

Dejé la última entrada habiendo explicado, en líneas generales, el tema del Splicing y la composición de los genes en Exones e Intrones. En ésta voy a adentrarme en un par de cuestiones relacionadas con ello y cuya importancia es bastante grande.


Transporte y Vida Media.

El primero de los dos fenómenos que describiré es el del transporte de mRNA. Hasta ahora, todos los fenómenos sobre los que he tratado a nivel de biología molecular ocurren a nivel nuclear, en el interior del núcleo de la célula. Esencialmente, la célula eucariota presenta dos compartimentos claves y diferenciales, el núcleo y el citoplasma o citosol. Ya señalé que en el núcleo queda contenido el material hereditario, el DNA, que, como es lógico por lo que ya describí sobre Replicación y Transcripción, se encuentra acompañado de enzimas, RNA, nucleótidos y otras biomoléculas. Fundamentalmente, el núcleo es el contenedor de la información genética y el centro director de la expresión de ésta. Es en el núcleo donde se siguen y tienen efecto las instrucciones apropiadas que codifican los elementos reguladores de los genes y donde se obtienen los paquetes de información apropiada, en forma de RNA, para que la célula produzca las micromáquinas enzimáticas que deben operar en cada momento (ya sean constitutivas o específicas).

Sin embargo, como ya indiqué, el DNA es el mensaje inicial y total de la información genética y el mRNA es una forma específica y transitoria que originará las proteínas pero éstas no son producidas en el núcleo. Aunque no me adentraré todavía en el proceso de Traducción, indicaré que esto se debe a que los ribosomas, las macro-micromáquinas (valga el contrasentido) que interpretan los mRNA destinados a la producción de proteínas se hallan en el exterior del núcleo, libres en el citoplasma o asociados a un orgánulo celular, el Retículo Endoplásmico, y es en esa región exterior donde llevan a cabo el ensamblaje de las proteínas. Ya que mRNA y proteínas se producen en lugares diferentes y unas surgen a partir del otro, queda la pregunta de cómo llega el mRNA hasta el exterior del núcleo. La respuesta radica en dos puntos: secuencias específicas en las regiones terminales 3'-OH de los mRNAs y proteínas asociadas a los mismos, normalmente en los EJCs que mencioné anteriormente.

Figura 1. Imagen de las proteínas de los EJCs por su relación con el Transporte.

Estas señales permiten el paso de los mRNAs a través de los poros de la membrana nuclear. Estos poros son altamente selectivos en cuanto a los productos que permiten transitar a su través pero en su estructura incorporan algunas proteínas capaces de interactuar, bien con las proteínas señalizadoras de transporte o bien con las secuencias apropiadas del mRNA. Aunque esto sea algo que parece simple, es realmente clave para el funcionamiento celular, ya que sin ello no podría llegar a haber proteínas.

La cuestión de la Vida Media del mRNA, que he mencionado en el título, es también una cuestión relevante, aunque no una de las principales, fundamentalmente porque la información sobre las bases de este fenómeno no son claras: en efecto, se ha descrito una asociación entre ciertas secuencias del extremo 3' del mRNA y la vida media pero no está del todo claro si la base radica en la secuencia en sí o en las estructuras secundarias que forma. En cualquier caso, la vida media de un mRNA es una cuestión clave en la biología molecular, puesto que a mayor vida media, mayor producción de la proteína que codifica ese mRNA y, en consecuencia, mayores niveles estacionarios de ésta*.


Splicing Alternativo.

El otro punto principal de esta entrada es el del Splicing Alternativo. Ya mencioné de pasada la importancia de la estructura modular de los genes en los eucariotas pero en esta ocasión voy a enfatizar aún más esta cuestión. Esencialmente, los eucariotas han desarrollado a lo largo de millones de años y por las presiones selectivas oportunas, la capacidad de almacenar muchísima más información genética en el DNA disponible gracias a esa estructura dividida en exones e intrones. Aunque las bases teóricas indican que los intrones son espacio desechado, la realidad, como siempre, es menos estricta y éstos pueden incluir secuencias reguladoras de la expresión de los genes que indiquen inicio o fin de la Transcripción, haciendo que en un mismo gen aparezcan varias secuencias aptas para transcribir o concluir el proceso. Además, ciertas señales, en los mismos intrones o los exones, permiten ignorar ciertos exones en la Transcripción. La flexibilidad aportada por estas modificaciones en el proceso canónico es la base de un tremenda capacidad de almacenamiento de información, ya que significa que cada gen puede producir más de una proteína diferente al transcribirse en los mRNAs series de exones diferentes y eso sin incluir los efectos propios del Splicing en sí.

Figura 2. Ejemplos de cómo el Splicing alternativo de un mismo transcrito primario puede producir dos mRNAs diferentes (en este caso de dos formas de la troponina).

Figura 3. Cinco formas diferentes de Splicing de un mismo gen (pinchar para agrandar).

Esta expresión alternativa o diferencial de los juegos de exones de un mismo gen está, sobre todo, asociada a los casos de células de tejidos distintos y a la inducción por parte de señales externas, ya sean de los mismos procesos de desarrollo ontogénico del ser vivo o de tipo homeostático (como en el caso de la producción de hormonas relacionadas con el metabolismo de la glucosa en sangre: insulina y glucagón). La cuestión de la regulación de este Splicing alternativo hace que las cadenas de regulación se compongan de múltiples pasos que, incluso, pueden tener su origen en un evento del desarrollo embrionario por la distribución de un gradiente de proteínas en el óvulo que ya se produce mientras éste madura en los conductos ováricos de la hembra.

Figura 4. Formas Constitutiva y Regulada de Splicing alternativo. a)Splicing normal en la célula tipo 1 (que no expresa el represor)y alternativo en la tipo 2 (que si lo expresa). b) idem que a pero en este caso se trata de un Splicing alternativo por inducción.

En consecuencia, los fenómenos de Splicing Alternativo han permitido multiplicar la capacidad de almacenamiento de información del material hereditario al proporcionar un sistema de procesamiento de información que permite la reutilización de un mismo gen para producir proteínas con funciones diferentes.


*Una entrega próxima (la siguiente será la de Traducción) la dedicaré a comentar las cinéticas de producción de proteínas y cómo se regulan los niveles estacionarios de éstas, algo que es importantísimo para la vida celular.

viernes, 4 de enero de 2008

Fenómenos Asociados a Transcripción.

En primer lugar, permitidme desearos a todos un feliz año 2008. Después del intermedio de las fiestas vuelvo a la carga en esta entrega con unos cuantos temas relacionados con la última entrada sobre Transcripción. Se trata de varios fenómenos asociados a este proceso, normalmente post-transcripcionales, y que lo modifican de forma más o menos sutil pero terminante y que a la hora de la expresión genética tienen una importancia bastante grande. Para poder organizar mejor esta columna, primero listaré los fenómenos y posteriormente entraré en detalle. Espero que todo sea lo más comprensivo posible.

Fenómenos Asociados a Transcripción:
-Formación del CAP 5' y Poli-adenilación.

-Elementos Reguladores de la Transcripción.

-Intrones.

-Splicing.

-Edición.



Formación del CAP 5' y Poli-adenilación.

Estos dos fenómenos ocurren secuencialmente durante la terminación de la transcripción en el caso de la RNApol II, la enzima que produce los mRNA, es decir, los RNA que originan las proteínas, y es, por decirlo de alguna forma, un etiquetado específico que permite su reconocimiento por otras enzimas del núcleo con las finalidades que ya veremos más adelante. De los dos fenómenos, la formación del CAP 5' es anterior a la poli-adenilación simplemente porque ocurre en el extremo que primero se forma según el proceso de transcripción, mientras que la poli-adenilación se da en el extremo 3', justo a partir del momento en que la RNApol ha alcanzado la señal de terminación y el transcrito primario es liberado.

Figura 1. Formación del CAP 5'.

La formación del CAP 5' es una adición de un nucleótido de guanina para formar un enlace 5'-5' entre los fosfatos del primer nucleótido del transcrito primario y los de este nucleótido añadido, lo que bloquea la reactividad de ese grupo trifosfato, entre otras cosas. Además, ese nucleótido es metilado en posición 7 de la guanina, lo que da un nucleótido modificado e invertido en el extremo del RNA que es único y exclusivo de los productos de la RNApol II y que, en consecuencia, indica que ese RNA se convertirá en mRNA y producirá proteínas.

Figura 2. Proceso de Poli-Adenilación.

La poli-adenilación, por otra parte, es simplemente la adición de una cantidad variable de nucleótidos con adenina (alrededor de 200, para los picajosos con los números) que son añadidos por la enzima poli-A polimerasa al interactuar con una proteína de reconocimiento de la señal de terminación del gen en el transcrito primario. Esa cola de poli-A (como es conocida vulgarmente) es reconocida, a su vez, por las proteínas de unión a poli-A, que la recubren y la blindan. En conjunto con el fenómeno anterior, esto indica que el transcrito primario se ha convertido en un mRNA y que, por tanto, tiene las marcas para producción de proteínas en el otro gran fenómeno de la biosíntesis de proteínas: la Traducción.


Elementos Reguladores de la Trascripción.

Aunque en la última entrada me referí de forma bastante general y abierta a los elementos reguladores de la Transcripción, quiero hoy hacer hincapié en una serie de cuestiones. Fundamentalmente, los elementos reguladores de la Transcripción no sólo se hallan curso arriba (en inglés upstream), es decir: antes de la posición de inicio de la Transcripción (y por tanto indicados con números negativos en las marcas de posición). Éstos pueden hallarse también curso abajo (downstream) respecto al mismo, e incluso curso abajo respecto al gen entero. Además, estos elementos no son sólo estimuladores (enchancers) sino que puede tratarse de represores.

Figura 3. Ejemplo de la abundancia y disposición de las secuencias reguladoras en diferentes organismos (bacterias, levaduras (hongos unicelulares) y humanos). La flecha indica el punto de inicio de la Transcripción.

Lo que hace que estos elementos reguladores actúen radica en su estructura por dos motivos generales: su estructura de nucleótidos, que puede hacer que formen estructuras tridimensionales complejas que hagan que las enzimas de la transcripción no puedan progresar (se caigan del DNA, separándose de él) o unirse al DNA; o que lo faciliten; y la unión de elementos en trans*, es decir, otras proteínas que hacen lo mismo o parecido a esas estructuras tridimensionales de antes, impidiendo la unión de Factores de Transcripción o favoreciéndola. La posición de estos elementos puede estar alejada del mismo gen debido a lo que tan machaconamente he repetido en otras ocasiones: la flexibilidad de la estructura tridimensional del DNA permite que elementos linealmente separados por muchos nucléotidos en el espacio queden próximos entre sí.
Figura 4. Ejemplo de cómo la disposición lineal de los elementos reguladores no refleja su importancia e influencia debida a la estructura tridimensional del DNA. El activador es un Factor de Transcripción en Trans. El gen comienza a transcribirse a partir de la región en gris oscuro del dibujo.

Intrones.

A la hora de hablar de los genes y cómo éstos se convierten en proteínas parecería que el gen es transcrito tal cual en mRNA y que luego éste se convierte en una proteína en la Traducción tal cual. Bien, permitidme aquí hacer una cierta disgresión y referirme a la naturaleza del conocimiento y cómo éste se comunica: en la mayoría de los casos, cuando se trata de instruir a otras personas y comunicar un conocimiento, lo normal es empezar por las generalidades y luego pasar a los detalles concretos, lo que hace, en líneas generales, que una persona más o menos iniciada tenga una colección de mentiras verdaderas. Al progresar en ese campo, claro, esa misma persona se dará cuenta de que lo que se le había contado o lo que había aprendido en el nivel anterior era cierto pero no del todo. En lo que ahora tratamos ocurre lo mismo.

Los genes no se transcriben tal cual siempre, por lo menos no es así en las Arqueas (un subgrupo de procariontes que se caracterizan por, habitualmente, ser habitantes de ambientes extremos y poseer metabolismos poco comunes) y en los Eucariotas. En estos organismos, aunque es especialmente importante en los Eucariotas, los genes poseen, a partir del punto de iniciación de la transcripción, una composición dividida en exones e intrones. Los exones son fragmentos de los genes que luego serán traducidos para dar lugar a la proteína, mientras que los intrones son fragmentos que están entre medias y que no codifican nada para la traducción. Esta estructura dual de los genes hace que existan fragmentos del DNA que al transcribirse luego estorben para la traducción, por lo que hace falta que se eliminen. No obstante lo anterior, esto proporciona una composición modular a los genes que tendrá importancia, como veremos más adelante.


Splicing.

Para la eliminación de los intrones antes de la Traducción, los mRNA deben atravesar un proceso denominado Splicing. El término exacto en castellano sería ayuntamiento (gerundio de ayuntar, que es formar una soga nueva al entretejer de los cabos de otras dos), sin embargo el término que ha cuajado es el anglófono, sobre todo porque ya tiene un sentido de especificidad bastante marcado.

El Splicing, esencialmente, es un fenómeno que ocurre entre uno de los extremos (el anterior o 5') del intrón y una posición interna de éste en la denominado sitio de ramificación y conjugado con la unión entre el extremo 3'-OH del exón anterior, que queda libre, y el 5' del exón posterior al intrón. El resultado es que los exones quedan ayuntados y el intrón se libera con una forma de lazada o bucle al formarse un enlace entre el extremo 5' y el sitio de ramificación.

Figura 5. Ejemplo de Splicing.

Existen por lo menos tres tipos generales de splicing: 1) splicing mediado por spliceosoma o nuclear, una maquinaria enzimática compleja parecida a la de la iniciación de la Transcripción lleva a cabo el plegado del mRNA y cataliza las reacciones; 2) auto-splicing de tipo I; 3) auto-splicing de tipo II. La diferencia entre estos dos últimos es la naturaleza de la estructura tridimensional formada por el propio RNA del intrón a la hora de catalizar su propia escisión (la de tipo I se denomina del bolsillo de Guanina por la intervención de este nucleótido y la estructura que se forma). Las dos formas de auto-splicing son más propias de las arqueas. Además de esto, puede también tener lugar Trans-splicing, en el que el exón de un mRNA se une al exón de otro mRNA diferente, como ocurre en los mRNAs de los tripanosomas (un grupo de parásitos eucariotas, como el que causa la malaria).

Figura 6. Los tres tipos de Splicing: nuclear por Spliceosoma, Auto-Splicing tipo II y Auto-Splicing tipo I (Bolsillo de Guanina).

En el Splicing hay dos implicaciones muy relevantes: en primer lugar la capacidad de auto-splicing que muestran algunos intrones refiere a la capacidad autocatalítica y catalítica del RNA, lo que sostiene la hipótesis de que el papel de las enzimas fue desempeñado originalmente por RNA en forma de ribozimas y por tanto este ácido nucleico pudo aportar la base para el desarrollo posterior de las enzimas/proteínas, más estables y eficientes energéticamente; en segundo lugar, en el splicing nuclear en eucariotas, en las juntas de unión de exones resultantes de la eliminación de los intrones se colocan ciertos complejos protéicos (los Exon Junction Complex o Complejos de Juntura de Exones) que marcan la posición en que se hallaban los exones después de su eliminación. La función de estos EJCs parece ser la de asegurar que no se han producido errores en el splicing y que el mRNA producido genera la proteína correcta. Esto se debe a que los EJCs son retirados por el ribosoma durante la Traducción; si no hay una señal de terminación incorrecta, todos ellos habrán sido retirados pero, si no es así y alguno permanece, se disparará un mecanismo de destrucción (Decaimiento Mediado por Secuencias Sin Sentido o Nonsense Mediated Decay) para eliminar este mRNA y que no siga produciendo proteínas alteradas.

Figura 7. Ejemplo de colocación de los EJCs (detallados varios de sus componentes) y su papel en exportación nuclear. Tomada de Hir et al., 2001. No se incluye el paso de desensamblaje durante la Traducción.

Indirectamente, y de ello tratará la próxima entrada, la estructura de los genes con exones e intrones permite el denominado splicing alternativo/diferencial, consistente en la producción de mRNAs definitivos que poseen unos u otros exones en función de diferentes factores a la hora de la Transcripción.


Edición.

La edición es un fenómeno consistente en la transformación de una base en otra en el mRNA. Esto rompe el dogma central de la biología molecular ya que se altera el mensaje genético entre el DNA y la proteína. La forma biologicamente más habitual de esta edición consiste en un cambio de Citosina por Uracilo, usual en plantas, sin embargo es también un fenómeno que puede ser diferencial entre tejidos, lo que cooperaría en la regulación de la expresión génica en los organismos.

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Salvo la figura 7., 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:

CAP 5'.
Poli-Adenilación.
Exones.
Intrones.
Edición.