Transcripcion

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 eucariontes, 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.

Introducción

¿Alguna vez has tenido que transcribir algo? Tal vez alguien dejó un mensaje en tu buzón de voz y tuviste que escribirlo en papel. O tal vez tomaste notas en clase que luego reescribiste cuidadosamente para ayudarte a repasar.

Como lo muestran estos ejemplos, la transcripción es un proceso en el que se reescribe 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 definida con más detalle. 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 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

La 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', agregando cada nuevo nucleótido al extremo 3' de la cadena.

La ARN polimerasa sintetiza una cadena de ARN complementaria a la cadena molde de ADN. Este enzima sintetiza la cadena de ARN en dirección 5' a 3', mientras que lee la cadena molde de ADN en dirección 3' a 5'. La cadena molde de ADN y la cadena de ARN son antiparalelas.

Transcrito de ARN: 5'-UGGUAGU...-3' (los puntos indican que todavía se están agregando nucleótidos en el extremo 3') Molde de ADN: 3'-ACCATCAGTC-5'

Las etapas de la transcripción

La transcripción de un gen ocurre en tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Aquí veremos brevemente cómo ocurren estas etapas en bacterias. Puedes aprender más sobre los detalles de cada etapa (y sobre las diferencias que hay respecto a la transcripción eucarionte) en el artículo sobre etapas de la transcripción.

1. Iniciación. La ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor, que se encuentra al inicio de un gen. Cada gen (o grupo de genes co-transcritos en bacterias) tiene su propio promotor. Una vez unida, la ARN polimerasa separa las cadenas de ADN para proporcionar el molde de cadena sencilla necesario para la transcripción.
   

   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 comenzar a transcribirse.
2. 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 a la molde (codificante) en el gen, pero contiene la base uracilo (U) en lugar de timina (T).

   [¿Qué significan 5' y 3'?]
   Los dos extremos de una cadena de ADN o ARN son diferentes entre sí. En otras palabras, las cadenas de ADN y ARN tienen direccionalidad.
   
   En el extremo 5' de la cadena, sobresale el grupo fosfato del primer nucleótido de la cadena. El grupo fosfato se encuentra unido con el carbono 5' del anillo del azúcar y es por lo que se llama extremo 5'.
   En el otro extremo, llamado extremo 3', sobresale el hidroxilo del último nucleótido añadido a la cadena. El grupo hidroxilo se encuentra unido con el carbono 3' del anillo del azúcar y es por lo que se llama extremo 3'.
   Muchos procesos, como la replicación de ADN y la transcripción, solo pueden ocurrir en una dirección particular en relación con la direccionalidad en la cadena de ADN o ARN.
   Puedes aprender más en el artículo sobre ácidos nucleicos.
   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')
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. A continuación se ejemplifica un mecanismo de terminación en el que ocurre la formación de un tallo-asa en el ARN.
   

   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.

• Los pre-ARNm eucariontes deben tener sus extremos modificados por la adición de un cap 5' (al inicio) y una cola de poli-A 3' (al final).
• Muchos pre-ARNm eucariontes sufren empalme. En este proceso, partes del pre-ARNm (llamadas intrones) se cortan y se eliminan, y las piezas restantes (llamadas exones) se vuelven a unir.
  

  Imagen superior: Diagrama de un pre-ARNm con un cap 5' y una cola de poli-A 3'. El cap 5' se encuentra en el extremo 5' del pre-ARNm y es un nucleótido de G modificado. La cola de poli-A se encuentra en el extremo 3' del pre-ARNm y se compone de una larga cadena de nucleótidos de A (de los cuales solo se muestran unos cuantos).

  El pre-ARNm contiene tanto exones como intrones. A lo largo de la cadena del ARNm hay un patrón alternante de exones e intrones: exón 1 - intrón 1 - exón 2 - intrón 2 - exón 3. Cada uno se compone de un segmento de nucleótidos de ARN.

  Durante el empalme, se eliminan los intrones del pre-ARNm y los exones se vuelven a unir para formar un ARNm maduro.

  Parte inferior de la imagen: Un ARNm maduro que no contiene las secuencias de los intrones (solamente exón 1 - exón 2 - exón 3).

Las modificaciones en los extremos aumentan la estabilidad del ARNm, mientras que el empalme otorga al ARNm su secuencia correcta. (Si no se eliminan los intrones, se traducirán junto con los exones y producirán un polipéptido "que no se entienda".)

Para aprender más acerca de modificaciones del pre-ARNm en eucariontes, consulta el artículo sobre procesamiento del pre-ARNm.

La transcripción ocurre para genes individuales

No todos los genes se transcriben todo el tiempo. En cambio, la transcripción se controla individualmente para cada gen (o, en las bacterias, para pequeños grupos de genes que se transcriben juntos). Las células regulan cuidadosamente la transcripción, de 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.

El diagrama muestra que genes individuales se transcriben en diferentes cantidades.

Se muestra una región de ADN que contiene cuatro genes y la región transcrita de cada gen se resalta en azul oscuro. El número de transcritos de cada gen se indica sobre el ADN (en un eje Y). Hay seis transcritos del gen 1, un transcrito del gen 2, doce transcritos del gen 3 y no hay transcritos del gen 4.

Esta no es una ilustración de algún conjunto real de genes y sus niveles de transcripción, en realidad solo es un ejemplo que muestra el control individual de la transcripción en genes y otras unidades de transcripción.

En los siguientes artículos, daremos un vistazo con más detalle a la ARN polimerasa, las etapas de la transcripción y el proceso de modificación del ARN en eucariontes. También consideraremos algunas diferencias importantes entre la transcripción bacteriana y la eucarionte.