Microbiología

Durante el proceso de transcripción, la información codificada en la secuencia de ADN de uno o más genes se transcribe en una cadena de ARN, también llamada transcripción de ARN. La molécula de ARN monocatenario resultante, compuesta por ribonucleótidos que contienen las bases adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U), actúa como una copia molecular móvil de la secuencia original de ADN. La transcripción en procariotas y en eucariotas requiere que la doble hélice de ADN se desenrolle parcialmente en la región de síntesis del ARN. La región desenrollada se denomina burbuja de transcripción. La transcripción de un gen concreto siempre procede de una de las dos cadenas de ADN que actúa como molde, la llamada cadena antisentido. El producto de ARN es complementario a la cadena molde de ADN y es casi idéntico a la cadena de ADN no molde, o cadena sentido. La única diferencia es que en el ARN, todos los nucleótidos T se sustituyen por nucleótidos U; durante la síntesis del ARN, el U se incorpora cuando hay una A en la cadena complementaria antisentido.

La transcripción en las bacterias

Las bacterias utilizan la misma ARN polimerasa para transcribir todos sus genes. Al igual que la ADN polimerasa, la ARN polimerasa añade nucleótidos uno a uno al grupo 3′-OH de la cadena de nucleótidos en crecimiento. Una diferencia crítica en la actividad entre la ADN polimerasa y la ARN polimerasa es el requisito de un 3′-OH sobre el que añadir nucleótidos: La ADN polimerasa requiere un grupo 3′-OH, por lo que necesita un cebador, mientras que la ARN polimerasa no. Durante la transcripción, se añade un ribonucleótido complementario a la cadena molde de ADN a la cadena de ARN en crecimiento y se forma un enlace fosfodiéster covalente por síntesis de deshidratación entre el nuevo nucleótido y el último añadido. En E. coli, la ARN polimerasa consta de seis subunidades polipeptídicas, cinco de las cuales componen el núcleo de la enzima polimerasa, responsable de añadir nucleótidos de ARN a la cadena en crecimiento. La sexta subunidad se conoce como sigma (σ). El factor σ permite a la ARN polimerasa unirse a un promotor específico, permitiendo así la transcripción de varios genes. Hay varios factores σ que permiten la transcripción de varios genes.

Inicio

El inicio de la transcripción comienza en un promotor, una secuencia de ADN a la que la maquinaria de transcripción se une e inicia la transcripción. El par de nucleótidos en la doble hélice de ADN que corresponde al sitio desde el que se transcribe el primer nucleótido 5′ de ARN es el sitio de iniciación. Los nucleótidos que preceden al sitio de iniciación se denominan «aguas arriba», mientras que los nucleótidos que siguen al sitio de iniciación se denominan «aguas abajo». En la mayoría de los casos, los promotores se sitúan justo aguas arriba de los genes que regulan. Aunque las secuencias de los promotores varían entre los genomas bacterianos, algunos elementos se conservan. En las posiciones -10 y -35 dentro del ADN antes del sitio de iniciación (designado +1), hay dos secuencias consenso del promotor, o regiones que son similares en todos los promotores y en varias especies bacterianas. La secuencia consenso -10, llamada caja TATA, es TATAAT. La secuencia -35 es reconocida y unida por σ.

Elongación

La elongación en la fase de transcripción comienza cuando la subunidad σ se disocia de la polimerasa, permitiendo que la enzima central sintetice ARN complementario al molde de ADN en dirección 5′ a 3′ a una velocidad de aproximadamente 40 nucleótidos por segundo. A medida que avanza la elongación, el ADN se desenrolla continuamente por delante de la enzima central y se rebobina detrás de ella (Figura 1).

Figura 1. Durante la elongación, la ARN polimerasa bacteriana se desplaza a lo largo de la plantilla de ADN, sintetiza ARNm en la dirección 5′ a 3′, y desenrolla y rebobina el ADN a medida que se lee.

Terminación

Una vez que se transcribe un gen, la polimerasa bacteriana debe disociarse de la plantilla de ADN y liberar el ARN recién fabricado. Esto se denomina terminación de la transcripción. El molde de ADN incluye secuencias de nucleótidos repetidas que actúan como señales de terminación, lo que hace que la ARN polimerasa se detenga y se libere del molde de ADN, liberando el transcrito de ARN.

La transcripción en eucariotas

Los procariotas y los eucariotas realizan fundamentalmente el mismo proceso de transcripción, con algunas diferencias significativas (véase la Tabla 1). Los eucariotas utilizan tres polimerasas diferentes, las ARN polimerasas I, II y III, todas estructuralmente distintas de la ARN polimerasa bacteriana. Cada una transcribe un subconjunto diferente de genes. Curiosamente, las arqueas contienen una única ARN polimerasa que está más relacionada con la ARN polimerasa II eucariótica que con su homóloga bacteriana. Los ARNm eucariotas también son normalmente monocistrónicos, lo que significa que cada uno de ellos codifica un solo polipéptido, mientras que los ARNm procariotas de bacterias y arqueas son comúnmente policistrónicos, lo que significa que codifican múltiples polipéptidos.

La diferencia más importante entre procariotas y eucariotas es el núcleo unido a la membrana de estos últimos, que influye en la facilidad de uso de las moléculas de ARN para la síntesis de proteínas. Con los genes ligados a un núcleo, la célula eucariota debe transportar las moléculas de ARN que codifican proteínas al citoplasma para ser traducidas. Los transcritos primarios que codifican proteínas, las moléculas de ARN sintetizadas directamente por la ARN polimerasa, deben someterse a varios pasos de procesamiento para proteger estas moléculas de ARN de la degradación durante el tiempo que se transfieren del núcleo al citoplasma y se traducen en una proteína. Por ejemplo, los ARNm eucariotas pueden durar varias horas, mientras que el típico ARNm procariota no dura más de 5 segundos.

El transcrito primario (también llamado pre-ARNm) se recubre primero con proteínas estabilizadoras del ARN para protegerlo de la degradación mientras es procesado y exportado fuera del núcleo. El primer tipo de procesamiento comienza mientras el transcrito primario todavía se está sintetizando; un nucleótido especial de 7-metilguanosina, llamado 5′ cap, se añade al extremo 5′ del transcrito en crecimiento. Además de evitar la degradación, los factores que intervienen en la posterior síntesis de proteínas reconocen el capuchón, lo que ayuda a iniciar la traducción por parte de los ribosomas. Una vez completada la elongación, otra enzima de procesamiento añade una cadena de aproximadamente 200 nucleótidos de adenina al extremo 3′, llamada cola poli-A. Esta modificación protege aún más al pre-ARNm de la degradación y señala a los factores celulares que el transcrito necesita ser exportado al citoplasma.

Los genes eucariotas que codifican polipéptidos están compuestos por secuencias codificantes llamadas exones (ex-on significa que se expresan) y secuencias intermedias llamadas intrones (int-ron denota su función interventora). Las secuencias de ARN transcrito correspondientes a los intrones no codifican regiones del polipéptido funcional y se eliminan del pre-ARNm durante el procesamiento. Es esencial que todas las secuencias de ARN codificadas por los intrones se eliminen por completo y con precisión de un ARNpre-m antes de la síntesis de la proteína para que las secuencias de ARN codificadas por los exones se unan correctamente para codificar un polipéptido funcional. Si el proceso se equivoca incluso en un solo nucleótido, las secuencias de los exones reunidos se desplazarían y el polipéptido resultante no sería funcional. El proceso de eliminación de las secuencias de ARN codificadas por los intrones y de reconexión de las codificadas por los exones se denomina empalme de ARN y se ve facilitado por la acción de un espliceosoma que contiene pequeñas proteínas nucleares ribonucleo (snRNPs). Las secuencias de ARN codificadas por los intrones se eliminan del pre-ARNm mientras éste se encuentra todavía en el núcleo. Aunque no se traducen, los intrones parecen tener varias funciones, como la regulación del gen y el transporte del ARNm. Una vez completadas estas modificaciones, el transcrito maduro, el ARNm que codifica un polipéptido, es transportado fuera del núcleo, con destino al citoplasma para su traducción. Los intrones pueden empalmarse de forma diferente, lo que hace que se incluyan o excluyan varios exones del producto final del ARNm. Este proceso se conoce como splicing alternativo. La ventaja del splicing alternativo es que se pueden generar diferentes tipos de transcritos de ARNm, todos ellos derivados de la misma secuencia de ADN. En los últimos años, se ha demostrado que algunas arqueas también tienen la capacidad de empalmar su pre-ARNm.