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Expresión y regulación de los genes
del ADN a la proteína
Un gen es un tramo de ADN cuya secuencia de bases determina un ARN y, casi siempre, una proteína. Expresarlo requiere dos pasos: la transcripción, de ADN a ARN, y la traducción, de ARN a proteína.
La figura es un fragmento de la doble hélice, en giro. Sus dos cadenas se mantienen unidas por los pares de bases del centro, y el orden de esas bases es la información.
Este capítulo sigue esa información: cómo se construye el ADN (6.1) y se copia (6.2), cómo un gen se lee en ARN (6.3) y en proteína (6.4), cómo las células deciden qué genes leer (6.5, 6.6), qué ocurre cuando la secuencia cambia (6.7) y cómo un laboratorio corta, copia y separa el ADN (6.8).
Estructura del ADN y del ARN
El ADN, y en algunos virus el ARN, es la información hereditaria de una célula. Ambos son cadenas de nucleótidos: un azúcar, un fosfato y una base nitrogenada.
Los azúcares y los fosfatos se alternan y forman el esqueleto. Cada cadena tiene una dirección: un extremo 5′ con un fosfato libre y un extremo 3′ con un –OH libre en el azúcar. Las dos cadenas de ADN van en sentidos opuestos, son antiparalelas, y se enrollan en una doble hélice.
Las bases se aparean en el centro mediante puentes de hidrógeno: A con T (dos puentes) y G con C (tres). A y G son purinas, con dos anillos; C, T y U son pirimidinas, con uno. Cada par une una purina y una pirimidina, así que la hélice mantiene el mismo ancho (unos 2 nm) y da una vuelta cada 10.5 pares de bases.
Regla de Chargaff. Por el apareamiento, el ADN de doble cadena cumple A = T y G = C. Si una muestra tiene 30% de A, tiene 30% de T, y el 40% restante se reparte en partes iguales: 20% de G y 20% de C.
| ADN | ARN |
|---|
| azúcar | desoxirribosa | ribosa |
| bases | A, T, G, C | A, U, G, C |
| cadenas | dos, una doble hélice | por lo general una |
Los procariontes guardan su ADN en un cromosoma circular; los eucariontes, en varios cromosomas lineales enrollados en proteínas histonas dentro del núcleo. Ambos pueden tener plásmidos: ADN pequeño, circular y de doble cadena, fuera del cromosoma.
replicación
La replicación es semiconservativa: cada nueva doble hélice conserva una cadena antigua y recibe una nueva, construida sobre ella como molde por apareamiento de bases.
En la horquilla de replicación, la helicasa desenrolla la hélice original y rompe los puentes de hidrógeno entre las bases. La topoisomerasa, delante de la horquilla, alivia la torsión que causa el desenrollamiento.
La ADN polimerasa añade nucleótidos solo al extremo 3′ de una cadena, así que una cadena nueva crece solo en sentido 5′→3′. Además, no puede iniciar una cadena desde cero: necesita un cebador de ARN corto (azul) sobre el cual construir.
Los dos moldes van en sentidos opuestos, así que las dos cadenas nuevas (rojo) se fabrican de forma distinta:
| cadena líder | cadena rezagada |
|---|
| dirección | hacia la horquilla | alejándose de la horquilla |
| síntesis | continua, un cebador | en fragmentos, un cebador cada uno |
Los fragmentos de la cadena rezagada son los fragmentos de Okazaki. Sus cebadores de ARN se reemplazan por ADN, y la ADN ligasa sella los huecos entre ellos para formar una cadena continua.
La ADN polimerasa también corrige errores, así que los errores de replicación son raros, aunque nunca nulos: los que quedan son mutaciones (6.7).
transcripción y procesamiento del ARN
En la transcripción, la ARN polimerasa abre el ADN en un gen y construye una copia de ARN de una de sus cadenas.
Se une al promotor, lee la cadena molde en sentido 3′→5′ y construye el ARN en sentido 5′→3′, apareando A con U, T con A, G con C y C con G. Se detiene en un terminador. El ARN tiene la secuencia de la otra cadena, la cadena codificante, con U en lugar de T.
| cadena codificante 5′→3′ | ATG TTC GGA AAA TGG TAA |
|---|
| cadena molde 3′→5′ | TAC AAG CCT TTT ACC ATT |
|---|
| ARNm 5′→3′ | AUG UUC GGA AAA UGG UAA |
|---|
Tres tipos de ARN participan en la fabricación de una proteína: el ARNm lleva el mensaje del gen; el ARNt trae los aminoácidos; el ARNr forma el núcleo del ribosoma.
Procesamiento. En los eucariontes, el primer transcrito, el pre-ARNm, se modifica en el núcleo antes de salir: se añaden una caperuza 5′ (un nucleótido de guanina modificado) y una cola de poli-A, que lo protegen y ayudan a su traducción, y se eliminan los intrones mientras se unen los exones. El pre-ARNm de abajo tiene 1530 nucleótidos; sus exones suman 480.
Mediante el corte y empalme alternativo, un gen puede producir distintos ARNm, y por tanto distintas proteínas, según qué exones se conserven.
traducción
En la traducción, un ribosoma lee un ARNm de tres en tres bases, un codón por aminoácido.
Iniciación. La subunidad pequeña se une al ARNm y encuentra el codón de inicio, AUG; el primer ARNt, que lleva metionina, se aparea con él; se une la subunidad grande.
Elongación. Cada ARNt tiene un anticodón que se aparea con un codón y lleva el aminoácido de ese codón. Un nuevo ARNt entra en el sitio A; el ribosoma une la cadena en crecimiento con su aminoácido mediante un enlace peptídico; el ribosoma avanza un codón hacia el extremo 3′ y el ARNt vacío sale por el sitio E.
Terminación. En un codón de paro (UAA, UAG, UGA) no se aparea ningún ARNt; un factor de liberación libera el polipéptido.
| ARNm | AUG | UUC | GGA | AAA | UGG | UAA |
|---|
| aminoácido | Met | Phe | Gly | Lys | Trp | Stop |
|---|
El código se lee en la tabla del código genético y es casi universal: los mismos codones significan los mismos aminoácidos en bacterias y en personas, por eso un gen humano puede expresarse en una bacteria. También es redundante: 61 codones para 20 aminoácidos.
En los procariontes, los ribosomas traducen un ARNm mientras aún se está transcribiendo. Los retrovirus, como el VIH, invierten primero el flujo: su transcriptasa inversa copia el ARN viral en ADN, que se integra al genoma del huésped.
regulación de la expresión génica
Una célula no expresa todos sus genes todo el tiempo. Las secuencias reguladoras del ADN se unen a proteínas reguladoras, que aumentan o reducen la transcripción.
El operón lac de E. coli es un operón: genes para una misma función (usar lactosa) bajo un solo promotor y un solo operador, transcritos en un solo ARNm. Es inducible, normalmente apagado:
| condición | represor | lacZYA |
|---|
| sin lactosa | represor en el operador | off |
| lactosa presente | la alolactosa mantiene alejado al represor | on |
El represor, producido por el gen independiente lacI, se coloca en el operador y bloquea la ARN polimerasa. Cuando hay lactosa, la alolactosa (producida a partir de ella) se une al represor y cambia su forma; este se desprende y los genes se transcriben. (La transcripción es más intensa cuando además escasea la glucosa.)
El operón trp es reprimible, normalmente encendido. Su represor se produce inactivo; cuando hay abundante triptófano, este se une al represor, el represor se une al operador y los genes para producir triptófano se apagan.
Los cambios epigenéticos regulan los genes sin cambiar la secuencia. La acetilación de las histonas afloja el ADN que las rodea y permite la transcripción; la metilación del ADN normalmente lo silencia. Estas marcas son reversibles y pueden transmitirse cuando las células se dividen.
expresión génica y especialización celular
Casi todas las células de tu cuerpo tienen los mismos genes. Las células son distintas porque expresan genes diferentes.
Un gen eucarionte se activa mediante factores de transcripción. Los factores generales ayudan a la ARN polimerasa a unirse al promotor. Los activadores específicos se unen a los potenciadores, que pueden estar a miles de bases de distancia; el ADN se dobla para que el activador toque la maquinaria en el promotor, y la transcripción aumenta. Los represores se unen y la bloquean.
En la figura: la cromatina está condensada y en silencio; los grupos acetilo (rojos) aflojan las histonas; un activador (azul) se une al potenciador, el ADN forma un bucle y se producen ARNm.
| célula | actin | albumin | insulin | crystallin |
|---|
| liver | on | on | — | — |
| pancreas | on | — | on | — |
| lens | on | — | — | on |
Cada tipo de célula tiene su propio conjunto de factores de transcripción y, por lo tanto, su propio conjunto de genes y proteínas activos. Los genes que comparten una secuencia reguladora responden al mismo factor, así que una sola señal puede activar todo un programa a la vez.
La expresión también se ajusta después de la transcripción: los ARN pequeños (como los microARN) se aparean con ciertos ARNm y bloquean su traducción o hacen que se destruyan.
mutaciones
Una mutación es un cambio en la secuencia del ADN. Puede cambiar la proteína que produce un gen y, con ello, el fenotipo.
La figura muta el ARNm AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA, que codifica Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:
| mutación | codón | proteína |
|---|
| silent | GAG → GAA | Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala |
| missense | GAG → GUG | Met-Val-Phe-Lys-Trp-Ala |
| nonsense | AAA → UAA | Met-Glu-Phe (stop) |
| frameshift | UUC → CUU | Met-Glu-Leu-Gln-Met-Gly-Leu |
Una sustitución silenciosa cambia un codón por otro para el mismo aminoácido. Una sustitución de sentido erróneo cambia un aminoácido: GAG → GUG, de glutamato a valina, es la mutación de la anemia falciforme en la hemoglobina. Una sustitución sin sentido produce un codón de paro y acorta la proteína. La inserción o deleción de una base es un cambio en el marco de lectura: todos los codones posteriores se leen en el marco equivocado.
Las mutaciones surgen de errores en la replicación o la reparación, y por radiación y sustancias químicas. Son aleatorias respecto de lo que el organismo necesita; su efecto puede ser dañino, neutro o benéfico según el ambiente. Son la fuente original de la variación genética.
También cambian cromosomas completos: la no disyunción en la meiosis da a un gameto un cromosoma de más o de menos, como en la trisomía 21 (síndrome de Down). Las bacterias también ganan genes de forma lateral: transformación (captar ADN), transducción (transportado por un virus), conjugación (de célula a célula) y transposición (genes que se mueven dentro de un genoma).
biotecnología
Cuatro métodos de laboratorio se derivan de lo que es el ADN.
La electroforesis en gel separa el ADN por tamaño. El ADN es negativo (por sus fosfatos), así que en un campo eléctrico avanza hacia el extremo +; el gel retiene más los fragmentos largos que los cortos, de modo que los más cortos llegan más lejos. Junto a las muestras se corre una escalera de tamaños conocidos. La distancia disminuye de forma constante con el logaritmo del tamaño:
| tamaño (pb) | 1500 | 1000 | 700 | 500 | 300 | 200 | 100 |
|---|
| distancia (mm) | 10.7 | 16.0 | 20.6 | 25.0 | 31.7 | 37.0 | 46.0 |
|---|
Una banda a 27.9 mm del pozo queda entre las bandas de 500 y 300 pb; al leerla en la recta se obtienen unos 400 pb. En la figura, las bandas de la muestra de la escena del crimen coinciden con las del sospechoso 2.
La PCR (reacción en cadena de la polimerasa) copia un tramo elegido de ADN: se calienta a 95 °C para separar las cadenas, se enfría a unos 55 °C para que los cebadores se unan a ambos lados del blanco, y luego a 72 °C para que una ADN polimerasa termoestable los extienda. Cada ciclo duplica el blanco: 5 ciclos convierten una copia en 32, y 30 ciclos en unos 1.07 mil millones.
La transformación bacteriana introduce un gen en bacterias mediante un plásmido, a menudo con un gen de resistencia a un antibiótico, de modo que solo las células transformadas crezcan en una placa con el antibiótico.
La secuenciación del ADN lee el orden de las bases.
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