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Transcripción de genes eucariontes: del ADN al ARNm

Los genes se guardan en lo profundo de una célula, encerrados bajo llave en una habitación llamada núcleo. Los ribosomas, las máquinas que ensamblan las proteínas, viven fuera del núcleo, flotando por ahí en una sopa de sustancias químicas llamada citosol. Esta separación espacial presenta un obstáculo logístico para la célula. Un ribosoma necesita las instrucciones en un gen para armar la proteína correspondiente, pero los genes están atrapados dentro del núcleo. ¿Cómo salen del núcleo hacia el ribosoma las instrucciones en un gen?
La solución es simple (si ignoras los detalles). Las instrucciones en un gen (escritas en el lenguaje de nucleótidos de ADN) se transcriben en un gen portátil, llamado transcrito de ARNm. Estos transcritos de ARNm escapan del núcleo y viajan a los ribosomas, donde entregan sus instrucciones para ensamblar proteínas. La creación de transcritos de ARNm (la creación de estos genes portátiles) se conoce como transcripción génica. Aprendamos sobre esto.

Una analogía para entender la transcripción

Imagina que eres el dueño de un restaurante italiano. Guardas todas las recetas que usan tus cocineros en un gran libro, y cada noche, cuando la cocina se cierra, guardas el libro en tu oficina para tenerlo seguro. Ahora imagina que una tarde de sábado, la puerta de tu oficina se descompone y tú y el libro de recetas quedan encerrados adentro. El restaurante debe abrir en unas cuantas horas. Tratas de llamarle a todos los cerrajeros de la ciudad, pero ninguno trabaja en fin de semana. ¿Cómo vas a lograr que las recetas salgan de tu oficina cerrada con llave y lleguen a los cocineros que están afuera para que puedan preparar los platillos que ordenen tus clientes?
Se te ocurre el siguiente sistema. Cuando un cliente pida un platillo en particular, el mesero toca a tu puerta y te avisa. Tú buscas y encuentras la receta correspondiente en el libro, y la anotas en una tarjeta de 3x5 pulgadas. Dado que tienes poco espacio y el tiempo es valioso, usas algo de taquigrafía y abreviaturas pero te aseguras incluir todos los elementos esenciales de la receta. Entonces pones la tarjeta en una bolsa de plástico sellable (para protegerla de algún daño en la cocina) y la pasas por debajo de la puerta. El mesero le lleva la tarjeta al cocinero que espera en la cocina, y el cocinero ya tiene la información que necesita para hacer el platillo del cliente. Se soluciona el problema. (¡Si ignoras que sigues encerrado en tu oficina!)

La mecánica de la transcripción

En las células, la transcripción es el proceso que se parece a copiar una receta en una tarjeta y pasarla por debajo de la puerta de la oficina. La tarjeta, con la receta escrita en ella, es análoga a un transcrito de ARN mensajero (transcrito de ARNm, para abreviar). Un transcrito de ARNm es una cadena sencilla de ARN que encapsula la información contenida en un gen. Piensa en un transcrito de ARNm como un gen portátil: más pequeño y móvil que la secuencia de ADN de la que se formó, pero que contiene la misma información.

¿A qué se parece un transcrito de ARNm?

Cuando estamos aprendiendo algo nuevo, es bueno ver si puedes ponerlo en términos de algo que ya entiendes. En el caso de los transcritos de ARNm, la cosa que ya entiendes es una cadena sencilla de ADN (si suponemos que ya leiste nuestro artículo de la estrucutra y función del ADN).
Si tienes una imagen de tal cadena de ADN en tu mente, puedes convertirla en un transcrito de ARNm si haces dos cambios.
  • Primero, agrega un grupo hidroxilo al carbono 2' de cada desoxirribosa. Como diría un bioquímico, necesitas hidroxilar las 2' desoxirribosas.
  • Segundo, recorta el grupo metilo de cada timina presente en la cadena de nucleótidos. Como diría un bioquímico, necesitas desmetilar cada timina.
La desoxirribosa hidroxilada se llama ribosa. La timina desmetilada se llama uracilo. Una cadena sencilla de ARN es exactamente igual que una cadena sencilla de ADN, en términos de las sustancias químicas que la conforman, excepto que usa ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de timina.
Vale la pena destacar que las células no hacen transcritos de ARNm con una cadena sencilla de ADN a la que se le hacen los cambios que acabamos de describir. Por el contrario, usan una provisión preexistente de ribosa y uracilo, junto con otros componentes de los nucleótidos, para formar el ARNm de cero. Solo estamos sugiriendo que la mejor manera de entender la estructura química del ARNm es comenzar con una cadena de ADN y hacer los dos cambios que describimos.
Como una alternativa para comprender las diferencias sutiles entre el ADN y el ARN, mira la siguiente tabla.
ADNARN
enlaces entre nucleótidosfosfodiésterfosfodiéster
azúcar en los nucleótidosdesoxirribosaribosa
bases nitrogenadasadenina, timina, guanina, citosinaadenina, uracilo, guanina, citosina
función principalalmacenamiento de información

Cómo se hace un transcrito de ARNm?

Una enzima llamada ARN polimerasa II hace el transcrito de ARNm. Como lo puedes deducir por el nombre, la función de la ARN polimerasa II es semejante en términos generales a la de la ADN polimerasa. La única diferencia importante son las materias primas que se utilizan.
La ADN polimerasa usa una cadena sencilla de ADN como molde y sintetiza una cadena de ADN. Cada nucleótido en la cadena de ADN sintetizada es complementario al nucleótido en la cadena molde. La ARN polimerasa también usa una cadena de ADN como molde. En lugar de usar este molde para hacer una cadena complementaria de ADN, la usa para formar una cadena complementaria de ARN: el transcrito de ARNm.

Procesamiento del ARNm

Cuando la ARN polimerasa ha terminado, el transcrito de ARNm tiene que ser procesado antes de que pueda emprender el viaje hacia fuera del núcleo y hacia el ribosoma. El procesamiento tiene dos fases: protección y emplame.

Protección

Durante esta fase, se agregan secuencias de nucleótidos a cada extremo del transcrito de ARNm para protegerlo de la degradación que puede ocurrir fuera del núcleo. El extremo 5' de un solo nucleótido G se añade al extremo 5' del transcrito. Esto se conoce como cap 5'. En el extremo 3' del transcrito se agrega una larga secuencia de nucleótidos A. Esto se conoce como cola poli-A. El cap 5' y la cola poli-A protegen el transcrito de ARNm del ataque en el citoplasma de enzimas llamadas exonucleasas que específicamente se dirigen a las moléculas de ARN con extremos 5' expuestos.
Piensa en esta fase de protección del procesamiento en términos de nuestra analogía del restaurante. Sabes que necesitas proteger la tarjeta 3x5, en donde está escrita la receta, del daño que podría ocurrir en la cocina, por lo que la metes en la bolsa de plástico para resguardarla de cualquier agua, aceite u otro ingrediente por ahí que pudiera comprometer la integridad de la tinta con la que está escrito el mensaje. El cap 5' y la cola poli-A tienen el mismo propósito de protección.

Empalme

La otra fase de procesamiento de ARNm se llama empalme. El propósito del empalme es retirar los intrones del transcrito de ARNm. Los intrones son secuencias de ARN que no contienen alguna información sobre cómo construir una proteína.
Los intrones se recortan de una transcrito de ARNm mediante un complejo de enzimas llamado el espliceosoma. Un espliceosoma localiza los intrones, los recorta y luego fusiona las partes restantes del transcrito de ARNm. Las partes del transcrito de ARNm que no son recortadas por el espliceosoma se conocen como exones. En contraste con los intrones, los exones son las partes del transcrito de ARNm que realmente contienen las instrucciones para ensamblar una proteína. Muchos llaman el transcrito de ARNm que todavía contiene intrones pre-ARNm, y el transcrito libre de intrones que produce el espliceosoma, ARNm primario (también llamado "ARNm maduro" por algunos autores).
Pensemos en el empalme de intrones en términos de nuestra analogía del restaurante. Las recetas en el libro grande podrían tener información superflua, tal como de dónde provino la receta, su historia en tu familia, o con qué otros platillos o bebidas se puede combinar. Para tus fines, este tipo de información no es relevante para tu propósito principal. Por lo tanto la eliminas cuando haces la tarjeta y solo incluyes la información indispensable para preparar el platillo. En el caso de la transcripción, esta información indispensable está contenida en los exones, y todo lo demás -los intrones- se puede dejar fuera. El resultado es una versión más pequeña y más móvil del transcrito de ARNm.
Una vez que se ha protegido y empalmado un ARNm, está listo para dejar el núcleo y comenzar la segunda fase de la síntesis de proteínas llamada traducción.

Considera lo siguiente: interferencia del ARN

En nuestro ejemplo del restaurante, ¿qué sucedería si la tarjeta que pasaste por debajo de la puerta nunca llegara a la cocina? No se prepararía el platillo, porque el cocinero nunca tendría la receta, ¿no?
En años recientes, una clase de terapias médicas prometedoras ha usado una versión de esta idea para desarrollar tratamientos nuevos para una cantidad de enfermedades terribles. Bajo el nombre de interferencia de ARN, estas terapias interrumpen la producción de proteínas dañinas cuando interceptan e inactivan los transcritos de ARNm antes de que estos lleguen al ribosoma. ¡Esto impide desde un inicio que las proteínas correspondientes se fabriquen!
Un tratamiento recientemente propuesto para el ébola quizás sea la aplicación más espectacular de las técnicas de interferencia de ARN.
El ébola, como la mayoría de los virus, es básicamente una máquina de transcripción. Contiene un genoma viral, fundamentalmente un cromosoma muy pequeño y simple, junto con una enzima polimerasa. Una vez que el virus infiltra una de tus células, la enzima polimerasa sintetiza transcritos de ARNm para cada uno de los genes en su genoma. Luego recluta tus propios ribosomas y los usa para construir sus propias proteínas. Cuando has fabricado estas proteínas para el virus del ébola, ellas dirigen la construcción de nuevos virus del ébola.
Una idea obvia para combatir el ébola sería sabotear todo este proceso e impedir la replicación antes de que inicie.
Con una clase de moléculas de ingeniería llamadas ARN de interferencia pequeños (ARNip para abreviar), los científicos han comprobado que los ARNm sintetizados por el virus del ébola dentro de las céluas infectadas pueden ser capturados y destruidos antes de que puedan entregar sus mensajes genéticos a los ribosomas de la célula hospedera. Sin ARNm del ébola, no hay proteínas del ébola. Sin proteínas del ébola, ¡el ébola pierde toda la capacidad de replicarse dentro de las células hospederas!
Como sucede con todas las nuevas terapias, los tratamientos basados en ARNip para el ébola fueron inicialmente validados en modelos en animales no humanos. Sin embargo, durante el último brote del virus en África Occidental, y su subsiguiente propagación a Norteamérica, las autoridades de la Administración de Alimentos y Fármacos de los EE.UU. tomaron el paso radical de emitir una llamada exención por "uso compasivo" para una terapia contra el ébola basada en ARNip llamada TKM-ébola. Aunque los detalles están incompletos, sabemos que se administró TKM-ébola a varios pacientes distintos, y pudo haber tenido un papel en su posterior recuperación.