Una revisión a fondo sobre cómo funciona la transcripción. Iniciación (promotores), elongación y terminación.

Puntos más importantes:

  • La transcripción es el proceso en el que la secuencia de ADN de un gen se copia (transcribe) para hacer una molécula de ARN.
  • La ARN polimerasa es la principal enzima de la transcripción.
  • La transcripción comienza cuando la ARN polimerasa se une a una secuencia llamada promotor cerca del inicio de un gen (directamente o a través de las proteínas auxiliares).
  • La ARN polimerasa utiliza una de las cadenas de ADN (la cadena o hebra molde) como plantilla para hacer una nueva molécula de ARN complementaria.
  • La transcripción termina en un proceso llamado terminación. La terminación depende de secuencias en el ARN que señalan el fin de la transcripción.

Introducción

¿Qué hace que las setas de la muerte sean tan mortíferas? Estos hongos obtienen sus efectos letales al producir una toxina en específico que se une a una enzima fundamental en el cuerpo humano: la ARN polimerasa.1^1
Fotografía de hongos Amanita phalloides (seta de la muerte)
_Imagen modificada de "Amanita phalloides", por Archenzo (CC BY-SA 3.0). La imagen modificada se encuentra bajo una licencia CC BY-SA 3.0._
La ARN polimerasa es fundamental porque lleva a cabo la transcripción, el proceso de copiar el ADN (ácido desoxirribonucleico, el material genético) en ARN (ácido ribonucleico, una molécula similar pero que dura menos).
La transcripción es un paso esencial en el uso de la información de los genes en nuestro ADN para fabricar proteínas. Las proteínas son las moléculas clave que le dan estructura a las células y las mantienen activas. El bloquear la transcripción con la toxina del hongo causa insuficiencia hepatica y la muerte porque ya no se pueden hacer nuevos ARNs, y por lo tanto tampoco nuevas proteínas.
La transcripción es esencial para la vida, y comprender cómo funciona es importante para la salud humana. Echemos un vistazo a lo que sucede durante la transcripción.

Visión general de la transcripción

La transcricpión es el primer paso de la expresión génica. Durante este proceso, la secuencia de ADN de un gen se copia para formar un ARN.
Antes de que pueda darse la transcripción, la doble hélice del ADN se debe desenrollar cerca del gen que se va a transcribir. La región de ADN que se abre se llama una burbuja de transcripción.
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 la traducción, el transcrito de ARN se lee para producir un polipéptido.
Ejemplo:
Transcrito de ARN: 5'-AUG AUC UCG UAA-3' Polipéptido: (extemo amino) Met - Ile - Ser - [ALTO] (extremo carboxilo)
La transcripción utiliza una de las dos hebras expuestas de ADN como plantilla; esta hebra se conoce como la hebra molde. El producto de ARN es complementario a la hebra molde y es casi idéntico a la otra hebra de ADN, llamada hebra no molde (o codificante). Sin embargo, hay una diferencia importante: en el ARN recién hecho, todos los nucleótidos T han sido sustituidos por nucleótidos U.
El sitio en el ADN del que se transcribe el primer nucleótido se conoce como el sitio +1+1, o sitio de iniciación. Los nucleótidos que están antes del sitio de iniciación reciben números negativos y se dice que están aguas arriba. Los nucleótidos que se ubican después del sitio de iniciación se marcan con números positivos y se dice que están agua abajo.
Si el gen que se transcribe codifica una proteína (que es lo que muchos genes hacen), la molécula de ARN se leerá para hacer una proteína en un proceso llamado traducción.
Las células eucariontes, como las de nuestro cuerpo, hacen unos pasos de procesamiento adicionales entre la transcripción y la traducción. Puedes aprender más acerca de ellos en el artículo sobre procesamiento de ARN, pero no debes preocuparte por ellos en este momento.

La ARN polimerasa

Las ARN polimerasas son enzimas que transcriben el ADN en ARN. Mediante un molde de ADN, la ARN polimerasa contruye una nueva molécula de ARN a través del apareamiento de bases. Por ejemplo, si hay una G en el molde de ADN, la ARN polimerasa agregará una C a la nueva cadena creciente de ARN.
La ARN polimerasa sintetiza una cadena de ARN complementaria a la cadena molde de ADN. Esta 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'
La ARN polimerasa siempre construye una nueva cadena de ARN en la dirección 5' a 3'. Es decir, solo puede agregar nucelótidos (A,U, G, o C) al extremo 3' de la cadena.
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.
Las ARN polimerasas son enzimas grandes con varias subunidades, incluso en organismos simples como las bacterias. Además, los humanos y otros eucariontes tiene tres tipos diferentes de ARN polimerasas: I, II, y III. Cada una se especializa en la trancripción de cierta clase de genes.

Iniciación de la transcripción

Para comenzar la transcripción de un gen, la ARN polimerasa se une al ADN del gen en una región llamada el promotor. Básicamente, el promotor le dice a la polimerasa donde "sentarse" sobre el ADN y comenzar a transcribir.
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 inciar la transcripción.
Cada gen (o en las bacterias, cada grupo de genes que se transcriben juntos) tiene su propio promotor. Un promotor contiene secuencias de ADN que le permiten a la ARN polimerasa o a sus proteínas auxiliares unirse al ADN. Una vez formada la burbuja de transcripción, la polimerasa puede comenzar a transcribir.

Promotores en bacterias

Para tener una mejor idea de cómo funciona un promotor, veamos un ejemplo en bacterias. El promotor típico bacteriano contiene dos secuencias de ADN importantes, los elementos 1010 y 3535.
ARN polimerasa reconoce y se une directamente a estas secuencias. Las secuencias posicionan a la polimerasa en el lugar correcto para iniciar la transcripción de un gen objetivo, y también aseguran que esté apuntando en la dirección correcta.
Básicamente, la parte posterior de la enzima se une al elemento 3535, mientras que la parte delantera se une al elemento 1010. De esta manera, la ARN polimerasa solo puede unirse al promotor apuntando en una dirección determinada, de frente hacia la región que será transcrita.
Una vez que se ha unido la ARN polimerasa, la enzima puede abrir el ADN y comenzar a trabajar. La apertura del ADN ocurre en el elemento 1010, donde es fácil separar las cadenas debido a la gran cantidad de As y Ts (que se unen entre sí con solo dos puentes de hidrógeno, en lugar de los tres puentes de hidrógeno de Gs y Cs).
Promotor bacteriano. El promotor se encuentra al inicio de la región transcrita, abarca el ADN previo y sobrelapa ligeramente con el sitio de inicio de la transcripción. El promotor contiene dos elementos, el elemento -35 y el elemento -10. El elemento -35 se ubica 35 nucleótidos río arriba (antes) del sitio de inicio de la transcripción (+ 1), mientras que el elemento -10 se ubica 10 nucleótidos antes del sitio de inicio de la transcripción. En este ejemplo particular, la secuencia del elemento -35 (sobre la cadena codificante) es 5'-TTGACG-3 ', mientras que la secuencia del elemento -10 (sobre la cadena codificante) es 5'-TATAAT-3'. La ARN polimerasa tiene regiones que se unen específicamente a los elementos -10 y -35.
Los elementos 1010 y 3535 reciben sus nombres del hecho de estar 3535 y 1010 nucleótidos antes del sitio de iniciación (+1+1 en el ADN). El signo de menos solo significa que están antes, no después, de este sitio.

Los promotores en los seres humanos

En eucariontes, como los seres humanos, la principal ARN polimerasa en las células no se une directamente a los promotores como la ARN polimerasa de bacterias, sino que proteínas auxiliares llamadas factores basales (generales) de la transcripción se unen primero al promotor y ayudan a la ARN polimerasa de las células a sujetarse del ADN.
Muchos promotores eucariontes tienen una secuencia llamada un caja TATA que juega un papel muy parecido al elemento 1010 en las bacterias. La reconoce uno de los factores generales de transcripción, y esto permite que se unan otros factores de transcripción y finalmente la ARN polimerasa. Contiene además muchas As y Ts, lo que facilita la separación de las hebras de ADN.
Se muestra el promotor de un gen eucarionte. El promotor se encuentra río arriba y sobrelapa ligeramente con el sitio de inicio de la transcripción (+1). El promotor contiene una caja TATA, que tiene la secuencia (en la cadena codificante) 5'-TATAAA-3'. El primer factor general de la transcripción eucarionte se une a la caja TATA. Luego se unen otros factores transcripcionales generales. Al final, la ARN polimerasa II y algunos factores transcripcionales adicionales se unen al promotor.

Elongación

Una vez colocada la ARN polimerasa en su posición sobre el promotor, puede comenzar el siguiente paso de la trascripción: la elongación. La elongación básicamente es la etapa donde la hebra de ARN se alarga al agregar nuevos nucleótidos.
Durante la elongación, la ARN polimerasa "camina" sobre una hebra del ADN, conocida como la hebra molde, en la dirección 3' a 5'. Por cada nucleótido en el molde, la ARN polimerasa agrega un nucleótido de ARN correspondiente (complementario) al extremo 3' de la hebra de ARN.
Aquí tenemos la reacción que agrega un nucleótido de ARN a la cadena:
La reacción de polimerización en la cual se añade un nucleótido trifosfato de ARN a la cadena de ARN existente. El nucleótido trifosfato de ARN tiene una serie de tres grupos fosfato unidos a él. El grupo fosfato más cercano al nucleótido reacciona con el hidroxilo 3' del nucleótido que está al final de la cadena existente y forma un enlace fosfodiéster que une el nuevo nucleótido al final de la cadena. En este proceso se libera un pirofosfato (molécula compuesta por dos grupos fosfato) que luego se separa en dos fosfatos inorgánicos individuales. En general, esta reacción solo se produce cuando el nucleótido entrante es complementario al siguiente nucleótido expuesto en la cadena de ADN que sirve como molde en la síntesis del ARN.
La cadena de ARN es similar a la de ADN, excepto que contiene la base uracilo en lugar de timina y sus azúcares son ribosas (que tienen un grupo hidroxilo en el carbono 2') en lugar de desoxirribosas.
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')
El transcrito de ARN tiene una secuencia casi idéntica a la hebra de ADN no molde o codificante. Sin embargo, las cadenas de ARN tienen la base uracilo (U) en lugar de timina (T), así como un azúcar ligeramente diferente en el nucleótido. Así, tal como se muestra en el diagrama anterior, cada T de la cadena codificante se sustituye con una U en el transcrito de ARN.
Nucleótido de ADN: carece de un grupo hidroxilo en el carbono 2' del azúcar (es decir, el azúcar es una desoxirribosa). Contiene una base timina que tiene un grupo metilo unido a su anillo.
Nucleótido de ARN: tiene un grupo hidroxilo en el carbono 2' del azúcar (es decir, el azúcar es una ribosa). Contiene una base uracilo que es muy similar en estructura a la timina, pero no tiene un grupo metilo unido a su anillo.
Imagen que se basa en una imagen similar de CyberBridge 3^3.
Los nucleótidos de ARN son similares a los nucleótidos de ADN, pero no idénticos. Estos contienen un azúcar ribosa en lugar de la desoxirribosa del ADN, por lo que tienen un grupo hidroxilo en el carbono 2' del anillo del azúcar. Además, el ARN no tiene T (timina). En su lugar, los nucleótidos de ARN contienen la base uracilo (U), que es estructuralmente similar a la timina y forma pares de bases complementarias con la adenina (A).
La siguiente imagen muestra muchas ARN polimerasas que transcriben el ADN al mismo tiempo, cada una con una "cola" de ARN . Las polimerasas cerca del inicio del gen tienen colas de ARN cortas, que se van alargando cada vez más conforme la polimerasa transcribe más del gen.
En la imagen de microscopía que se muestra aquí, muchas ARN polimerasas transcriben un mismo gen al mismo tiempo. Las cadenas de ARN son más cortas cerca del comienzo del gen y se vuelven más largas a medida que las polimerasas se acercan al final del gen. Este patrón crea una estructura en forma de árbol de navidad formada de los transcritos de ARN que salen del ADN del gen.
_Imagen modificada de "Transcription label en", por el Dr. Hans-Heinrich Trepte (CC BY-SA 3.0). La imagen modificada se encuentra bajo una licencia CC BY-SA 3.0._

Terminación de la transcripción

La ARN polimerasa seguirá transcribiendo hasta que reciba la señala para parar. El proceso de finalizar la transcripción se conoce como terminación, y sucede una vez que la polimerasa transcribe una secuencia de ADN llamada terminador.

Terminación en bacterias

Existen dos principales estrategias de terminación en bacterias: la rho-depediente y la rho-independiente.
En la terminación rho-dependiente, el ARN contiene un sitio de unión para una proteína llamada factor rho. El factor rho se une a esta secuencia y comienza a "desplazarse" por el transcrito hacia la ARN polimerasa.
Terminación rho-dependiente. El terminador es una región de ADN que incluye la secuencia que codifica para el sitio de unión de rho en el ARNm, así como el verdadero punto de alto (que es una secuencia que causa que la polimerasa se detenga para que rho la pueda alcanzar). Rho se une al sitio de unión de rho, y se desplaza sobre el transcrito de ARN, en la dirección 5' a 3', hacia la burbuja de transcripción donde está la polimerasa. Cuando llega hasta ella, causará la liberación del transcrito, lo que finaliza la transcripción.
Cuando alcanza a la polimerasa en la burbuja de transcripción, rho separa el transcrito de ARN del molde de ADN y libera la molécula de ARN, de tal forma que termina la transcripción. Otra secuencia que se encuentra más adelante en el ADN, conocida como el punto de terminación de la transcricpión, provoca que la ARN polimerasa haga una pausa y así ayuda a que rho la alcance.4^4
La terminación rho-independiente depende de secuencias específicas en la hebra molde del ADN. Conforme la ARN polimerasa se acerca al final del gen que se está transcribiendo, llega a una región rica en nucleótidos C y G. El ARN transcrito de esta región se dobla sobre sí mismo y los nucleótidos G y C complementarios se unen entre sí. Esto da como resultado una horquilla estable que causa que la polimerasa se detenga.
Terminación independiente de Rho. La secuencia terminador del ADN codifica una región de ARN que se pliega sobre sí misma para formar una horquilla. De la horquilla sigue una serie de nucleótidos U en el ARN (no se muestran). La horquilla causa que la polimerasa se detenga, y la débil unión entre los nucleótidos A del molde de ADN y los nucleótidos de U del transcrito de ARN permite que el transcrito se separe del molde, lo que finaliza la transcripción.
En un terminador, a la horquilla le sigue un tramo de nucleótidos U en el ARN, que se emparejan con nucleótidos A en la plantilla de ADN. La región complementaria de U-A del transcrito de ARN forma solo una débil interacción con la plantilla de ADN. Esto, junto con la polimerasa detenida, produce suficiente inestabilidad para que la enzima caiga y se libere el nuevo transcrito de ARN.
En eucariontes, la terminación de la transcripción ocurre de forma diferente según el tipo de gen que esté implicado. Aquí veremos cómo funciona la terminación para los genes que codifican para proteínas.
Nota: este es un mecanismo bastante raro. No tiene sentido completamente ni para los biólogos que lo estudian a profundidad. ¡Has sido advertido!
La terminación comienza cuando aparece una señal de poliadenilación en el transcrito de ARN. Se trata de una secuencia de nucleótidos que indica cuándo debe terminar un transcrito de ARN. La señal de poliadenilación es reconocida por una enzima que corta el transcrito de ARN y lo libera de la ARN polimerasa.
Curiosamente, la ARN polimerasa sigue transcribiendo después de que se libera el transcrito, y frecuentemente fabrica ARN de una longitud de nucleótidos hasta de 500500 2,2,000000 5^5. Finalmente se despega del ADN a través de mecanismos que todavía no se entienden por completo6^6. El ARN adicional generalmente no se traduce y parece un subproducto de desperdicio de la transcripción.

¿Qué le sucede al transcrito de ARN?

Después de la terminación, la transcripción ha concluido. Un transcrito de ARN que está listo para su uso en la traducción se conoce como ARN mensajero (ARNm). En bacterias, los transcritos de ARN están listos para su traducción inmediatamente después de la transcripción. De hecho, están listos un poco antes que eso: ¡la traducción puede comenzar cuando no ha terminado la transcripción todavía!
En el siguiente diagrama, los ARNm se están transcribiendo a partir de varios genes diferentes. Aunque la transcipción sigue en curso, los ribosomas se han unido a cada ARNm y han comenzado a traducirlo en proteína. Cuando un ARNm está siendo traducido por varios ribosomas, se dice que el ARNm junto con los ribosomas forman un polirribosoma.
La ilustración muestra varios ARNm que se transcriben a partir de genes. Los ribosomas se unen a los ARNm antes de que termine la transcripción y comienzan a fabricar proteína.
Imagen modificada de "Transcripción en procariontes: Figura 3, por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0.
¿Por qué pueden suceder simultáneamente la transcripción y la traducción en un ARN de bacterias? Un motivo es que estos procesos ocurren en la misma dirección 5' a 3'. Eso significa que uno puede seguir o "perseguir" al otro que sigue en curso. Además, en bacterias no hay compartimentos membranosos internos que separen la transcripción de la traducción.
El asunto es distinto en las células de seres humanos y demás eucariontes, Esto se debe a que la transcripción sucede en el núcleo de las células humanas, mientras que la traducción sucede en el citosol. Además, en eucariontes las moléculas de ARN tienen que pasar por pasos de procesamiento especiales antes de la traducción. Eso significa que la traducción no puede iniciar hasta que hayan finalizado completamente la transcripción y el procesamiento de ARN. Puedes conocer más sobre estos pasos en el video sobre transcripción y procesamiento del ARN.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de los siguientes artículos:
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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