Cómo se regulan los genes

Para que una célula funcione correctamente, las proteínas necesarias deben sintetizarse en el momento adecuado. Todos los organismos y células controlan o regulan la transcripción y traducción de su ADN en proteínas. El proceso de activar un gen para producir ARN y proteínas se llama expresión génica. Ya sea en un organismo unicelular simple o en un organismo multicelular complejo, cada célula controla cuándo y cómo se expresan sus genes. Para que esto ocurra, debe haber un mecanismo para controlar cuándo se expresa un gen para producir ARN y proteína, qué cantidad de proteína se produce y cuándo es el momento de dejar de producir esa proteína porque ya no es necesaria.

Las células en organismos multicelulares están especializadas; Las células en diferentes tejidos se ven muy diferentes y realizan diferentes funciones. Por ejemplo, una célula muscular es muy diferente de una célula hepática, que es muy diferente de una célula de la piel. Estas diferencias son consecuencia de la expresión de diferentes conjuntos de genes en cada una de estas células. Todas las células tienen ciertas funciones básicas que deben realizar por sí mismas, como convertir la energía en moléculas de azúcar en energía en ATP. Cada célula también tiene muchos genes que no se expresan, y expresa muchos que no son expresados ​​por otras células, de modo que puede llevar a cabo sus funciones especializadas. Además, las células activarán o desactivarán ciertos genes en diferentes momentos en respuesta a cambios en el medio ambiente o en diferentes momentos durante el desarrollo del organismo. Los organismos unicelulares, tanto eucariotas como procariotas, también activan y desactivan genes en respuesta a las demandas de su entorno para que puedan responder a condiciones especiales.

El control de la expresión génica es extremadamente complejo. Las disfunciones en este proceso son perjudiciales para la célula y pueden conducir al desarrollo de muchas enfermedades, incluido el cáncer.

Expresión génica procariota versus eucariota

Para comprender cómo se regula la expresión génica, primero debemos entender cómo un gen se convierte en una proteína funcional en una célula. El proceso ocurre en las células procariotas y eucariotas, solo en modas ligeramente diferentes.

Debido a que los organismos procariotas carecen de un núcleo celular, los procesos de transcripción y traducción ocurren casi simultáneamente. Cuando la proteína ya no es necesaria, la transcripción se detiene. Como resultado, el método principal para controlar qué tipo y cuánta proteína se expresa en una célula procariota es a través de la regulación de la transcripción de ADN en ARN. Todos los pasos posteriores suceden automáticamente. Cuando se requiere más proteína, se produce más transcripción. Por lo tanto, en las células procariotas, el control de la expresión génica es casi completamente a nivel transcripcional.

El primer ejemplo de dicho control fue descubierto usando E. coli en los años 50 y 60 por investigadores franceses y se llama el operón lac. El operón lac es un tramo de ADN con tres genes adyacentes que codifican proteínas que participan en la absorción y el metabolismo de la lactosa, una fuente de alimento para E. coli. Cuando la lactosa no está presente en el ambiente de la bacteria, los genes lac se transcriben en pequeñas cantidades. Cuando la lactosa está presente, los genes se transcriben y la bacteria puede usar la lactosa como fuente de alimento. El operón también contiene una secuencia promotora a la que se une la ARN polimerasa para comenzar la transcripción; entre el promotor y los tres genes hay una región llamada operador. Cuando no hay lactosa presente, una proteína conocida como represor se une al operador y evita que la ARN polimerasa se una al promotor, excepto en casos excepcionales. Por lo tanto, se fabrica muy poco de los productos proteicos de los tres genes. Cuando la lactosa está presente, un producto final del metabolismo de la lactosa se une a la proteína represora y evita que se una al operador. Esto permite que la ARN polimerasa se una al promotor y transcriba libremente los tres genes, permitiendo que el organismo metabolice la lactosa.

Las células eucariotas, por el contrario, tienen orgánulos intracelulares y son mucho más complejas. Recuerde que en las células eucariotas, el ADN está contenido dentro del núcleo de la célula y allí se transcribe en ARNm. El ARNm recién sintetizado se transporta fuera del núcleo al citoplasma, donde los ribosomas traducen el ARNm en proteína. Los procesos de transcripción y traducción están físicamente separados por la membrana nuclear; la transcripción ocurre solo dentro del núcleo, y la traducción solo ocurre fuera del núcleo en el citoplasma. La regulación de la expresión génica puede ocurrir en todas las etapas del proceso. La regulación puede ocurrir cuando el ADN se desenrolla y se suelta de los nucleosomas para unirse a los factores de transcripción (nivel epigenético), cuando el ARN se transcribe (nivel de transcripción), cuando el ARN se procesa y se exporta al citoplasma después de su transcripción (nivel post-transcripcional) , cuando el ARN se traduce en proteína (nivel de traducción), o después de que la proteína se ha hecho (nivel post-traduccional).

La expresión del gen eucariota se regula durante la transcripción y el procesamiento del ARN, que tiene lugar en el núcleo, así como durante la traducción de proteínas, que tiene lugar en el citoplasma. Regulación adicional puede ocurrir a través de modificaciones post-traduccionales de proteínas.

CONEXIÓN DE EVOLUCIÓN: Empalme de ARN alternativo

En la década de 1970, se observaron por primera vez genes que exhibían empalmes de ARN alternativos. El corte y empalme de ARN alternativo es un mecanismo que permite que se produzcan diferentes productos proteicos a partir de un gen cuando se eliminan diferentes combinaciones de intrones (y a veces exones) de la transcripción. Este empalme alternativo puede ser aleatorio, pero con mayor frecuencia se controla y actúa como un mecanismo de regulación génica, con la frecuencia de diferentes alternativas de empalme controladas por la célula como una forma de controlar la producción de diferentes productos proteicos en diferentes células, o en Diferentes etapas de desarrollo. El empalme alternativo ahora se entiende como un mecanismo común de regulación génica en eucariotas; Según una estimación, el 70% de los genes en humanos se expresan como proteínas múltiples a través de empalmes alternativos.

Los segmentos de pre-ARNm con exones que se muestran en azul, rojo, naranja y rosa pueden empalmarse para producir una variedad de nuevos segmentos maduros de ARNm.

¿Cómo podría evolucionar el empalme alternativo? Los intrones tienen una secuencia de reconocimiento inicial y final, y es fácil imaginar la falla del mecanismo de empalme para identificar el final de un intrón y encontrar el final del siguiente intrón, eliminando así dos intrones y el exón interviniente. De hecho, existen mecanismos para prevenir tal omisión de exón, pero es probable que las mutaciones conduzcan a su falla. Tales "errores" probablemente producirían una proteína no funcional. De hecho, la causa de muchas enfermedades genéticas es el empalme alternativo en lugar de las mutaciones en una secuencia. Sin embargo, el empalme alternativo crearía una variante de proteína sin la pérdida de la proteína original, abriendo posibilidades para la adaptación de la nueva variante a nuevas funciones. La duplicación de genes ha jugado un papel importante en la evolución de nuevas funciones de manera similar, al proporcionar genes que pueden evolucionar sin eliminar la proteína funcional original.

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