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Estructura genética

La estructura genética es la organización de elementos de secuencia especializados dentro de un gen . Los genes contienen la mayor parte de la información necesaria para que las...

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La estructura genética es la organización de elementos de secuencia especializados dentro de un gen . Los genes contienen la mayor parte de la información necesaria para que las células vivas sobrevivan y se reproduzcan. [ 1 ] [ 2 ] En la mayoría de los organismos, los genes están formados por ADN, donde la secuencia de ADN particular determina la función del gen. Un gen se transcribe (copia) del ADN a ARN , que puede ser ARN no codificante ( ARNnc ) con una función directa, o un ARN mensajero ( ARNm ) intermedio que luego se traduce en proteína . Cada uno de estos pasos está controlado por elementos de secuencia específicos, o regiones, dentro del gen. Por lo tanto, cada gen requiere múltiples elementos de secuencia para ser funcional. [ 2 ] Esto incluye la secuencia que realmente codifica la proteína funcional o el ARNnc, así como múltiples regiones de secuencia reguladoras . Estas regiones pueden ser tan cortas como unos pocos pares de bases , hasta muchos miles de pares de bases de longitud.

Gran parte de la estructura genética es bastante similar entre eucariotas y procariotas . Estos elementos comunes se deben principalmente al origen común de la vida celular en organismos de hace más de 2000 millones de años. [ 3 ] Las diferencias clave en la estructura genética entre eucariotas y procariotas reflejan sus diferentes mecanismos de transcripción y traducción. [ 4 ] [ 5 ] Comprender la estructura genética es fundamental para comprender la anotación , la expresión y la función de los genes . [ 6 ]

Características comunes

Las estructuras de los genes eucariotas y procariotas involucran varios elementos de secuencia anidados. Cada elemento tiene una función específica en el proceso de expresión génica , que consta de múltiples pasos . Las secuencias y longitudes de estos elementos varían, pero la mayoría de los genes presentan las mismas funciones generales. [ 2 ] Aunque el ADN es una molécula de doble cadena, normalmente solo una de las cadenas codifica la información que la ARN polimerasa lee para producir ARNm codificante de proteínas o ARN no codificante. Esta cadena "codificante" o "de sentido" se extiende en dirección 5' a 3', donde los números se refieren a los átomos de carbono del azúcar ribosa del esqueleto . Por lo tanto, el marco de lectura abierto (ORF) de un gen se representa generalmente como una flecha que indica la dirección en la que se lee la cadena codificante. [ 7 ]

Las secuencias reguladoras se localizan en los extremos de los genes. Estas regiones de secuencia pueden estar junto a la región transcrita (el promotor ) o separadas por muchos kilobases ( potenciadores y silenciadores ). [ 8 ] El promotor se localiza en el extremo 5' del gen y está compuesto por una secuencia promotora central y una secuencia promotora proximal. El promotor central marca el sitio de inicio de la transcripción al unirse a la ARN polimerasa y otras proteínas necesarias para copiar el ADN a ARN. La región promotora proximal se une a factores de transcripción que modifican la afinidad del promotor central por la ARN polimerasa. [ 9 ] [ 10 ] Los genes pueden estar regulados por múltiples secuencias potenciadoras y silenciadoras que modifican aún más la actividad de los promotores al unirse a proteínas activadoras o represoras . [ 11 ] [ 12 ] Los potenciadores y silenciadores pueden estar ubicados a gran distancia del gen, a miles de pares de bases. Por lo tanto, la unión de diferentes factores de transcripción regula la tasa de inicio de la transcripción en diferentes momentos y en diferentes células. [ 13 ]

Los elementos reguladores pueden superponerse, y una sección de ADN puede interactuar con muchos activadores y represores que compiten entre sí, así como con la ARN polimerasa. Por ejemplo, algunas proteínas represoras pueden unirse al promotor central para impedir la unión de la polimerasa. [ 14 ] En genes con múltiples secuencias reguladoras, la tasa de transcripción es el producto de todos los elementos combinados. [ 15 ] La unión de activadores y represores a múltiples secuencias reguladoras tiene un efecto cooperativo en la iniciación de la transcripción. [ 16 ]

Aunque todos los organismos utilizan tanto activadores como represores transcripcionales, se dice que los genes eucariotas están "desactivados por defecto", mientras que los genes procariotas están "activados por defecto". [ 5 ] El promotor central de los genes eucariotas generalmente requiere activación adicional por elementos promotores para que se produzca la expresión. El promotor central de los genes procariotas, por el contrario, es suficiente para una expresión fuerte y está regulado por represores. [ 5 ]

An additional layer of regulation occurs for protein coding genes after the mRNA has been processed to prepare it for translation to protein. Only the region between the start and stop codons encodes the final protein product. The flanking untranslated regions (UTRs) contain further regulatory sequences.[18] The 3' UTR contains a terminator sequence, which marks the endpoint for transcription and releases the RNA polymerase.[19] The 5' UTR binds the ribosome, which translates the protein-coding region into a string of amino acids that fold to form the final protein product. In the case of genes for non-coding RNAs, the RNA is not translated but instead folds to be directly functional.[20][21]

Eukaryotes

The structure of eukaryotic genes includes features not found in prokaryotes. Most of these relate to post-transcriptional modification of pre-mRNAs to produce mature mRNA ready for translation into protein. Eukaryotic genes typically have more regulatory elements to control gene expression compared to prokaryotes.[5] This is particularly true in multicellular eukaryotes, humans for example, where gene expression varies widely among different tissues.[11]

A key feature of the structure of eukaryotic genes is that their transcripts are typically subdivided into exon and intron regions. Exon regions are retained in the final mature mRNA molecule, while intron regions are spliced out (excised) during post-transcriptional processing.[22] Indeed, the intron regions of a gene can be considerably longer than the exon regions. Once spliced together, the exons form a single continuous protein-coding regions, and the splice boundaries are not detectable. Eukaryotic post-transcriptional processing also adds a 5' cap to the start of the mRNA and a poly-adenosine tail to the end of the mRNA. These additions stabilise the mRNA and direct its transport from the nucleus to the cytoplasm, although neither of these features are directly encoded in the structure of a gene.[18]

Prokaryotes

La organización general de los genes procariotas es marcadamente diferente de la de los eucariotas. La diferencia más obvia es que los ORF procariotas a menudo se agrupan en un operón policistrónico bajo el control de un conjunto compartido de secuencias reguladoras. Todos estos ORF se transcriben en el mismo ARNm y, por lo tanto, están corregulados y a menudo cumplen funciones relacionadas. [ 23 ] [ 24 ] Cada ORF normalmente tiene su propio sitio de unión al ribosoma (RBS) de modo que los ribosomas traducen simultáneamente los ORF en el mismo ARNm. Algunos operones también muestran acoplamiento traslacional, donde las tasas de traducción de múltiples ORF dentro de un operón están vinculadas. [ 25 ] Esto puede ocurrir cuando el ribosoma permanece unido al final de un ORF y simplemente se transloca al siguiente sin necesidad de un nuevo RBS. [ 26 ] El acoplamiento traslacional también se observa cuando la traducción de un ORF afecta la accesibilidad del siguiente RBS a través de cambios en la estructura secundaria del ARN. [ 27 ] Tener múltiples ORF en un solo ARNm solo es posible en procariotas porque su transcripción y traducción tienen lugar al mismo tiempo y en la misma ubicación subcelular. [ 23 ] [ 28 ]

La secuencia operadora adyacente al promotor es el principal elemento regulador en procariotas. Las proteínas represoras unidas a la secuencia operadora obstruyen físicamente la enzima ARN polimerasa, impidiendo la transcripción. [ 29 ] [ 30 ] Los ribointerruptores son otra secuencia reguladora importante comúnmente presente en las UTR procariotas. Estas secuencias alternan entre estructuras secundarias alternativas en el ARN dependiendo de la concentración de metabolitos clave . Las estructuras secundarias bloquean o revelan regiones de secuencia importantes, como los sitios de unión al ARN (RBS). Los intrones son extremadamente raros en procariotas y, por lo tanto, no desempeñan un papel significativo en la regulación génica procariota. [ 31 ]

Referencias

Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo una licencia CC BY 4.0 ( 2017 ) ( informes de revisión ): Thomas Shafee; Rohan Lowe (17 de enero de 2017). "Estructura genética eucariota y procariota" (PDF) . WikiJournal of Medicine . 4 (1). doi : 10.15347/WJM/2017.002 . ISSN  2002-4436 . Wikidata  Q28867140 .

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