La expresión genética es uno de los procesos más importantes en la genética, ya que se encarga de regular la cantidad de producto génico existente, el cual necesita ir variando dependiendo del momento y las necesidades del organismo.
- Niveles en relación a la regulación de la expresión genética
Encontramos varios niveles en cuanto a la regulación de la expresión genética, siendo estos:
. Prenuclear (activación, señalización e inducción de factores citoplasmáticos).
. Pretranscripcional (modificaciones de las histonas, epigenética). Se da a nivel de cromatina, modificando la accesibilidad a las secuencias a transcribir mediante acetilación y metilación.
. Transcripcional (factores de transcripción y promotores).
. Postranscripcional y de traducción (modificaciones de mRNA, estabilidad y regulación de factores de traducción).
A partir de ahora nos centraremos en los mecanismos existentes para la regulación de la expresión génica a nivel prenuclear y pretranscripcional.
- Regulación prenuclear de la expresión génica
La regulación de la expresión génica a nivel prenuclear consiste en la señalización, la activación y la inducción de factores citoplasmáticos que penetran en el núcleo para regular la transcripción.
Entre dichos factores, destacan los esteroides, los factores de crecimiento, las hormonas, el Ca2+, las citocinas y los estímulos mecánicos y lumínicos.
- Regulación pretranscripcional o nuclear de la expresión génica
La regulación pretranscripcional puede resumirse en los siguientes tres puntos:
. La cromatina altamente compactada se convierte en inaccesible a los factores de transcripción.
. Los sistemas en eucariotas han desarrollado mecanismos para superar esta barrera por desestructuración nucleosomal dependiente de ATP.
. Epigenética. Varias clases de enzimas pueden modificar las histonas mediante reacciones de acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitinización, sumoilación y ADP-ribosilación.
+ Retirada de proteínas y desestructuración nucleosomal
El inicio de la transcripción requiere que la maquinaria molecular responsable (la ARNpolimerasa y los factores de transcripción) pueda acceder físicamente a las bases de la hebra de ADN que se ha de transcribir. Ello supone la descondensación previa del cromosoma durante la interfase del ciclo de división celular.
La transcripción no puede tener lugar sobre ADN en estados de condensación superiores a la fibra de 10nm (“collar de perlas”). En ocasiones, el ADN se puede transcribir cuando se encuentra asociado a octámeros de histonas (nucleosomas), pero normalmente es necesario que éstos se desensamblen para permitir el acceso del ADN.
En general, la accesibilidad del ADN a la transcripción, o “actividad transcripcional de la cromatina”, está relacionada estrechamente con el grado de condensación y puede valorarse experimentalmente por la sensibilidad del ADN a la acción de ADNasas.
En el acceso de la ARN-polimerasa al ADN pueden darse tres situaciones:
. Posición relativa de los nucleosomas
En ciertas ocasiones, no es necesario el desensamblaje de los nucleosomas porque las secuencias a transcribir se encuentran en regiones internucleosómicas (ADN espaciador o “linker”) o porque forman parte del nucleosoma y quedan orientadas en su superficie externa.
. Retirada de los nucleosomas
Tanto el reconocimiento de las secuencias promotoras por los factores de transcripción como la unión y el avance de la ARN-polimerasa pueden requerir la liberación de las histonas, o al menos el desplazamiento de los nucleosomas, para hacer al ADN accesible. Existen proteínas (“complejos de remodelación de la cromatina”, CRC) capaces de efectuar este “remodelado de la cromatina” gracias a la hidrólisis de ATP.
. Avance compatible con la presencia de nucleosomas
Cuando las secuencias a transcribir se encuentran en regiones de ADN con nucleosomas íntegros, la ARN-polimerasa se desplaza a lo largo de la fibra de 10nm gracias a un desensamblado parcial y reversible de los nucleosomas.
Al acercarse la ARN-polimerasa, el nucleosoma se desensambla parcialmente. Concretamente, se ha sugerido que se desplaza la mitad de las histonas de la partícula núcleo (H2A-H2B). Una vez que la enzima ha transcrito ese tramo de ADN se reconstruye el nucleosoma.
Una vez vistas las distintas situaciones que pueden darse en la cromatina, los sitios de unión de los componentes del complejo de iniciación de la transcripción al ADN son expuestos de la siguiente manera:
. Conformación inactiva de la cromatina
La cromatina nativa no puede ser transcrita, ya que los sitios de unión al ADN son inaccesibles. Para ello, actúan los complejos de remodelación de la cromatina (CRC), que alteran o desplazan a los nucleosomas, haciendo accesible al ADN.
. Unión de CRC
El CRC se une al nucleosoma y, mediante una reacción dependiente de ATP, lleva a cabo la remodelación de la cromatina mediante la modificación de los nucleosomas, tal y como se ha explicado en el punto anterior.
. Exposición de los sitios de unión
Tras la acción del complejo de remodelación de la cromatina (CRC), quedan expuestos los sitios de unión de la proteína TAP (proteína activadora de la transcripción) y los sitios de unión de la proteína TBP (Proteína de unión a la caja TATA).
. Conformación activa de la cromatina
La proteína activadora de la transcripción (TAP) se une a su secuencia diana en el ADN. A su vez, atrae al factor de transcripción TFII D y a la proteína TBP (proteína de unión a la caja TATA) hacia la secuencia de la caja TATA. La holoenzima ARN-polimerasa se unirá a este complejo para iniciar la transcripción.
+ Epigenética
La epigenética hace referencia a aquellos cambios en el material genético que, sin afectar a la secuencia de ADN (no son mutacionales), alteran la expresión de los genes y son heredables durante la división celular somática (en algunos casos en línea celular germinal).
La impronta (o “sellado”) es un tipo especial de herencia epigenética que es transmitida a través de la línea germinal hasta tejidos somáticos de la progenie y que es específica del progenitor (vía paterna o materna). Tanto los mecanismos genéticos como los epigenéticos son heredables, aunque actualmente se entienden mucho mejor los mecanismos de herencia genética.
Entre los fenómenos epigenéticos que se sabe que influyen en la expresión génica (con impronta) encontramos: la metilación genómica, las modificaciones químicas en histonas y los factores trans-reguladores que reconocen diferencialmente modificaciones en el ADN o en la estructura de la cromatina de la línea paterna o materna.
Las modificaciones covalentes de las histonas pueden regular la expresión de los genes que se encuentran en su proximidad. Distinguimos la acetilación, la metilación, la ubiquitinización, la sumoilación y la fosforilación de histonas.
. Metilación de las histonas
La metilación no es un fenómeno exclusivo de los ácidos nucleicos. En las proteínas se pueden incorporar grupos metilo en el ε-amino de una cadena de Lys o en el γ- carboxilo de un Glu.
La reacción está catalizada por metiltransferasas que utilizan SAM (S-adenosil-Lmetionina) como el donador de los metilos. En el caso de la Lys se pueden incorporar hasta 3 metilos en el mismo grupo amino.
Ejemplos de proteínas que sufren este tipo de modificaciones son la histona H3, algunas proteínas musculares, el citocromo c y la calmodulina.
La metilación de citosina y de histonas es reversible por medio de reacciones de desmetilación por hidroxilación.
El grado de acetilación de las histonas determina su afinidad al ADN y, por tanto, el grado de condensación y la accesibilidad a la hora de transcribir los genes.
En el caso de un bajo grado de acetilación, a pH fisiológico, los grupos amino primarios de la cadena lateral de lisina se encuentran protonados. La existencia de múltiples Lys y Arg en cada histona les confiere una fuerte carga positiva, lo que determina su interacción con el ADN.
Así, un bajo grado de acetilación implica una cromatina más condensada, transcripcionalmente inactiva (ya que los genes se encuentran reprimidos, no se expresan).
Por otro lado, en el caso de un alto grado de acetilación, La acetilación de las lisinas produce grupos amida, que no se protonan a pH fisiológico. Las histonas pierden así cargas positivas. Como consecuencia, la cromatina se descondensa más fácilmente.
Así, un alto grado de acetilación implica una cromatina menos condensada, transcripcionalmente activa (ya que los genes se encuentran activos, se expresan).
. Efectos de la metilación y la acetilación
La forma más compactada, inexpresiva y estable de la cromatina es la metilada y la no-acetilada. La forma más abierta, expresiva e inestable es la cromatina no-metilada y acetilada.
+ La impronta
La impronta genética o "imprinting" es un fenómeno genético por el cual ciertos genes son expresados de un modo específico que depende del sexo del progenitor: un gen o dominio genómico se encuentra marcado bioquímicamente indicando su origen parental.
Las improntas pueden ser covalentes (por metilación de ADN) o no covalentes (por interacciones proteína-ADN, ADN-ARN o localización genómica en el espacio nuclear), y requieren de una maquinaria enzimática nuclear que mantiene estas marcas epigenéticas a lo largo del ciclo celular.
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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, Graduado en Biología por la Universidad de Málaga.