EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

1.- Ciclo del material genético

El material genético de cualquier organismo (procarionte o eucarionte) está sometido a una serie de procesos cíclicos que aseguran la realización de sus dos funciones esenciales: (1 ) la transmisión entre generaciones de la información genética con fidelidad y (2) la expresión de ésa información genética con precisión para que pueda cumplir la misión para la que ha sido seleccionada. Por consiguiente, el ciclo del material genético comprende tres procesos: (1) replicación del material genético para su transmisión en copias idénticas a la descendencia, (2) transcripción del material genético que se transmite entre generaciones para sintetizar el material genético que asegura la expresión de la información en la célula y (3) traducción de la información genética de la forma de ácido nucleico a la forma de proteínas. Estos tres procesos ocurren independientemente de cuál sea la molécula transmisora principal de la información genética entre generaciones (ADN en la mayoría de los casos y ARN en el caso de los virus de ARN) y son esencialmente iguales en procariontes y en eucariontes.

1.1.- Replicación: La replicación del material genético es un proceso complejo en el que participa un gran número de proteínas que reconocen la molécula de material genético y llevan a cabo la polimerización de otras moléculas complementarias cada una de sus hebras de forma que, al final, se logra disponer de dos moléculas idénticas (salvo errores denominados mutaciones) a la inicial. El proceso presenta ciertas diferencias según el material genético que se transmite entre generaciones sea ADN o A RN y, en el primer caso, si el organismo es eucarionte o procarionte.

1.1. 1.- Replicación del ADN procariótico. En este proceso interviene un grupo de enzimas conocido genéricamente como ADN polimerasa. Este complejo multienzimático va incorporando nucleótidos a la cadena que se va sintetizando utilizando como molde una de las hebras de la cadena antigua. Esta polimerización se produce añadiendo nuevos nucleótidos al extremo 3' de una hebra de ADN en crecimiento. Por ello se dice que la síntesis del ADN se produce en dirección 5'<3' mientras la ADN polimerasa va leyendo la hebra molde en dirección 3'o5'.

Por consiguiente, para que se produzca la síntesis de ADN por la ADN polimerasa, además de la enzima que realiza la polimerización en sí, es necesario otro juego de proteínas que van desenrollando la doble hélice de ADN delante de la ADN polimerasa para permitir que ésta funcione. Estas enzimas se denominan genéticamente topoisomerasas y girasas. La acción de las topoisomerasas y girasas permite abrir unas burbujas en la doble hélice de ADN en las que entra el complejo de la ADN polimerasa y realiza la polimerización.

Sin embargo, la ADN polimerasa no es capaz de iniciar la polimerización del ADN sino que solamente es capaz de continuarla. Para que la ADN polimerasa funcione es necesario que exista un extremo 3' libre al que añadir un nuevo nucleótido. ¿Quién pone ese extremo 3' libre?. En todos los casos (salvo algunas excepciones de ciertos virus) ése extremo 3' viene de una pequeña cadena de ARN que se ha sintetizado como paso inicial de la replicación del ADN. Por consiguiente, la replicación del ADN comienza con la síntesis de una pequeña molécula de ARN que luego continúa como molécula de ADN. Esta pequeña molécula de ARN se denomina cebador o primer„ y es sintetizada por otro complejo multienzimático denominado ARN polimerasa.

La síntesis de ADN (replicación) va procediendo detrás de la horquilla que se forma en el punto en que se van abriendo las dos hebras de ADN molde por acción del complejo de girasas y topoisomerasas. De esta forma, la hebra que se va sintetizando es continua. Sin embargo, la hebra que se sintetiza usando como molde la complementaria de la anterior no puede ser continua porque la acción de las topoisomerasas y girasas se produce detrás del punto de origen de la transcripción. Por esto, de las dos hebras hijas, una será continua y l a otra discontinua. Los fragmentos de ésta última se unirán entre sí mediante la acción de otra enzima denominada ADN ligasa que une los fragmentos anteriores.

En las bacterias, cuyo material genético es cerrado, no tiene extremos, sólo existe un origen de replicación del ADN en cada molécula de ADN. Esto es válido para los plásmidos y para los cromosomas bacterianos. Asimismo, esto se cumple también en el ADN de los orgánulos celulares procarióticos presentes en las células eucarióticas.

1 12.- Replicación del ADN eucariótico. La replicación del ADN eucariótico es esencialmente igual a la del procariótico aunque presenta ciertas diferencias los cromosomas eucarióticos son abiertos, en lugar de cerrados, y el número de orígenes de transcripción es múltiple en cada cromosoma en lugar de tener uno solo por cromosoma.

1.1.3.- Replicación del material genético de los virus de ARN. Los virus de ARN tienen esta molécula como transmisora de la in formación genética entre generaciones. Para la transmisión de las copias de información genética entre los descendientes es necesario que el ARN del virus que infecta una célula se transcriba, en primer lugar, en una molécula de ADN que servirá como molde para la copia de muchas moléculas de ARN que formarán la descendencia. Esta transcripción de ARN a ADN se produce en dirección opuesta a la transcripción clásica que hemos descrito antes (ADN < ARN) y se lleva a cabo por un complejo multienzimático en el que el constituyente principal es la enzima denominada transcriptasa reversa.

1.2.- Transcripción: es el proceso por el que se transmite la in formación contenida en el ADN al ARN. Este proceso se lleva a cabo por la ARN polimerasa que utiliza como molde una de las dos hebras del ADN, la denominada hebra codificante. Durante el proceso de transcripción se reconoce un sitio específico de la molécula de ADN en el que se van a unir las enzimas del complejo de ARN polimerasa. Este sitio específico se denomina promotor del gen y permite que se produzca la transcripción. Genes sin promotores no pueden ser transcritos aunque un promotor puede servir para transcribir varios genes seguidos que forman lo que se denomina un operón.

En células procarióticas existe una serie de proteínas que pueden un irse a la ARN polimerasa controlando a qué promotores se puede unir ésta y regulando así la expresión génica. Estas proteínas se denominan factores sigma. En células eucarióticas la unión de la ARN polimerasa a un promotor o a otro viene regulada por la unión de otras muchas proteínas que, de alguna forma, dirigen la unión de la polimerasa al promotor conveniente.

No todas las moléculas de ARN que se sintetizan en una célula van a ser traducidas en proteínas. La gran mayoría de las moléculas de ARN tienen otras funciones estructurales o enzimáticas diferentes de la transmisión de la información genética. Son las moléculas de ARN transferente (que sirve para activar los aminoácidos de manera que puedan ser polimerizados en proteínas) y las de ARN ribosomal que sirven para que estos orgánulos celulares puedan desarrollar su función. Constantemente se van encontrando nuevas moléculas de ARN con función diferente a la de transmisión de la información genética. En cualquier caso, éstas moléculas especiales de ARN son sintetizadas por un procedimiento de transcripción similar al descrito aunque el complejo enzimático de la ARN polimerasa pueda ser algo diferente.

1.3.- Traducción: Es el proceso por el que la información genética con tenida en el ADN y transcrita en una ARN mensajero va a ser útil izada para sintetizar una proteína. El proceso de lleva a cabo en los ribosomas.

Para que un ribosoma pueda reconocer una ARN mensajero y utilizarlo para sintetizar una proteína, el ARN tiene que contener, además de la serie de nucleótidos que llevan la secuencia de la proteína, otras secuencias que permitan al ribosoma unirse al ARN, saber dónde ha de iniciarse la traducción de la secuencia (el denominado codón de iniciación), saber dónde debe terminar la traducción (codón de terminación) y saber en qué punto de la molécula de ARN mensajero deben separarse éste y el ribosoma.

Los ribosomas de las células procarióticas son diferentes de los de l as células eucarióticas como puede comprobarse por su diferente susceptibilidad a antibióticos ribosomales. Por otra parte, la traducción en células procarióticas ocurre simultáneamente a la transcripción del gen, mientras que en las células eucarióticas, la traducción se produce sólo una vez que el ARN mensajero ha llegado al citoplasma y a la zona donde se encuentran los ribosomas, por lo que nunca es simultánea con la transcripción.

La traducción del mensaje genético desde el ARNm hasta una proteína no es suficiente, en algunos casos, para que se exprese correctamente. Es necesario que el polipéptido que se va sintetizan do por el ribosoma se pliegue de forma adecuada para que pueda desarrollar su función biológica correctamente; sin embargo, en muchos casos esto no ocurre de una manera completamente espontánea: es necesario el concurso de un grupo de proteínas esenciales denominadas chaperoninas (anglicismo que viene a significar proteínas tutoras o, si se quiere, tutorinas) que ayudan al péptido naciente a adquirir la configuración tridimensional correcta. Estas proteínas son muy importantes, por otra parte, para corregir errores pequeños que se produzcan en proteínas maduras y que causan su inactivación o bajada de rendimiento.

1.3.1.- Modificaciones del ARN mensajero: Tiene que producirse una serie de modificaciones en el ARN mensajero para que pueda ser traducido correctamente. En las células eucarióticas las moléculas de ARN deben ser trasladadas del núcleo, donde ocurre la transcripción, al citoplasma, donde ocurre la traducción. Por otra parte, l os genes de organismos eucarióticos suelen tener fragmentos que no se traducen pero si se transcriben, son los denominados intrones por contraposición a los exones o secuencias del ARN que van a ser traducidas. Cuando se transcribe un ARN eucariótico éste es una secuencia de intrones y exones que debe ser procesada para eliminar los intrones y dejar sólo los exones colocados ordenadamente. Esta eliminación selectiva de intrones se denomina técnicamente procesamiento o splicing, y ocurre en el núcleo. En los genes procarióticos no existen (salvo alguna excepción muy rara en un grupo especial de arqueobacterias) intrones y, por lo tanto, no hay procesamiento.

1.4.- Aplicaciones de los procesos y sistemas enzimáticos que intervienen en el ciclo del material genético, en la ingeniería genética y la Biotecnología: Los procesos y sistemas enzimáticos involucrados en la transmisión y expresión de la información genética entre generaciones pueden ser aislados y utilizados en la Biotecnología para lograr la expresión y manipulación de información genética por microorganismos e, incluso, por organismos superiores. Como ejemplo citaremos dos aplicaciones derivadas de las propiedades y enzimas involucradas en la replicación del ADN.

1.4.1.- Detección se secuencias de ADN o ARN mediante hibridación de ácidos nucleicos. Estas técnicas están basadas en la especificidad de la unión de hebras de ácidos nucleicos con secuencias complementarias. Dependiendo de la perfección del acoplamiento de las dos secuencias (del grado de complementariedad) la unión entre las dos cadenas será más o menos fuerte. Esto significa que podrá resistir temperaturas más elevadas cuando la complementariedad es más alta o se separarán las hebras (se producirá la fusión) cuando la complementariedad es demasiado baja. En cualquier caso, las hebras se mantendrán unidas o no dependiendo del binomio grado de complementariedad-temperatura.

La especificidad de la unión de hebras nos permite detectar la presencia de secuencias en una molécula, o en una mezcla de moléculas, de ácido nucleico (ADN o ARN) usando como sonda una molécula con secuencia complementaria y convenientemente marcada para facilitar su detección. Estos procedimientos se utilizan en hibridación in situ, experimentos de Southern (detección de secuencias de ADN) o en experimentos de Northern (detección de secuencias de ARN).

1 4.2.- Amplificación de secuencias de ácidos nucleicos mediante la reacción en cadena de la polimerasa: en esta técnica se utiliza la capacidad de la ADN polimerasa de sintetizar ADN a partir de una secuencia cebadora determinada. En ella se usan dos cebadores que flanqueen una secuencia de ADN que se quiere detectar o de la que se desea disponer de un gran número de copias; estos cebadores deben servir para iniciar la síntesis de ADN en cada una de las dos hebras del fragmento que se quiere amplificar y, por consiguiente, deben estar <(orientados„ hacia el interior de la secuencia que se quiere amplificar. Mediante la adición de ADN polimerasa y de los cofactores y substratos necesarios es posible realizar la síntesis de la molécula de ADN flanqueada por los dos cebadores in vitro. Si, además, se realizan varios procesos de síntesis de ADN usando los mismos cebadores en procesos consecutivos el número de copias de l a molécula, de ADN que se quiere amplificar aumentará exponencial mente permitiendo disponer de grandes cantidades de la misma.

En la práctica, esta reacción de polimerización se lleva a cabo con la ADN polimerasa de una bacteria termófila (Thermus aquaticus u otras similares) capaz de resistir múltiples ciclos a elevada temperatura (Taq-polimerasa). La técnica también se puede utilizar para detectar ARN siempre y cuando se realice un paso previo de transcripción reversa dei mismo.

2.- Control de la expresión génica

La transmisión de la información genética entre generaciones y la expresión en forma de proteínas de dicha información genética no son suficientes para permitir que el programa de desarrollo de un organismo se lleve a cabo correctamente. Es necesario, además, asegurar que los genes que constituyen la información genética transmitida se expresen en momentos adecuados bien desde el punto de vista cronológico o espacial (procesos de desarrollo) o bien como respuesta a cambios en las condiciones ambientales en las que se encuentra la célula o el individuo. Por otra parte, las respuestas al ambiente o los procesos de desarrollo no suelen producirse como con secuencia de la activación de un único gen en un momento, sitio o condición determinado, sino que suele ser necesaria la expresión coordinada de un conjunto de ellos para que tenga lugar el efecto. Estos dos hechos hacen que el control de la expresión génica sea central en el proceso de la biología molecular de los seres vivos.

El modelo más coherente de regulación de la expresión génica se conoce con el nombre de Modelo del Operón que explica, como veremos, l a expresión coordinada de genes. Por otra parte, veremos a continuación cuál es el proceso por el que llega al material genético la in formación ambiental o de desarrollo que permita la expresión coordinada; estudiaremos el proceso de transducción de la señal.

2.1.- Modelo del operón: La expresión de un grupo de secuencias codificantes de diferentes péptidos cuya presencia debe ser coordinada se logra colocando todas las secuencias bajo el control de un mismo promotor.

La transcripción de todas estas secuencias darán lugar a un ARN mensajero de gran tamaño que codifica todos los genes contenidos en el operón (ARN policistrónico) de forma que siempre se podrán traducir coordinadamente las diferentes proteínas del operón. La cantidad de cada una de las proteínas del operón que se produce como consecuencia de la traducción no siempre es equimolecular porque existen elementos de regulación de la traducción que provocan la separación del ribosoma y el ARNm en ciertos momentos controlando así más finamente la coordinación de la expresión.

¿Cómo se regula de la expresión génica?. Entre el promotor del operón y el inicio del primer gen estructural del fragmento policistrónico existe una secuencia de ADN denominada Operador. A esta secuencia se puede unir una proteína denominada Regulador de forma que cuando se encuentra unido el regulador a la secuencia del operador impide el paso de la ARN polimerasa en su trayecto de transcripción del ADN para sintetizar el ARN policistrónico. Por con siguiente, la regulación de la expresión se logra mediante un impedimento físico de la actividad de la ARN polimerasa causado por la unión de una proteína al ADN.

Existen dos clases de operones según sea su respuesta a las condiciones ambientales: los operones indecibles y los operones represibles.

2.1.1.- Operón inducible: es aquél en el que como consecuencia de la presencia de una molécula inductora se produce la expresión de los genes del operón. El ejemplo más clásico es el del Operón de la lactosa que regula la síntesis de las proteínas que permiten el metabolismo de la lactosa por las bacterias.

Cuando una bacteria se encuentra en un ambiente donde puede disponer de lactosa los genes que hacen posible la utilización de este azúcar por la bacteria se inducen. Estos genes, agrupados en el Operón de la lactosa, están constitutivamente reprimidos porque a la región del operador del operón se ha unido una proteína inhibidora que impide el paso de la ARN polimerasa. Cuando hay lactosa en el medio de crecimiento alguna molécula de este azúcar puede llegar al interior de la célula usando alguno de los sistemas de transporte presentes en la membrana bacteriana para azúcares. Una vez en el interior de la célula, la lactosa puede unirse a la proteína inhibidora unida a la región reguladora del operón de la lactosa de suerte que, cuando la lactosa está unida, la proteína inhibidora se separa de la región operadora permitiendo el paso de la ARN polimerasa y la transcripción de los genes correspondientes.

Cuando desaparece la lactosa del medio la proteína inhibidora queda de nuevo libre de forma que puede volver a unirse al fragmento operador del operón impidiendo, de nuevo, la transcripción de los gen es que lo forman.

El resultado de este proceso es que, como respuesta a la presencia de lactosa en el medio, se induce la expresión de los genes que permiten su catabolismo. Este sistema es extremadamente sensible porque la acción de las enzimas que permiten el paso de la lactosa a través de la membrana (transportadoras de lactosa) permite que la concentración intracelular de lactosa sea suficientemente alta hasta el momento en el que la concentración extracelular es ya tan baja que no puede utilizarse el azúcar eficientemente.

2.1.2.- Operón represible: en otros casos es necesario que la expresión de ciertos genes se detenga tan pronto como sea metabólicamente posible, porque su actividad no sea necesaria, para lograr una mayor economía de la energía celular. Es el caso, por ejemplo, de los operones de la arginina y del triptófano. Estudiaremos con más detalle el primero de ellos.

Si la cantidad de arginina presente en la proteínas que se encuentran en el medio en que crece una bacteria es suficientemente alta como para satisfacer las necesidades bacterianas de este aminoácido, no es necesario que la bacteria lo sintetice sino que, simplemente, lo asimila de la dieta. Ahora bien, si la cantidad de arginina exógena no fuera suficiente, las bacterias pueden sintetizarla a partir de otros precursores mediante el concurso de una serie de enzimas codificadas en el operón de la arginina.

De nuevo, nos encontramos con un operón y a su secuencia operadora se une una proteína represora específica. Sin embargo, en este caso l a proteína represora se mantiene unida siempre que a ella se encuentre unida, a su vez, una molécula de arginina o de un análogo de arginina. Cuando la concentración celular de arginina desciende por debajo de unos niveles críticos (que vienen determinados por la constante de afinidad de la molécula represora por la arginina o su análogo) el represor se separa de la arginina y queda inactivo separándose, también, de la secuencia operadora y permitiendo la transcripción de los genes que codifican las proteínas de síntesis endógena de arginina.

El efecto final es la expresión de los genes del operón como respuesta a los niveles de arginina presentes en la célula.

2.2.- Mecanismos de transducción de señal. Se conocen con este nombre los mecanismos que permiten a las células sentir condiciones exteriores (ambientales o señales de desarrollo) y activar como consecuencia de ello la expresión de algunos genes u operones. Los dos ejemplos de operón descritos anteriormente responden a las condiciones ambientales de concentración de lactosa y arginina, respectivamente; sin embargo, no se consideran incluidos dentro de l os mecanismos de transducción de señal porque la detección del estado ambiental no se realiza a través de la membrana bacteriana sino que se produce directamente por interacción del inductor con el represor modulando su unión al operador.

En el caso de los sistemas de transducción de seña, un complejo de proteínas de membrana recibe la señal externa. Para ello, este complejo ha de tener una proteína, al menos, dirigida hacia el exterior de l a célula de manera que actúe como receptor de la señal. Como con secuencia de la detección de la señal (lo que, en términos bioquímicos suele significar "cuando se ha unido I receptor de membrana la molécula que actúa como inductor") se produce un cambio conformacional en la molécula del receptor; cambio que, a su vez, causa otros en las otras proteínas del complejo de membrana con las que interacciona. Como consecuencia de estos cambios estructurales el complejo de proteínas, por su cara interna, es capaz de modificar químicamente proteínas citoplásmicas activando o inactivando así su función como represores de operones o genes (esto suele ocurrir mediante procesos de fosforilación) o bien sintetiza moléculas que son inductores que regulan la actividad de represores presentes en la célula (estas moléculas inductoras son lo que se suele denominar colectivamente "segundos mensajeros").

Los sistemas de transducción de señal son muy importantes porque de ellos depende gran parte del control de la expresión génica y porque son manipulables genéticamente de forma que podemos utilizarlos para disparar procesos de expresión génica usando señales inductoras diferentes de las que normalmente las controlan en la naturaleza pero que son poco manejables eh procesos industriales biotecnológicos.

3.- Requerimientos estructurales para la exportación de proteínas

Si se desea utilizar el potencial de los microorganismos como productores de proteínas en la industria es necesario, además de proceder al clonaje de los genes codificantes de las proteínas de interés y de estudiar y manipular el control de la expresión de los gen es correspondientes, conocer cómo se puede lograr que la proteína se localice en una fracción del cultivo donde sea más fácil proceder a su purificación. En la mayoría de los casos es interesante que la proteína se exporte al exterior de la célula y para ello hay que conocer el mecanismo por el que esto ocurre.

Las proteínas sintetizadas en las células están destinadas, como norma, a quedarse en el citoplasma celular. Para que una proteína se integre en la membrana celular o para que la atraviese y sea exportada al exterior, es necesario que la proteína contenga unas señales que dirijan este proceso. Estas señales son componentes de l a secuencia de aminoácidos de la propia proteína que se localizan en el extremo amino-terminal (el primero que se sintetiza por el ribosoma) del péptido naciente.

Existen varios tipos de señales: unas son las señales de exportación que sirven para que el péptido que va sintetizándose sea exportado al exterior de la membrana citoplásmica. Estas señales son secuencias que se insertan y atraviesan la membrana plasmática y, una vez que se ha conseguido el paso del péptido naciente al exterior celular, son eliminadas mediante una enzima denominada peptidasa señal (signal peptidase, en inglés). Si no funciona la peptidasa señal, la proteína queda unida por su extremo aminoterminal a la membrana citoplásmica.

Otro tipo de señales sirven para que la proteína se ancle en la membrana celular: son secuencias que están diseñadas para quedarse atrapadas en la bicapa lipídica de la membrana celular de manera que las proteínas que las contienen pasan a ser proteínas integrales de membrana y no pueden purificarse con métodos convencionales.

Por último, en los organismos eucarióticos (y por ello en hongos y levaduras de interés biotecnológico) se puede producir otro procesamiento adicional de las proteínas: la glicosilación, consisten te en la adición ordenada de cadenas polisacarídicas a los péptidos nacientes. La presencia de estas modificaciones polisacarídicas es esencial para la función de muchas proteínas eucarióticas. La adición de las cadenas de azúcar se produce en el Aparato de Golgi y tiene lugar en proteínas que contienen una secuencia dos tipos de señales: una que las dirige hacia dicho orgánulo celular (especializado en modificación de las proteínas y su posterior secreción al medio extracelular) y una segunda señal que indica en qué posiciones de la secuencia de la proteína va a producirse la unión del polisacárido.

4.- Conclusión

Desde el punto de vista biológico, la expresión de la información gen ética de un organismo y su transmisión entre generaciones es un proceso complejo en el que interviene un gran número de proteínas y de mecanismos. Estos mecanismos aseguran la fidelidad de la copia de la información desde el ADN al ARN para asegurar la expresión, y del ADN a una nueva molécula de ADN para asegurar la transmisión. Sin embargo, además de la traducción del ARN por los ribosomas, para que se produzca una correcta expresión del mensaje genético ha de estar controlado el momento del dicha expresión, ha de asegurarse que el mensaje (proteína) adquiera la conformación correcta para su funcionamiento y se coloque en el lugar celular correspondiente.

Desde el punto de vista biotecnológico, todos estos procesos son manipulables para poder conseguir la expresión artificial de proteínas de interés industrial en procesos llevados a cabo por microorganismos.

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