Regulación da expresión xénica

Ver tamén expresión xénica.

A regulación da expresión xénica ou regulación xénica comprende todos aqueles procesos que afectan á expresión dun xene a nivel de tradución ou transcrición, controlando a produción dos seus produtos funcionais.

A regulación da expresión xenética inclúe un amplo rango de mecanismos que as células usan para incrementar ou diminuír a produción de produtos xénicos específicos (proteínas ou ARNs). As células utilizan sofisticados programas de expresión xénica, por exemplo para poñer en funcionamento as vías de desenvolvemento do organismo (morfoxénese, diferenciación), responder aos estímulos ambientais ou adaptarse a novas fontes de alimentación. Virtualmente todos os pasos da expresión xénica poden ser modulados, desde a iniciación da transcrición, ao procesamento do ARN, e a modificación postraducional das proteínas.

A regulación xénica é esencial para os virus, procariotas e eucariotas, xa que incrementa a versatilidade e adaptabilidade dun organismo ao permitirlle á célula expresar determinadas proteínas cando se necesitan. Aínda que xa en 1951 Barbara McClintock mostrou a interacción que se producía entre dous loci xenéticos, chamados Activador (Ac) e Disociador (Ds), na formación da cor das sementes de millo, o primeiro descubrimento dun sistema de regulación xénica considérase que foi a identificación en 1961 do operón lac por Jacques Monod, no cal algúns encimas implicados no metabolismo da lactosa se expresan no xenoma de Escherichia coli só en presenza de lactosa e ausencia de glicosa. Despois, descubríronse outros operóns.

Ademais, nos organismos multicelulares, a regulación xénica guía os procesos de diferenciación celular e morfoxénese, que levan á creación de diferentes tipos celulares con diferentes perfís de expresión xénica, e, por tanto, producen diferentes proteínas e teñen diferentes ultrastruturas, que son as axeitadas para realizaren as súas funcións (aínda que todas posúen esencialmente o mesmo xenotipo, copia do que tiña o cigoto, coa mesma secuencia).

Modificación do ADN e a cromatina

A regulación xénica empeza coas modificacións que sofre o ADN e a cromatina. Todas estas modificacións no xenoma teñen en común que o seu mecanismo de acción se basea nun control do acceso que teñen as ARN polimerases ao ADN. Este tipo de control da expresión xénica coñécese tamén como control epixenético.

En xeral, a transcrición do ADN está determinada pola súa estrutura. En xeral, a densidade do seu empaquetado é indicativo da frecuencia da transcrición. Os complexos de proteínas octaméricas chamados nucleosomas son responsables da cantidade de superenrolamento do ADN, e estes complexos poden ser modificados temporalmente por procesos como a fosforilación ou modificados máis permanentemente por procesos como a metilación. Tales modificacións son consideradas responsables de cambios máis ou menos permanentes nos niveis de expresión xénica.^[1]

Na regulaión da expresión xénica son moi importantes as modificacións químicas do material xenético, como metilacións do ADN ou acetilacións e desacetilacións de histonas realizados por encimas en residuos ou secuencias específicas. Os patróns de metilación anormais crese que están implicados na oncoxénese.^[2]

Descondensación da cromatina

Para que os encimas encargados da transcrición poidan realizar a súa función sobre uns xenes, cómpre que a cromatina estea descondensada e os promotores destes xenes non se encontren incluídos nunha superestrutura cromatínica. As evidencias de que o ADN que está sendo transcrito activamente está descondensado obtéñense con experimentos nos que o ADN nuclear é dixerido con baixas concentracións de DNase I.

Pódese comprobar mediante esta dixestión encimática, que as rexións degradadas en distintos tipos celulares non coinciden, debido a que os distintos tipos celulares expresan xenes distintos, é dicir, presentarán algúns xenes que se expresan todos ou moitos tipos celulares e outros que só se expresan nun dos tipos.

Ademais, a metilación do ADN xoga un importante papel na impronta xenómica.

Metilación do ADN

A metilación do ADN consiste na adición dun grupo metilo a moléculas de citosina, e está relacionada co silenciamento de xenes. Este fenómeno ten unha grande importancia na regulación da expresión xénica na maioría dos vertebrados. Os residuos de citosina metilados tenden a acumularse en rexiónes próximas ao extremo 5' dos xenes, onde adoitan situarse as rexións promotoras. A metilación de bases pode implicar que se impida o recoñecemento dos promotores polas polimerases, ou que induza a unión de encimas encargados da condensación desa rexión da cromatina, o que pode traducirse no silenciamento dun xene concreto, ou de toda unha rexión de ADN.

As proteínas metiltransferases metilan citosinas que xeralmente están situadas en secuencias 5'-CG-3'. Tamén están metiladas as secuencias complementarias destas (3'-GC-5'). Ademais, tras a replicación, o ADN da cadea de nova síntese, é metilado segundo os patróns de metilación da cadea molde. Desta forma, as modificacións da expresión xénica poden transmitirse dunha xeración celular á seguinte.

Comprobouse en xemelgos idénticos, que os patróns de metilación non se transmiten só por herdanza, senón que o medio tamén inflúe.

Modificacións en histonas e proteínas asociadas ao ADN

As moléculas de histonas presentan unha rexión que sobresae da estrutura, e que é a rexión diana para a adición de grupos metilo, acetilo ou fosfato. As distintas combinacións de grupos engadidos ás histonas, van ser lidas de diferente maneira por outras proteínas, que se encargan de condensar ou descondensar a estrutura ata o nivel de empaquetamento necesario. Isto é o que se coñece como código de histonas.

Modificación do xenoma por deleción e amplificación

A pesar de que as evidencias dos primeiros experimentos mostraron que todas as células dun organismo eucariota pluricelular presentaban o mesmo xenoma, existen excepcións nas que diferentes tipos celulares presentan algunhas diferenzas no xenoma.

Unha delas é o caso dos eritrocitos (glóbulos vermellos) de mamífero, que ao chegaren a acumular no seu interior unha certa concentración de hemoglobina, expulsan o seu núcleo e convértense en células sen núcleo maduras, e, por tanto, sen xenoma. Outro exemplo de delecións no xenoma dun organismo segundo o tipo celular dáse nos copépodos. No desenvolvemento embrionario deste grupo de invertebrados, as células eliminan rexións do seu xenoma (delecións) que non van utilizar ao diferenciarse. Isto ocorre na maioría das células destes organismos, agás naquelas que están destinadas a converterse en gametos.

Ademais da eliminación de rexións xenómicas que non van ser útiles, algúns tipos celulares dalgúns organismos teñen a capacidade de amplificar rexións cuxo produto xénico vai ser requirido en grandes cantidades. Un exemplo clásico deste tipo de amplificacións é o dos xenes encargados do ARNr da ra Xenopus laevis. No xenoma haploide desta especie existen arredor de 500 copias dos xenes responsables do ARNr. Porén, durante a ovoxénese, esta cifra multiplícase e chega no ovocito maduro aos dous millóns de copias de xenes do ARNr.

Reorganización do xenoma

Trátase dun mecanismo pouco frecuente no que segmentos do xenoma cambian de localización no xenoma.

Un exemplo deste mecanismo é a creación de anticorpos por parte dos linfocitos de vertebrados. Nos vertebrados prodúcese unha gran cantidade de tipos de anticorpos. Isto conséguese, grazas a unha reordenación, durante o desenvolvemento dos linfocitos, dos segmentos do ADN que codifican para algunha subunidade dos anticorpos. Por exemplo, no caso das cadeas pesadas dos anticorpos, estas están formadas por un segmento variable V, outro D e outro J, e ademais por un segmento C que é sempre constante. No ADN xenómico, existen xenes para varios tipos de segmentos V, D e J. Durante o seu desenvolvemento ata linfocitos maduros, estas rexións vanse reorganizar aleatoriamente, de forma que quedarán agrupados un V, un D e un J, dando lugar á cadea pesada en cuestión. Isto chámase recombinación V(D)J. Grazas a isto pódense producir unhas 24.000 cadeas pesadas de anticorpo diferentes. Se a isto engadimos que a cadea lixeira presenta unha variabilidade lixeiramente menor, atopámonos cunha cantidade enorme de anticorpos diferentes que se poden formar.

Outro exemplo deste tipo de regulación encontrámolo na selección do tipo "sexual" "a" e "α" nos lévedos. A reprodución sexual en lévedos prodúcese cando se xuntan dúas células haploides de distinto tipo. As células haploides levan os xenes para ambos os tipos a e α, pero só expresan o fenotipo daquel que se encontra nunha rexión chamada locus MAT. O que ocorre é que realizan copias dos xenes HMLα e HMRa segundo a situación e estas novas copias se insiren no locus MAT, tras eliminarse a copia do xene que houbese antes alí.

Os xenes HMLα e HMRa codifican factores de transcrición que inducen a expresión do fenotipo α ou a, respectivamente. Deste xeito cada célula leva os xenes para os dous fenotipos, pero só se expresarán os que teñan unha copia do xene dos seus respectivos factores de transcrición no interior do locus MAT.

Regulación da transcrición

Artigo principal: Regulación da transcrición.

Operón lac. 1: ARN polimerase, 2: Represor, 3: Promotor, 4: Operador, 5: Lactosa, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. Arriba: A expresión do xene está apagada. Non hai lactosa que inhiba ao represor, polo que o represor se une ao operador, o cal obstrúe a unión da ARN polimerase ao promotor e non se forma o encima lactase. Abaixo: A expresión do xene está activada. A lactosa inhibe o represor, o que permite que a ARN polimerase se una ao promotor, e exprese o xene que produce lactase. Finalmente, a lactase dixire toda a lactosa, ata que non queda ningunha para unirse ao represor. O represor pode unirse entón ao operador, parando a produción de lactase.

A regulación da transcrición controla o momento en que se ten que producir a transcrción e a cantidade de ARN que se debe producir. A transcrición dun xene pola ARN polimerase pode regularse polo menos por cinco mecanismos:

Factores de especificidade que alteran a especificidade da ARN polimerase por un determinado promotor ou conxunto de promotores, facendo que sexa máis ou menos probable que se una a eles. Por exemplo, os factores sigma utilizados na transcrición procariótica.
Represores que se unen ao operador (que son secuencias do ADN que están próximas á rexión do promotor) impedindo que a ARN polimerase avance ao longo da cadea de ADN, polo que non se expresa o xene. A imaxe da dereita mostra a regulación feita por un represor no operón lac.
Factores de transcrición xerais, que posicionan a ARN polimerase ao inicio da secuencia codificante de proteínas e despois liberan a polimerase para que transcriba o ARNm.
Activadores, que potencian a interacción entre a ARN polimerase e un determinado promotor, favorecendo a expresión do xene. Os activadores fan isto incrementando a atracción da ARN polimerase polo promotor, por medio de interaccións con subunidades da ARN polimerase ou indirectamente cambiando a estrutura do ADN.
Amplificadores (enhancers), que son sitios da hélice de ADN situados a certa distancia do xene, aos que se unen os activadores, e forman un bucle no ADN que os achega a un promotor específico no complexo de iniciación, o que amplifica a expresión do xene. Os amplificadores son moito máis comúns en eucariotas do que en procariotas, nos cales só se atoparon uns poucos exemplos polo momento.^[3]

Regulación postranscricional

Artigo principal: Regulación postranscricional.

Os ARNm precursores orixinados pola ARN polimerase II sofren unha modificación postranscricional que os converte en ARNm maduros utilizables para a síntese de proteínas. Ocorre en 3 pasos: no primeiro modifícase o extremo 5' orixinando a carapucha 5'; despois ten lugar a poliadenilación no extremo 3'; finalmente retíranse os intróns (partes non codificantes), deixando só os exóns (partes codificantes), proceso chamado splicing. Estes pasos poden regularse, o que afecta á expresión xénica. O proceso ten lugar no núcleo celular a medida que o precursor do ARNm nacente se transcribe e o ARNm funcional producido é transportado ao citoplasma.

Despois da transcrición debe regularse a intensidade con que o ARNm vai ser traducido a proteínas. As células fan isto modulando a formación da carapucha 5', a poliadenilación e o splicing, as taxas de exportación nuclear específicas de secuencia, e, en varios contextos, o secuestro dos transcritos de ARN. Estes procesos ocorren nos eucariotas pero non en procariotas. Esta modulación é realizada por proteínas ou transcritos que, á súa vez, están regulados e poden ter unha afinidade por certas secuencias.

Os microARN (ou miARN) actúan neste nivel postranscricional, impedindo que nun momentodado certos xenes se expresen en proteínas.^[4]

Regulación da tradución

Artigo principal: Regulación da tradución.

A tradución dun ARNm pode tamén ser controlada por diversos mecanismos, principalmente na iniciación. O recrutamento da subunidade ribosómica pequena pode ser modulada pola estrutura secundaria do ARNm, a unión de ARN antisentido, ou a unión de proteínas. Tanto en procariotas coma en eucariotas, exite un gran número de proteínas que se unen ao ARN, as cales a miúdo son dirixidas ás súas secuencias diana pola estrutura secundaria do transcrito, a cal pode cambiar dependendo de certas condicións, como a temperatura ou a presenza dun ligando (aptámero). Algúns transcritos actúan como ribozimas e autorregulan a súa expresión.

Modificación postraducional

Artigo principal: Modificación postraducional.

É a modificación química dunha proteína despois da súa tradución. Pode transformarse a estrutura da proteína adicionándolle un grupo funcional (acetato, lípido, carbohidrato, fosfato) ou cambiar a natureza dos seus aminoácidos, ou cambiar a súa estrutura por pontes disulfuro, ou rompela en dúas por acción dalgún encima. Existen outras formas de modificar unha proteína, como a fosforilación, que serven para controlar o comportamento dunha proteína, como activar ou inhibir un encima, o que afecta á expresión xénica.

Termos utilizados na regulación xénica

Regulación á alza (up-regulation). É un proceso que ocorre cando unha célula recibe un sinal activador (orixinado dentro ou fóra da célula), que ten como resultado o incremento da expresión dun ou máis xenes e, en consecuencia, a da(s) proteína(s) codificadas por eses xenes. A regulación á alza ocorre, por exemplo, cando unha célula é deficiente nalgún tipo de receptor e empeza a sintetizar e transportar á membrana máis cantidade da proteína receptora, o cal fará que a sensibilidade da célula aumente ao normal, restablecendo a homeostase.
Regulación á baixa (down-regulation). A célula recibe un sinal inactivador que fai diminuír a expreión xénica de determinados xenes. Ocorre, por exemplo, cando a célula é sobreestimulada por un neurotransmisor, hormona, ou droga durante un período de tempo prolongado, e a expresión da proteína receptora decrece para protexer á célula.
Sistema inducible. Un sistema inducible é aquel que está sempre inactivado a non ser que estea presente unha determinada molécula chamada indutor, que permite a expresión do xene. Dise que esa molécula "induce a expresión". A maneira en que isto ocorre é dependente dos mecanismos de control e das diferenzas entre as células procariotas e eucariotas.
Sistema represible. Un sistema represible está activado sempre excepto cando está presente algunha molécula chamada correpresor, que suprime a expresión xénica. A molécula dise que "reprime a expresión". Igual que pasaba nos sistemas inducibles, a maneira en que isto ocorre depende dos mecanismos de control e das diferenzas entre eucariotas e procariotas.
Represor/Indutor. A activación dun sensor orixina cambios na expresión dun xene.
Retroalimentación negativa. Na retroalimentación ou feedback negativa o produto xénico regula á baixa a súa propia produción directa ou indirectamente, o que pode dar lugar a:
- manter os niveis do transcrito constrantes/proporcionais a un factor;
- inhibición ou reaccións de escape (run-away) cando se acopla cun bucle de retroalimentación positivo;
- creación dun oscilador aproveitándose do tempo de retardo entre a transcrición e a tradución, dado que a vida media do ARNm e proteínas é curta.
Retroalimentación positiva. O produto do xene regula á alza a súa propia produción directa ou indirectamente, o cal pode dar lugar a:
- amplificación do sinal;
- interruptores biestables cando dous xenes se inhiben un a outro e ambos os dous teñen retroalimentación positiva;
- xeración de patróns.

Notas

↑ Bell JT, Pai AA, Pickrell JK, Gaffney DJ, Pique-Regi R, Degner JF, Gilad Y, Pritchard JK (2011). "DNA methylation patterns associate with genetic and gene expression variation in HapMap cell lines". Genome Biology 12 (1): R10. doi:10.1186/gb-2011-12-1-r10. PMC 3091299. PMID 21251332.
↑ Vertino PM, Spillare EA, Harris CC, Baylin SB (abril de 1993). "Altered chromosomal methylation patterns accompany oncogene-induced transformation of human bronchial epithelial cells". Cancer Res. 53 (7): 1684–9. PMID 8453642.
↑ Austin S, Dixon R (1992). "The prokaryotic enhancer binding protein NTRC has an ATPase activity which is phosphorylation and DNA dependent". EMBO J. 11 (6): 2219–28. PMC 556689. PMID 1534752.
↑ He, Lin; Hannon, Gregory (2004). "MicroRNAs: small RNAs with a big role in gene regulation" (PDF). Nat Rev Genet 5: 522–531. doi:10.1038/nrg1379.

Pierce, B.A. 2010. Genética. Un enfoque conceptual. 3ª edición. Editorial Médica Panamericana.
Becker, W.M. Kleinsmith, L.J. Hardin, J. & Bertoni,G.P. (2009) The World of the Cell (17th edition). Pearson Education, Inc.

[MethylGeneExpression-1] Bell JT, Pai AA, Pickrell JK, Gaffney DJ, Pique-Regi R, Degner JF, Gilad Y, Pritchard JK (2011). "DNA methylation patterns associate with genetic and gene expression variation in HapMap cell lines". Genome Biology 12 (1): R10. doi:10.1186/gb-2011-12-1-r10. PMC 3091299. PMID 21251332.

[2] Vertino PM, Spillare EA, Harris CC, Baylin SB (abril de 1993). "Altered chromosomal methylation patterns accompany oncogene-induced transformation of human bronchial epithelial cells". Cancer Res. 53 (7): 1684–9. PMID 8453642.

[pmid1534752-3] Austin S, Dixon R (1992). "The prokaryotic enhancer binding protein NTRC has an ATPase activity which is phosphorylation and DNA dependent". EMBO J. 11 (6): 2219–28. PMC 556689. PMID 1534752.

[He2004-4] He, Lin; Hannon, Gregory (2004). "MicroRNAs: small RNAs with a big role in gene regulation" (PDF). Nat Rev Genet 5: 522–531. doi:10.1038/nrg1379.

[1]

[2]

[3]

[4]