27.1. Regulación transcripcional: cis y trans
La transcripción de un gen eucariota no depende solo de que la cromatina sea accesible. Una vez accesible, la maquinaria transcripcional debe saber cuándo, dónde y en qué cantidad transcribir. Eso lo determinan dos tipos de elementos que actúan de forma coordinada.
La regulación cis engloba las secuencias de ADN que controlan la transcripción de un gen: promotores, enhancers y otras regiones reguladoras. Se llaman cis porque actúan sobre el gen que tienen en el mismo cromosoma.
La regulación trans engloba las proteínas que reconocen y se unen a esas secuencias: los factores de transcripción y otras proteínas reguladoras. Se llaman trans porque pueden actuar sobre genes en cualquier cromosoma, siempre que contengan la secuencia reconocida.
Cis = secuencias de ADN. Trans = proteínas que las reconocen. La regulación transcripcional resulta de su interacción.
27.2. Promotores y enhancers
27.2.1. Promotores
El promotor es la región del ADN donde se inicia el ensamblaje de la maquinaria transcripcional. En eucariotas se distinguen dos tipos según su posición y función:
Los promotores proximales se sitúan cerca del inicio de la transcripción y son reconocidos por factores de transcripción generales presentes en todas las células. Controlan la expresión de los genes constitutivos o housekeeping genes, es decir, los que se expresan en todos los tipos celulares.
Los promotores distales se sitúan más lejos del inicio de la transcripción y son reconocidos por factores de transcripción específicos de tejido o de condición. Controlan la expresión de los genes regulados, aquellos que solo se activan en determinados tipos celulares o momentos del desarrollo.
27.2.2. Amplificadores (enhancers)
Los enhancers o amplificadores son secuencias reguladoras que pueden situarse a gran distancia del gen que controlan —incluso a decenas o cientos de kilobases— y en cualquier orientación. Actúan acercándose físicamente al promotor mediante el plegamiento del ADN, formando un lazo que permite el contacto entre las proteínas unidas al enhancer y las unidas al promotor.
Los enhancers pueden activar la transcripción desde muy lejos. La distancia en el ADN no refleja necesariamente la distancia funcional: el plegamiento tridimensional del cromosoma acerca enhancers y promotores que en la secuencia lineal están muy separados.
27.3. Factores de transcripción
Los factores de transcripción son proteínas que se unen a secuencias específicas del ADN para activar o reprimir la transcripción. Todos tienen en común un dominio de unión al ADN y, en muchos casos, un dominio de activación o represión que interacciona con la maquinaria transcripcional.
Los dominios de unión al ADN adoptan estructuras características que permiten el reconocimiento específico de secuencias:
El motivo hélice-bucle-hélice consiste en dos hélices α separadas por un segmento flexible. Una de las hélices contacta el surco mayor del ADN y reconoce la secuencia específica. Es frecuente en factores implicados en el desarrollo y la diferenciación.
Las cremalleras de leucina forman estructuras diméricas en las que dos cadenas se asocian mediante residuos de leucina y cada una contacta una hebra del ADN. Son frecuentes en factores de respuesta a señales extracelulares.
Los dedos de zinc son motivos estabilizados por un ion Zn²⁺ coordinado por residuos de cisteína e histidina. Cada dedo reconoce aproximadamente tres pares de bases, y los factores suelen tener múltiples dedos en tándem que reconocen secuencias más largas. Es uno de los motivos de unión al ADN más abundantes en el genoma humano.
Los receptores de hormonas esteroideas, tiroideas y ácido retinoico actúan también como factores de transcripción: al unirse su ligando, translocan al núcleo y se unen directamente al ADN para regular la transcripción de sus genes diana.
| Motivo | Estructura | Ejemplo de uso |
|---|---|---|
| Hélice-bucle-hélice | Dos hélices α unidas por bucle flexible | Factores del desarrollo |
| Cremallera de leucina | Dímero estabilizado por leucinas | Respuesta a señales |
| Dedos de zinc | Bucle estabilizado por Zn²⁺ | Muy abundante en eucariotas |
| Receptor nuclear | Dominio de unión a ligando + DBD | Hormonas esteroideas, tiroideas |
27.4. Control combinatorio
Una característica fundamental de la regulación transcripcional en eucariotas es que los factores de transcripción no actúan de forma aislada, sino formando complejos. La actividad de un gen depende del conjunto de factores presentes, no de uno solo.
Esto tiene una consecuencia muy importante: con un número relativamente pequeño de factores de transcripción es posible generar un gran número de combinaciones, cada una con propiedades distintas. Diferentes combinaciones pueden activar genes distintos, en tejidos distintos, en momentos distintos del desarrollo.
Además, una misma proteína reguladora puede formar parte tanto de complejos activadores como de complejos represores, dependiendo de con qué otros factores se asocie. Esto multiplica la versatilidad del sistema con un número limitado de componentes.
El control combinatorio es uno de los principios más elegantes de la biología molecular: la diversidad de tipos celulares de un organismo complejo no requiere un gen regulador distinto para cada tipo celular, sino combinaciones distintas de un conjunto limitado de factores.
27.5. Control post-transcripcional
Una vez sintetizado el transcrito primario, la célula dispone de varios mecanismos para modular qué ARNm llega al ribosoma, en qué cantidad y durante cuánto tiempo.
27.5.1. Splicing alternativo
El splicing alternativo permite que un mismo gen genere varios ARNm maduros distintos dependiendo de qué exones se incluyen y cuáles se omiten durante el procesamiento del transcrito primario. Cada combinación puede dar lugar a una proteína con estructura y función diferentes.
Un ejemplo clásico es el gen de la calcitonina: en las células C del tiroides produce calcitonina, mientras que en las neuronas del sistema nervioso central produce CGRP (calcitonin gene-related peptide), con funciones completamente distintas, a partir del mismo gen y por diferente splicing.
El splicing alternativo es una de las razones por las que el proteoma humano es mucho más amplio que el número de genes codificantes.
El splicing alternativo fue introducido en el contexto del concepto molecular de gen en el T23 — El genoma humano, donde se explicó por qué ~19.000 genes pueden dar lugar a un proteoma considerablemente más amplio.
27.5.2. Edición del ARNm
La edición del ARNm consiste en la modificación química de bases concretas del transcrito, cambiando así la secuencia del ARNm respecto a la del ADN molde. El resultado es que se puede sintetizar una proteína con una secuencia diferente a la codificada originalmente en el gen.
27.5.3. Poliadenilación alternativa
La adición de la cola poli-A al extremo 3′ del ARNm puede ocurrir en distintas posiciones del transcrito. La elección del sitio de poliadenilación determina la longitud del ARNm y puede incluir o excluir elementos que afectan a su estabilidad o traducción.
27.5.4. Transporte al citoplasma
El ARNm procesado debe exportarse desde el núcleo al citoplasma para ser traducido. La célula puede retener selectivamente ciertos transcritos en el núcleo, impidiendo su traducción hasta que sea necesario.
27.5.5. Vida media del ARNm
Cada ARNm tiene una vida media característica en el citoplasma, que puede variar desde minutos hasta días. Cuanto mayor es la vida media, más proteína puede producirse a partir de ese transcrito. La célula puede acortar o alargar esta vida media en respuesta a señales, regulando así la cantidad de proteína disponible sin necesidad de modificar la transcripción.
27.5.6. Interferencia por ARN (ARNi)
La interferencia por ARN es un mecanismo de silenciamiento génico post-transcripcional mediado por moléculas pequeñas de ARN que se unen de forma complementaria al ARNm diana e impiden su traducción o promueven su degradación.
Los dos tipos principales son los miARN (microRNA) y los siARN (small interfering RNA). Ambos actúan a través del complejo RISC (RNA-induced silencing complex), pero difieren en su origen:
- Los miARN se producen a partir de genes propios del organismo, procesados en el núcleo y en el citoplasma, y regulan la expresión de múltiples genes diana de forma fina y coordinada. Un solo miARN puede regular decenas de ARNm distintos.
- Los siARN proceden habitualmente de ARN de doble cadena exógeno —como el de virus o transposones— y tienen una complementariedad más perfecta con su diana, lo que suele llevar a la degradación directa del ARNm.
| Tipo | Origen | Acción principal | Complementariedad |
|---|---|---|---|
| miARN | Gen endógeno | Represión traduccional o degradación | Parcial |
| siARN | ARN exógeno (viral, transposón) | Degradación del ARNm | Perfecta |
27.6. Control traduccional y post-traduccional
27.6.1. Control traduccional
Incluso cuando el ARNm está presente en el citoplasma, su traducción puede regularse. Los principales mecanismos son:
La unión de proteínas a las regiones UTR (regiones no traducidas en los extremos 5′ y 3′ del ARNm) puede bloquear o facilitar el acceso del ribosoma. Un ejemplo clásico es la regulación del receptor de transferrina, cuya traducción se activa o inhibe según los niveles de hierro mediante proteínas que reconocen elementos en la UTR-3′.
La modificación de factores de iniciación de la traducción permite regular de forma global o selectiva el inicio de la síntesis proteica.
Los sitios IRES (Internal Ribosome Entry Sites) permiten la entrada del ribosoma en una posición interna del ARNm, saltándose el inicio convencional en el extremo 5′. Este mecanismo es especialmente relevante en situaciones de estrés celular o infección viral.
27.6.2. Modificaciones post-traduccionales
Una vez sintetizada la proteína, puede sufrir numerosas modificaciones covalentes que alteran su actividad, localización, estabilidad o capacidad de interacción con otras moléculas. Las principales son:
| Modificación | En qué consiste | Efecto funcional |
|---|---|---|
| Fosforilación | Adición de grupo fosfato (Ser, Thr, Tyr) | Activación o inactivación |
| Acetilación | Adición de grupo acetilo | Regula actividad y localización |
| Glucosilación | Adición de azúcares | Plegamiento, señalización, reconocimiento |
| Ubiquitinación | Adición de ubiquitina | Marca para degradación |
| Acilación | Adición de cadena lipídica | Anclaje a membrana |
| Puentes disulfuro | Unión covalente entre cisteínas | Estabilidad estructural |
La proteína sintetizada no es necesariamente la proteína funcional. Las modificaciones post-traduccionales son el último nivel de control y determinan qué hace la proteína, dónde lo hace y durante cuánto tiempo.
