En biología molecular y genética, la regulación transcripcional es el medio por el cual una célula regula la conversión de ADN en ARN (transcripción), orquestando así la actividad genética. Un solo gen puede regularse de diversas formas, desde la alteración del número de copias de ARN que se transcriben hasta el control temporal de cuándo se transcribe el gen. Este control permite que la célula o el organismo responda a una variedad de señales intra y extracelulares y, por lo tanto, genere una respuesta. Algunos ejemplos de esto incluyen producir el ARNm que codifica enzimas para adaptarse a un cambio en una fuente de alimento, producir los productos génicos involucrados en actividades específicas del ciclo celular y producir los productos génicos responsables de la diferenciación celular en eucariotas multicelulares, como se estudió en la biología evolutiva del desarrollo evolutivo.
La regulación de la transcripción es un proceso vital en todos los organismos vivos. Está orquestado por factores de transcripción y otras proteínas que trabajan en conjunto para ajustar con precisión la cantidad de ARN que se produce a través de una variedad de mecanismos. Las bacterias y los eucariotas tienen estrategias muy diferentes para lograr el control sobre la transcripción, pero algunas características importantes permanecen conservadas entre las dos. Lo más importante es la idea del control combinatorio, que es que cualquier gen dado probablemente esté controlado por una combinación específica de factores para controlar la transcripción. En un ejemplo hipotético, los factores A y B podrían regular un conjunto distinto de genes de la combinación de los factores A y C. Esta naturaleza combinatoria se extiende a complejos de mucho más de dos proteínas y permite que un subconjunto muy pequeño (menos del 10%) del genoma para controlar el programa transcripcional de toda la célula.
Gran parte de la comprensión temprana de la transcripción provino de bacterias, aunque el alcance y la complejidad de la regulación transcripcional es mayor en eucariotas. La transcripción bacteriana se rige por tres elementos principales de secuencia:
Si bien estos medios de regulación transcripcional también existen en eucariotas, el panorama transcripcional es significativamente más complicado tanto por el número de proteínas involucradas como por la presencia de intrones y el empaquetamiento del ADN en histonas.
La transcripción de un gen bacteriano básico depende de la fuerza de su promotor y de la presencia de activadores o represores. En ausencia de otros elementos reguladores, la afinidad basada en la secuencia de un promotor por las ARN polimerasas varía, lo que da como resultado la producción de diferentes cantidades de transcripción. La afinidad variable de la ARN polimerasa por diferentes secuencias promotoras está relacionada con las regiones de la secuencia consenso cadena arriba del sitio de inicio de la transcripción. Cuantos más nucleótidos de un promotor coincidan con la secuencia de consenso, más probable será la afinidad del promotor por la ARN polimerasa.
En ausencia de otros elementos reguladores, el estado predeterminado de una transcripción bacteriana es estar en la configuración "activada", lo que resulta en la producción de cierta cantidad de transcripción. Esto significa que la regulación transcripcional en forma de represores de proteínas y elementos de control positivo puede aumentar o disminuir la transcripción. Los represores a menudo ocupan físicamente la ubicación del promotor, impidiendo la unión de la ARN polimerasa. Alternativamente, un represor y una polimerasa pueden unirse al ADN al mismo tiempo con una interacción física entre el represor que impide la apertura del ADN para acceder a la hebra negativa para la transcripción. Esta estrategia de control es distinta de la transcripción eucariota, cuyo estado basal debe estar apagado y donde los cofactores necesarios para el inicio de la transcripción son altamente dependientes de genes.
Los factores sigma son proteínas bacterianas especializadas que se unen a las ARN polimerasas y orquestan el inicio de la transcripción. Los factores sigma actúan como mediadores de la transcripción específica de secuencia, de modo que se puede usar un solo factor sigma para la transcripción de todos los genes domésticos o un conjunto de genes que la célula desea expresar en respuesta a algunos estímulos externos como el estrés.
Además de los procesos que regulan la transcripción en la etapa de inicio, la síntesis de ARNm también está controlada por la tasa de elongación de la transcripción. Las pausas de la ARN polimerasa ocurren con frecuencia y están reguladas por factores de transcripción, como NusG y NusA, acoplamiento transcripción-traducción y estructura secundaria del ARNm.
La complejidad adicional de generar una célula eucariota conlleva un aumento en la complejidad de la regulación transcripcional. Los eucariotas tienen tres ARN polimerasas, conocidas como Pol I, Pol II y Pol III. Cada polimerasa tiene objetivos y actividades específicos y está regulada por mecanismos independientes. Hay varios mecanismos adicionales a través de los cuales se puede controlar la actividad de la polimerasa. Estos mecanismos se pueden agrupar generalmente en tres áreas principales:
Los tres de estos sistemas funcionan en conjunto para integrar señales de la célula y cambiar el programa transcripcional en consecuencia.
Mientras que en los sistemas procariotas el estado de transcripción basal puede considerarse no restrictivo (es decir, "activado" en ausencia de factores modificadores), los eucariotas tienen un estado basal restrictivo que requiere el reclutamiento de otros factores para generar transcripciones de ARN. Esta diferencia se debe en gran parte a la compactación del genoma eucariota al enrollar el ADN alrededor de las histonas para formar estructuras de orden superior. Esta compactación hace que el promotor del gen sea inaccesible sin la ayuda de otros factores en el núcleo y, por tanto, la estructura de la cromatina es un sitio común de regulación. De manera similar a los factores sigma en procariotas, los factores de transcripción general (GTF) son un conjunto de factores en eucariotas que son necesarios para todos los eventos de transcripción. Estos factores son responsables de estabilizar las interacciones de unión y abrir la hélice de ADN para permitir que la ARN polimerasa acceda a la plantilla, pero generalmente carecen de especificidad para diferentes sitios promotores. Una gran parte de la regulación génica se produce a través de factores de transcripción que reclutan o inhiben la unión de la maquinaria de transcripción general y/o la polimerasa. Esto se puede lograr a través de interacciones cercanas con los elementos promotores centrales o mediante los elementos potenciadores de larga distancia.
Una vez que una polimerasa se une con éxito a una plantilla de ADN, a menudo requiere la ayuda de otras proteínas para dejar el complejo promotor estable y comenzar a alargar la cadena de ARN naciente. Este proceso se denomina escape del promotor y es otro paso en el que los elementos reguladores pueden actuar para acelerar o ralentizar el proceso de transcripción. De manera similar, los factores de proteínas y ácidos nucleicos pueden asociarse con el complejo de elongación y modular la velocidad a la que la polimerasa se mueve a lo largo de la plantilla de ADN.
En eucariotas, el ADN genómico está muy compactado para poder encajarlo en el núcleo. Esto se logra enrollando el ADN alrededor de octámeros de proteínas llamados histonas, lo que tiene consecuencias para la accesibilidad física de partes del genoma en un momento dado. Porciones significativas se silencian mediante modificaciones de histonas y, por lo tanto, son inaccesibles para las polimerasas o sus cofactores. El nivel más alto de regulación de la transcripción ocurre a través del reordenamiento de histonas para exponer o secuestrar genes, porque estos procesos tienen la capacidad de hacer inaccesibles regiones enteras de un cromosoma, como ocurre en la impronta.
El reordenamiento de las histonas se facilita mediante modificaciones postraduccionales de las colas de las histonas centrales. Se pueden realizar una amplia variedad de modificaciones mediante enzimas como las histonas acetiltransferasas (HAT), histonas metiltransferasas (HMT) e histonas desacetilasas (HDAC), entre otras. Estas enzimas pueden agregar o eliminar modificaciones covalentes como grupos metilo, grupos acetilo, fosfatos y ubiquitina. Las modificaciones de histonas sirven para reclutar otras proteínas que pueden aumentar la compactación de la cromatina y secuestrar elementos promotores, o aumentar el espaciamiento entre histonas y permitir la asociación de factores de transcripción o polimerasa en ADN abierto. Por ejemplo, la trimetilación de H3K27 por el complejo polycomb PRC2 provoca la compactación cromosómica y el silenciamiento de genes. Estas modificaciones de histonas pueden ser creadas por la célula o heredadas de forma epigenética de un padre.
La 5-metilcitosina es una forma metilada de la citosina (C) de la base del ADN que regula la transcripción de genes en mamíferos. Las citosinas metiladas se encuentran principalmente en secuencias de dinucleótidos donde la citosina es seguida por una guanina, un sitio CpG. El número total de sitios CpG en el genoma humano es de aproximadamente 28 millones y generalmente alrededor del 70% de todos los sitios CpG tienen una citosina metilada. La metilación de CpG en una región promotora de un gen reprime la transcripción mientras que la metilación de CpG en el cuerpo de un gen aumenta la expresión. Las enzimas TET juegan un papel central en la desmetilación de citosinas metiladas. La desmetilación de CpG en un promotor de gen mediante la actividad de la enzima TET aumenta la transcripción del gen.
Los factores de transcripción son proteínas que se unen a secuencias de ADN específicas para regular la expresión de un gen determinado. Hay aproximadamente 1.400 factores de transcripción en el genoma humano y constituyen aproximadamente el 6% de todos los genes codificadores de proteínas humanas. El poder de los factores de transcripción reside en su capacidad para activar y/o reprimir amplios repertorios de genes diana aguas abajo. El hecho de que estos factores de transcripción funcionen de manera combinatoria significa que solo un pequeño subconjunto del genoma de un organismo codifica factores de transcripción. Los factores de transcripción funcionan a través de una amplia variedad de mecanismos. En un mecanismo, la metilación de CpG influye en la unión de la mayoría de los factores de transcripción al ADN, en algunos casos de forma negativa y en otros de forma positiva. Además, a menudo se encuentran al final de una vía de transducción de señales que funciona para cambiar algo sobre el factor, como su localización subcelular o su actividad. Las modificaciones postraduccionales de los factores de transcripción ubicados en el citosol pueden hacer que se trasladen al núcleo donde pueden interactuar con sus potenciadores correspondientes. Otros factores de transcripción ya están en el núcleo y se modifican para permitir la interacción con factores de transcripción asociados. Algunas modificaciones post-traduccionales conocidas para regular el estado funcional de los factores de transcripción son fosforilación, acetilación, SUMOlación y ubiquitilación. Los factores de transcripción se pueden dividir en dos categorías principales: activadores y represores. Mientras que los activadores pueden interactuar directa o indirectamente con la maquinaria central de la transcripción a través de la unión del potenciador, los represores reclutan predominantemente complejos correpresores que conducen a la represión transcripcional por la condensación de cromatina de las regiones potenciadoras. También puede suceder que un represor funcione mediante competencia alostérica contra un activador determinado para reprimir la expresión génica: los motivos de unión al ADN superpuestos tanto para los activadores como para los represores inducen una competencia física para ocupar el sitio de unión. Si el represor tiene una mayor afinidad por su motivo que el activador, la transcripción se bloquearía eficazmente en presencia del represor. El estricto control regulador se logra mediante la naturaleza altamente dinámica de los factores de transcripción. Nuevamente, existen muchos mecanismos diferentes para controlar si un factor de transcripción está activo. Estos mecanismos incluyen el control sobre la localización de la proteína o el control sobre si la proteína puede unirse al ADN. Un ejemplo de esto es la proteína HSF1, que permanece unida a Hsp70 en el citosol y solo se transloca al núcleo ante estrés celular como el choque térmico. Por tanto, los genes bajo el control de este factor de transcripción permanecerán sin transcribir a menos que la célula esté sometida a estrés.
Los potenciadores o módulos/elementos reguladores cis (CRM/CRE) son secuencias de ADN no codificantes que contienen múltiples sitios de unión de activadores y represores. Los potenciadores varían de 200 pb a 1 kb de longitud y pueden ser proximales, 5' aguas arriba del promotor o dentro del primer intrón del gen regulado, o distales, en intrones de genes vecinos o regiones intergénicas alejadas del locus. A través del bucle de ADN, los potenciadores activos se ponen en contacto con el promotor de forma dependiente de la especificidad del promotor del motivo de unión al ADN del núcleo. La dicotomía promotor-potenciador proporciona la base para la interacción funcional entre los factores de transcripción y la maquinaria del núcleo de la transcripción para desencadenar el escape del RNA Pol II del promotor. Mientras que uno podría pensar que existe una relación potenciador-promotor de 1:1, los estudios del genoma humano predicen que un promotor activo interactúa con 4 a 5 potenciadores. De manera similar, los potenciadores pueden regular más de un gen sin restricción de ligamiento y se dice que "saltan" genes vecinos para regular los más distantes. Aunque es poco frecuente, la regulación transcripcional puede involucrar elementos ubicados en un cromosoma diferente al que reside el promotor. Los potenciadores o promotores proximales de genes vecinos pueden servir como plataformas para reclutar elementos más distales.
La iniciación, terminación y regulación de la transcripción están mediadas por el "bucle de ADN" que reúne promotores, potenciadores, factores de transcripción y factores de procesamiento de ARN para regular con precisión la expresión génica. La captura de conformación cromosómica (3C) y, más recientemente, las técnicas de Hi-C proporcionaron evidencia de que las regiones de cromatina activa están "compactadas" en dominios o cuerpos nucleares donde se mejora la regulación transcripcional. La configuración del genoma es fundamental para la proximidad potenciador-promotor. Las decisiones sobre el destino celular están mediadas por reorganizaciones genómicas altamente dinámicas en la interfase para activar o desactivar de forma modular redes reguladoras de genes completas a través de reordenamientos de cromatina de corto a largo alcance. Estudios relacionados demuestran que los genomas de los metazoos se dividen en unidades estructurales y funcionales alrededor de una megabase larga llamada dominios de asociación topológica (TAD) que contiene docenas de genes regulados por cientos de potenciadores distribuidos dentro de grandes regiones genómicas que contienen solo secuencias no codificantes. La función de los TAD es reagrupar potenciadores y promotores que interactúan juntos dentro de un único dominio funcional grande en lugar de tenerlos diseminados en diferentes TAD. Sin embargo, los estudios del desarrollo del ratón señalan que dos TAD adyacentes pueden regular el mismo grupo de genes. El estudio más relevante sobre la evolución de la extremidad muestra que el TAD en el 5 'del grupo de genes HoxD en los genomas tetrápodos impulsa su expresión en los embriones de yema de la extremidad distal, dando lugar a la mano, mientras que el situado en el lado 3' lo hace en la yema proximal de la extremidad, que da origen al brazo. Aun así, no se sabe si los TAD son una estrategia adaptativa para mejorar las interacciones regulatorias o un efecto de las limitaciones en estas mismas interacciones. Los límites de TAD a menudo están compuestos por genes internos, ARNt, otras secuencias altamente expresadas y Elementos Cortos Intercalados (SINE). Si bien estos genes pueden aprovechar su posición de borde para expresarse de manera ubicua, no están directamente vinculados con la formación de bordes de TAD. Las moléculas específicas identificadas en los límites de los TAD se denominan aislantes o proteínas arquitectónicas porque no solo bloquean la expresión con fugas del potenciador, sino que también garantizan una compartimentación precisa de las entradas reguladoras cis al promotor objetivo. Estos aislantes son proteínas de unión al ADN como CTCF y TFIIIC que ayudan a reclutar socios estructurales como cohesinas y condensinas. La localización y unión de proteínas arquitectónicas a sus correspondientes sitios de unión está regulada por modificaciones postraduccionales. ☃☃ Los motivos de unión al ADN reconocidos por las proteínas arquitectónicas son de alta ocupación y alrededor de una megabase entre sí o de baja ocupación y dentro de los TAD. Los sitios de alta ocupación generalmente se conservan y están estáticos, mientras que los sitios intra-TAD son dinámicos de acuerdo con el estado de la celda, por lo tanto, los TAD mismos están compartimentados en subdominios que pueden denominarse subTAD desde unos pocos kb hasta un TAD largo (19). Cuando los sitios de unión arquitectónicos están a menos de 100 kb entre sí, las proteínas mediadoras son las proteínas arquitectónicas que cooperan con la cohesina. Para subTADs mayores de 100 kb y límites de TAD, CTCF es el aislante típico que interactúa con la cohesión.
En eucariotas, el ARNr ribosómico y los ARNt involucrados en la traducción están controlados por la ARN polimerasa I (Pol I) y la ARN polimerasa III (Pol III). La ARN polimerasa II (Pol II) es responsable de la producción de ARN mensajero (ARNm) dentro de la célula. Particularmente para Pol II, muchos de los puntos de control regulatorios en el proceso de transcripción ocurren en el ensamblaje y escape del complejo de pre-iniciación. Una combinación de factores de transcripción específicos de genes reclutará TFIID y/o TFIIA en el promotor central, seguido de la asociación de TFIIB, creando un complejo estable en el que se pueden ensamblar el resto de los factores de transcripción generales (GTF). Este complejo es relativamente estable y puede sufrir múltiples rondas de iniciación de la transcripción. Después de la unión de TFIIB y TFIID, Pol II, el resto de GTF se pueden ensamblar. Este ensamblaje está marcado por la modificación postraduccional (típicamente fosforilación) del dominio C-terminal (CTD) de Pol II a través de varias quinasas. El CTD es un gran dominio no estructurado que se extiende desde la subunidad RbpI de Pol II y consta de muchas repeticiones de la secuencia de heptada YSPTSPS. TFIIH, la helicasa que permanece asociada con Pol II durante la transcripción, también contiene una subunidad con actividad quinasa que fosforilará las serinas 5 en la secuencia de heptada. De manera similar, tanto CDK8 (una subunidad del complejo mediador multiproteico masivo) como CDK9 (una subunidad del factor de elongación p-TEFb), tienen actividad quinasa hacia otros residuos en el CTD. Estos eventos de fosforilación promueven el proceso de transcripción y sirven como sitios de reclutamiento para la maquinaria de procesamiento de ARNm. Las tres de estas quinasas responden a señales corriente arriba, y la falta de fosforilación de CTD puede conducir a una polimerasa estancada en el promotor.
En los vertebrados, la mayoría de los promotores de genes contienen una isla CpG con numerosos sitios CpG. Cuando muchos de los sitios CpG del promotor de un gen están metilados, el gen se silencia. Los cánceres colorrectales suelen tener de 3 a 6 mutaciones de conductor y de 33 a 66 mutaciones de autoestopista o pasajero. Sin embargo, el silenciamiento transcripcional puede ser más importante que la mutación para provocar la progresión al cáncer. Por ejemplo, en los cánceres colorrectales alrededor de 600 a 800 genes son silenciados transcripcionalmente por la metilación de la isla CpG (regulación de la transcripción en el cáncer). La represión transcripcional en el cáncer también puede ocurrir por otros mecanismos epigenéticos, como la expresión alterada de microARN. En el cáncer de mama, la represión transcripcional de BRCA1 puede ocurrir con mayor frecuencia por microARN-182 sobreexpresado que por hipermetilación del promotor BRCA1 (ver Baja expresión de BRCA1 en cánceres de mama y ovario).
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