en el episodio de este mes, vamos a volver a un tema al que la mayoría—posiblemente incluso todos—los lectores estuvieron expuestos en algún curso de pregrado lejano, pero posiblemente no en mucha profundidad o con su importancia para las enfermedades genéticas humanas dejó muy claro fuera de unos pocos casos especiales. Aquí hay una prueba rápida: considere la pregunta: «¿son las mutaciones en o directamente adyacentes a las regiones codificantes de los genes las únicas que pueden conducir a estados de enfermedad?»Si su reacción inmediata es responder a esto con un «Sí», este artículo es para usted., (Si respondiste «No», es posible que quieras seguir leyendo de todos modos y ver si tu lógica es correcta!)
volvamos a la biología molecular muy básica.,ome contiene genes, que son regiones del ADN que se transcriben a ARN; en algunos casos este ARN es directamente funcional (cosas como tRNAs o el componente 18S del ribosoma, por ejemplo) pero en la mayoría de los casos, el ARN es un ARNm, que lleva una secuencia de codificación de proteínas que se traduce por la maquinaria ribosómica en una serie covalentemente Unida de aminoácidos—una proteína—que por naturaleza de las variadas químicas de la cadena lateral y sus interacciones electrostáticas, de enlace de hidrógeno e hidrofóbicas se pliega hasta un estado de energía termodinámica mínima para crear una enzima funcional o proteína estructural., Las mutaciones-cambios en la secuencia de ADN subyacente—dentro de cualquiera de esta región de codificación es estadísticamente probable que causen cambios no deseados de la función en el producto proteico final, aunque «probable» hay un recordatorio de que tales mutaciones pueden ser silenciosas (es decir, no causar un cambio en la secuencia proteica), o no dañinas (causar un cambio que no tiene un impacto significativo), o incluso posiblemente ventajosas, produciendo un producto biológicamente más adecuado.,
lo que omite ese resumen comprimido de aproximadamente dos años de cursos de biología de pregrado, es que estos genes en el ADN no se transcriben mágicamente al ARN por sí solos. Teniendo en cuenta que solo una pequeña fracción del genoma humano lleva genes reales como se define anteriormente, existen otros elementos de secuencia de ADN cuyo único papel es marcar dónde están los genes y controlar su nivel de expresión (transcripción a ARN)., Hay tres tipos particularmente significativos de estos elementos de control, llamados promotores, potenciadores y represores; y como veremos más adelante, las mutaciones en cualquiera de estos pueden tener efectos tan graves (o peores) que las mutaciones en secuencias codificantes.
Promotores: el gatekeeper proximal para un gen
promotores son secuencias relativamente cortas (aproximadamente 100 a 1.000 pares de bases en longitud) siempre encontradas directamente aguas arriba (5′, con respecto a la cadena de codificación de ADN) del gen que controlan («drive», en lenguaje habitual)., Estas secuencias contienen elementos que reclutan en las ARN polimerasas responsables de transcribir el gen. De manera muy simplista, si una secuencia promotora definida en particular en un tipo y configuración celular particular es lo más eficiente posible en el reclutamiento de ARN polimerasa—llamemos a eso 100 por ciento de actividad—entonces pueden ocurrir variaciones en la secuencia que reducen esta actividad (se hace menos ARN por unidad de tiempo)., Algunos cambios son más disruptivos que otros, y en combinaciones no es difícil imaginar cómo las variaciones de una secuencia promotora «mejor» pueden conducir a un rango suave de tasas de expresión basal, desde menos del 1 por ciento hasta una expresión completa del 100 por ciento. Eso es una gran cosa desde el punto de vista de una célula, porque permite que los diferentes genes tengan sus niveles de expresión adaptados a la cantidad de producto genético en estado estacionario necesaria.
añadiendo (literalmente) una capa de complejidad aquí es que los promotores no se unen directamente a la ARN polimerasa., En cambio, contienen sub-secuencias más cortas, que son reconocidas como sitios de unión para una clase de proteínas conocidas como factores de transcripción (TFs); hay una gran cantidad de estos, cada uno con su propio sitio de unión de secuencia de ADN preferido (generalmente corto, 10-20 pares de bases) y su propio nivel de capacidad para reclutar en la ARN polimerasa. Muchos también tienen, ya sea directa o indirectamente, sitios de unión alostéricos (secundarios) donde ligandos como metabolitos u hormonas pueden unirse e influir en el nivel de actividad del factor de transcripción., De hecho, es la compleja interacción de todos estos diferentes factores de transcripción y sus ligandos moduladores lo que está en el Centro de cómo se definen los diferentes tipos de células, y un hepatocito se comporta de manera diferente que una célula epitelial a pesar de que ambos tienen el mismo ADN—están «recibiendo diferentes señales»—que controlan sus niveles relativos de expresión de varios genes.,
es fácil comprender entonces cómo una mutación dentro de un promotor, cambiando un sitio de unión TF, puede conducir a problemas no a través de un cambio en la función del producto genético maduro, sino a través de la variación en el nivel de expresión del producto. La indeseable regulación hacia arriba o hacia abajo de un gen puede tener graves consecuencias; y si es lo suficientemente desafortunado como para suceder en un gen que a su vez controla la expresión o actividad de otros genes, un conjunto completo de genes puede tener sus niveles alterados por un solo cambio de nucleótido., En casi todos los casos, eso no es lo mejor y tal cambio resulta en un estado de enfermedad.
el lector recordará que comenzamos esta sección afirmando que un promotor siempre está directamente aguas arriba de un gen. El espaciamiento entre el promotor y el sitio de inicio transcripcional (donde se establecerá el primer nucleótido de ARN en una transcripción naciente) también es importante, por lo que las mutaciones de inserción o deleción, incluso las que no cambian directamente ningún sitio de unión de TF específico, pueden afectar el nivel de expresión génica. Un ejemplo de esto inmediatamente familiar para todos los lectores sería la enfermedad de Huntington., Aquí, un elemento genético inestable se encuentra entre el promotor y el sitio de inicio transcripcional. Normalmente el espaciamiento es aceptable y se transcriben niveles suficientes del ARNm del gen de Huntington; sin embargo, durante la replicación celular, el elemento inestable puede tener ADN adicional insertado, alejando el promotor del inicio del gen. A medida que esto sucede, el promotor es menos eficiente en la conducción de transcripción y los niveles de transcripción caen., Si la inserción es pequeña y la caída en la expresión es baja, la enfermedad manifiesta no ocurre, pero se considera un estado «portador», donde una mayor expansión reducirá la expresión génica por debajo de los niveles requeridos para la función normal, y los resultados de la patología de la enfermedad. (Carrier en este sentido no es estrictamente idéntico al significado en la genética mendeliana, por lo tanto las comillas.,)
la conclusión es que para cada gen, no solo es importante la secuencia de la sección de codificación para el funcionamiento adecuado, sino que siempre hay una región promotora adyacente que es susceptible a mutaciones que pueden tener repercusiones clínicas graves. Un gen puede tener una secuencia de codificación de tipo salvaje perfecta y, sin embargo, no funciona como es necesario.
potenciadores y represores
la buena noticia sobre los promotores es que sabemos dónde encontrarlos., De hecho, mediante la secuenciación y el examen de un gran número de ellos en varios contextos, y la identificación de los diversos TFs que se unen a sus sitios de unión y sus ligandos, entendemos, podemos encontrar, y en el contexto correcto, incluso manipular a los promotores a voluntad para hacer cosas tales como crear la expresión génica específica del tejido.
Sin embargo, los potenciadores y represores son más desafiantes. Estos son elementos de secuencia de ADN que también pueden modular los niveles de expresión génica (hacia arriba para los potenciadores, y hacia abajo para los represores, como uno podría adivinar)., Al igual que los promotores, son elementos de pares de bases cortos (50-1.000), y dentro de este elemento portarán sitios de unión (a menudo, como copias repetidas) para proteínas que pueden influir en las tasas de transcripción en genes cercanos. Sin embargo, Nearby es un término intencionalmente vago, ya que puede variar hasta 1 millón de pares de bases del gen al que influye, y pueden estar aguas arriba o aguas abajo, es decir, 5′ o 3′, hasta el gen. Al menos están restringidos a la acción en cis o, en otras palabras, en el mismo cromosoma contiguo que el gen, pero identificarlos en relación con un gen en particular puede ser difícil., Considerando el caso de una secuencia potenciadora hipotética, encontrar niveles inesperadamente bajos de expresión de un gen intacto con secuencia promotora aparentemente normal sería la primera pista de que las secuencias potenciadoras podrían estar involucradas. Si se pudiera encontrar un número de estos casos y se pudiera secuenciar la región genómica que flanquea el gen impactado, la identificación de cualquier área de cambio genético del tipo salvaje en común entre estos casos sería un lugar para buscar elementos potenciadores. Se espera que el daño (alteración o deleción de secuencias) de estos reduzca la expresión génica., La imagen especular de esto en cierto sentido es un represor, que comparte las mismas características pero que en su estado normal reduce la expresión del gen. Las mutaciones en un sitio represor entonces causan un upregulation indeseable en la expresión del gen.
¿Cómo funcionan los potenciadores y represores a través de distancias tan grandes, y quizás más interesante, cómo es que son específicos? Es decir, un potenciador o represor generalmente actuará sobre un gen distal en particular, sin embargo, otros genes cercanos al afectado pueden no ser influenciados., La respuesta a esto es quizás algo decepcionante, ya que no hay nada sorprendente; la respuesta es, porque el potenciador o represor no está, espacialmente, lejos del gen que regula. En otras palabras, los potenciadores y represores son capaces de trabajar en objetivos secuencialmente distales debido a la organización de la cromatina. Al envolver y compactar cromosomas para que quepan dentro de un núcleo celular, los elementos de secuencia distantes se pueden colocar físicamente adyacentes entre sí de tal manera que una proteína que une un elemento de secuencia está tocando e influenciando directamente a otro., Sin embargo, el lector astuto notará que para que esto funcione de manera confiable, el empaque y la organización del gen deben ocurrir de manera reproducible, de modo que se pueda confiar en que las dos secciones del cromosoma estén próximas. Un lector aún más astuto podría adivinar que si la organización y el empaque de los cromosomas cambian de manera confiable durante los pasos del ciclo celular, uno podría imaginar potenciadores o represores que solo pueden ejercer influencia en momentos específicos.,
conclusión
el mensaje de llevar a casa de todo lo anterior es que no, no es solo la secuencia de codificación de cualquier gen dado que puede mutar e influir en la función biológica del gen. Esto tiene posibles implicaciones para la información relativa transportada por la secuenciación del genoma completo frente a los proyectos de secuenciación del exoma completo, pero ese es un tema para otro mes.
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