Regulación y Maduración del RNA: Mecanismos Clave en la Expresión Genética

Regulación Epigenética

• Se ejerce a través de metilaciones específicas en el DNA, en los islotes CpG.
• En los genes cuyos islotes CpG no están metilados, la transcripción se inicia libremente en presencia de los factores de transcripción adecuados.

En los islotes CpG metilados la metilación puede darse de forma que:

• Se metilen las secuencias promotoras, impidiendo la unión de los factores de transcripción y el gen no se transcribe.
• Se metilen las proximidades del origen de transcripción, de forma que unas proteínas se unen al DNA metilado, impidiendo la transcripción, bloqueando el avance de la RNA polimerasa o impidiendo la unión de los factores de transcripción.

Tipos de RNA

hnRNA: precursor del mRNA, su tamaño es muy heterogéneo y la vida media muy breve. En cuanto se sintetiza, se le unen proteínas, formando el hnRNP. Más del 70% de hnRNA se degrada en el núcleo sin conseguir madurar correctamente.

snRNA: se trata de RNA nucleares pequeños y monocatenarios que miden de 50 a 300 nt. y tienen sus propios promotores.

snoRNA: RNA nucleolares pequeños y monocatenarios que se obtienen por el procesamiento de los intrones, aunque algunos tienen sus propios promotores. Sirven para ayudar a procesar el pre-rRNA 45S, guiar sus modificaciones covalentes y madurar los tRNA.

miRNA: es el microRNA, pequeñas moléculas de RNA monocatenario que regulan la transcripción de determinados mRNA mediante co-supresión, o se unen al 3’ UTR de un mRNA y bloquean su traducción. Se transcriben a partir de su propio promotor. Forman parte de este tipo de RNA los stRNA (small temporal RNA) y su precursor, el shRNA (small hairpin RNA).

siRNA: son los RNA interferentes pequeños que se obtienen por la degradación de dsRNA en fragmentos de 21-25 y que permiten degradar los mRNA complementarios a ellos.

RNA Polimerasas y Promotores

• RNA pol I: sintetiza los pre-RNAr que tras el proceso de maduración darán lugar a RNAr maduro (en el nucléolo).
• RNA pol II: sintetiza los pre-RNAm y la mayoría de los RNA de ribonucleoproteínas pequeñas (en el nucleoplasma).
• RNA pol III: sintetiza los pre-RNAt y pre-RNAr pequeños.
• RNA pol mitocondrial: sintetiza RNA mitocondrial.
• RNA pol cloroplástica: sintetiza RNA cloroplástico.

Maduración del RNA

A partir de la secuencia molde de DNA se va a formar un transcrito primario de RNA, que está constituido tanto por secuencias codificantes (exones) como no codificantes (intrones). Estos intrones solo aparecen en eucariotas.

En el proceso de maduración del RNA se van a procesar y eliminar estos intrones para formar el transcrito maduro de RNA. Comprende los siguientes procesos:

Formación de la caperuza 5'

Formación de la cola poliA en el extremo 3'.

Eliminación de intrones (splicing)

Formación de la caperuza 5'

La caperuza es una metilguanosina, muy importante para la traducción. Cuando se forma la caperuza, también se metilan unas bases nitrogenadas adyacentes en ese extremo. Esto es importante porque es la señal de reconocimiento para el ribosoma, además de tener función de protección.

En la formación de la caperuza intervienen diferentes enzimas, como la fosforilasa que elimina el grupo fosfato, la guanidil transferasa que transfiere GTP, y la metil transferasa que metila las bases adyacentes.

Formación de la cola poliA

En el extremo 3' del RNA inmaduro se encuentra la señal de poliadenilación. En el RNA, esta señal (AAUAAA) sirve de reclamo a un complejo enzimático, formado por la endonucleasa y la poliadenilato polimerasa, que corta el RNA.

A continuación, añade adeninas, formando la cola de poliA. Esta cola da estabilidad y alarga la vida del mRNA, que puede servir de molde para formar proteínas muchas veces.

Eliminación de intrones (splicing)

Esta eliminación se lleva a cabo gracias a las reacciones de corte y empalme o splicing. Hay 4 tipos diferentes de splicing, en función del tipo de intrón a eliminar:

Tipos de intrones:

• Tipo I à RNAr
• Tipo II à RNAm mitocondrial y cloroplásticos
• Tipo III à RNAm nuclear
• Tipo IV à RNAt

Todos los intrones tienen una serie de secuencias características, que determinan el principio, la parte media y el final del intrón.

El procesamiento de los intrones tipo I y II no requiere de proteínas externas al RNA, es decir, realizan auto-splicing.

Tipo I: para su eliminación es necesario un nucleótido de purina que va a producir un ataque nucleofílico y ruptura del enlace fosfodiéster del grupo OH del extremo 5' del intrón, quedando el nucleótido de purina unido a dicho extremo. El extremo 5' del exón realiza un segundo ataque nucleofílico al nucleótido de purina, liberándose el intrón.

Tipo II: al igual que antes, hay una secuencia que determina el comienzo, la parte media y el final del intrón. En la secuencia del intrón hay un nucleótido de guanina. Con su grupo -OH realiza un ataque nucleofílico al extremo 5' del intrón, formándose una estructura en bucle. El 2º ataque nucleofílico lo realiza el extremo 5' del exón, separándose el intrón.

Tipo III: en este mecanismo de corte y empalme sí se necesitan proteínas ajenas para eliminar el intrón. Estas proteínas son ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (U1, U2, U3, U4, U5, U6), que están formadas por una porción proteica y otra de RNA, que va a reconocer las secuencias de bases que determinan el intrón:

U1: reconoce el inicio del intrón

U2: reconoce el final del intrón.

Esto sirve de reclamo a U4, U5, U6 que se unen.

U1 se une a U2, estableciéndose una estructura de espliceosoma. La U6 se une al punto de splicing y procesa el final del intrón.

Tipo IV: se encuentra en RNAt. También necesita de proteínas ajenas para eliminar el intron, en este caso son proteínas enzimáticas.

Una endonucleasa corta el intron y lo elimina, pero no deja el extremo 3’ del primer exón y el 5’ del segundo en condiciones para poder formar un enlace fosfodiéster entre ellos. La fosfodiesterasa retiene el enlace fosfodiéster y pone un OH, la fosforilasa fosforila el extremo 5’ del segundo exón, una quinasa introduce un grupo fosfato en 5’, la ligasa une los 2 extremos y por último la fosfatasa elimina el fosfato de más que había introducido la quinasa.

Maduración diferencial del hmRNA:

Este se puede procesar de distintas maneras en cuanto a intrones o señales de poliadenilación y así se producen distintas proteínas.

Se forma el transcrito inmaduro. Se pueden utilizar 2 señales de poliadenilación. Al utilizar el 1º la proteína es muy corta, si utilizaremos el 2º, la proteína es distinta, con distintas propiedades y longitudes.

Por ejemplo en la síntesis de la calcitonina creada en el tiroides o de la proteína CGPP, creada en el cerebro. Su secuencia de DNA es la misma, pero maduran de forma distinta creando distintas proteínas con distintas propiedades y funciones.

En el tiroides se reconoce la 1º señal de poliadenilación, se eliminan los intrones y nos da la calcitonina. En el cerebro se utiliza la 2º señal y da lugar a CGPP.

Del 30% al 75% de los genes de humanos sufren maduración diferencial, lo que conlleva a la obtención de proteínas diferentes, diferente localización tisular o diferente localización celular.

A partir de un gen se pueden a veces formar hasta incluso 30 proteínas como la tropomiosina  que es una proteína estructural y da flexibilidad a los tejidos.

Editing del RNAm:

Consiste en el cambio sutil de nucleótidos porque se añaden o modifican, con lo que cambia el sentido del mensaje. El descubrimiento se produjo cuando se estudiaba la proteína citocromo c oxidasa mitocondrial, a partir de su secuenciación se pudo observar que había bases del RNAm que no coincidían con las del DNA, se habían añadido cuatro U al realizarse la transcripción.

Un ejemplo de este editing lo tenemos en la síntesis de receptores del glutámico, canales iónicos fundamentalmente del cerebro que transportan Na+ y Ca ++. Unos los 2 iones, otros solo uno, provienen del mismo gen pero por editing se produce un cambio de CAGàCGG, y en vez de sintetizar glutamina que hace que el canal transporte los 2 iones, se sintetiza arginina y el canal solo conduce Ca++.

Otro ejemplo es la síntesis de apoproteinas B 48 y 100, ambas se sintetizan a partir del mismo gen. La ApoB100 no va a sufrir editing en el hígado, pero si en el intestino, donde encontramos desaminasas, por lo que va a dar lugar a otra proteína x desanimación de la citosina al transformar CAA en UAA, que es un codón de parada.

Maduración del RNAt:

Son de pequeño tamaño y transportan los a.a para la traducción. La es de tipo trébol donde destacamos el anticodon y el brazo aminoacilo donde se engancha el a.a. se sintetiza en un principio y después debe madurar:

• Se corta parte tanto en el extremo 3’ como en el 5’.
• Se elimina por splicing el intron que hay que procesar.
• Se introduce la modificación de una serie de bases, ya que los RNAt son ricos en bases anómalas.
• Entran 3 nucleótidos en la posición 3’, llamados extremo aminoacilo (CCA) gracias a la RNAt nucleoditil transferasa, la única polimerasa capaz de añadir 3 nucleótidos a la vez.

Maduración del RNAr

Se sintetizan no maduros, su agrupación de genoma esta en tándem. Cuando se transcribe, cada repetición da lugar a un preRNA que se llama preRNA 45S en eucariotas y para madurar se corta cada uno para liberar el RNA 18S, RNA 28S… Este RNA ribosómico se junta con proteínas para formar proteínas: RNA 18S, con 30 proteínas forman la subunidad pequeña, RNA 28S mas 5S RNA y 50 proteínas forman la subunidad grande del ribosoma.

Transcripción del RNA mitocondrial

En el DNA mitocondrial distinguimos 3 promotores dando lugar a 3 transcritos. Hay 2 promotores H que cuando se activan el H1 da lugar a un transcrito corto de cadena ligera (L1), con el 2º promotor H2 se sintetiza un transcrito largo (L2) y el 3º promotor se copia a otra cadena y se produce un transcrito largo. El hecho de utilizar uno u otro promotor está regulado por las hormonas tiroideas.