El proceso de transcripción del ADN es el primer paso hacia la formación de las proteínas a partir del ADN. La transcripción del ADN es la síntesis del ARNm (ARN mensajero) a partir del ADN que posteriormente será traducido para formar las proteínas.
El proceso por el cual los organismos vivos (eucariotas y procariotas) transforman la información que codifica el ADN en proteínas necesarias para su proceso vital se llama expresión génica.
Este es el dogma central de la biología molecular: el flujo unidireccional que se produce en las células y que es el siguiente. Se parte del ADN que codifica toda la información genética (contiene toda la información para formar todas las proteínas que forman los organismos vivos) y se replica con cada división celular (o mitosis). Para que a partir del ADN puedan formarse las proteínas, éste se transcribe en ARN mensajero gracias al proceso de transcripción y el ARN mensajero se traduce en las proteínas, mediante el proceso de traducción.
Es muy importante recalcar que este proceso es unidireccional. A partir de ARN no se forma ADN, salvo en el caso de algunos virus (los que se engloban dentro de la familia de los retrovirus) mediante el proceso de transcripción inversa y una enzima de tipo de ADN polimerasa específica (llamada transcriptasa inversa) que solo tienen ciertos virus.
¿Dónde se produce la transcripción del ADN?
En el caso de células eucariotas la transcripción del ADN se produce en el núcleo mientras que en el caso de procariotas sucede en el nucleoide.
El ARN mensajero (ARNm)
A partir de una cadena de ADN molde se forma una cadena de ARN monocatenario llamado ARNm o mensajero.
El ARN mensajero es un completo reflejo de las bases del ADN, es muy heterogéneo con respecto al tamaño, ya que las proteínas varían mucho en sus pesos moleculares.
Esta cadena de ARNm es capaz de asociarse con los ribosomas para la síntesis de proteínas y posee una alta velocidad de recambio debido a que se degrada rápidamente también contienen U en lugar de T.
Los productos de la transcripción no son sólo ARNm sino que también se forma ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr). Dentro de la cadena de ADN hay genes que codifican para ARNt y ARNr.
La replicación y la transcripción difieren en otro aspecto muy importante, durante la replicación se copia el cromosoma de ADN completo de una vez, pero la transcripción es selectiva, es decir, no se transcribe toda la cadena de ADN si no solo aquellas regiones necesarias para sintetizar las proteínas que sean necesarias en cada momento.Así se puede regular la transcripción del ADN.
Hay secuencias reguladoras específicas indican el principio y el fin de los segmentos de ADN que se tienen que transcribir, así como cuál de las dos cadenas de ADN se tiene que utilizar de molde. La cadena que sirve como molde al ARN es la 3′-5′ y se llama con sentido, la otra es la antisentido cuya secuencia coincide con la del ARNm transcrito.
El ARN mensajero puede ser editado por mecanismos biológicos como se explica en este artículo.
ARN polimerasa
Es una ARN polimerasa dirigida por ADN. Es la enzima que transcribe la cadena con sentido del ADN a una molécula de ARN mensajero. Esta enzima forma el enlace fosfodiéster en el RNA en crecimiento mediante un ataque nucleofílico al nucleótido entrante. No necesita cebador y sintetiza en dirección 5′-3′.
ARN polimerasa en virus y procariotas
En los virus de tipo fago tiene un peso de 11 KDa.
En procariotas es una única RNA polimerasa (abreviadamente RNA pol) la que transcribe todos los ARNs. Tiene cinco subunidades proteicas: dos alfa, beta, beta prima y sigma. Las dos alfa, beta y beta prima forman el núcleo de la enzima que es la estructura que lleva a cabo el proceso de polimerización (es el centro catalítico).
La enzima requiere un factor sigma reconoce el sitio de iniciación de la transcripción y por ello puede haber diferentes sigmas. Reconoce secuencias específicas llamadas centros promotores. Una vez que la RNA pol lleva iniciados dos o tres NTP se suelta sigma y sigue el núcleo, este factor sigma se une a otro núcleo y continúa la transcripción hasta que encuentra la señal de terminación que son diferentes. Su masa total son 480 kDa.
ARN polimerasas eucariotas
En eucariotas hay tres tipos de ARN polimerasas: I, II y III. Son mayores de 600 kDa y se dividen en dos partes L y L’. Hay una ARN pol para cada tipo de ARN.
- ARN pol I (nucleolo) se encarga de rRNA 18 S, 5.8 S y 28 S.
- La RNA pol II (nucleoplasma) se encarga de precursores de mRNA y snRNA.
- La RNA pol III (nucleoplasma) se encarga del tRNA y rRNA 5 S.
Como curiosidad la toxina a-amanitina procedente del hongo Amanita phalloides actúa por inhibicion de ARN polimerasas. Es un poderoso veneno que inhibe fuertemente a la RNA pol II, y a altas concentraciones inhibe a ARN pol III. Con respecto a ARN pol I es insensible. Afecta en primer lugar al hígado y puede excretarse por la orina. Si el tejido hepático afectado es lo suficientemente importante se produce la muerte. La dosis a la cual esta toxina es letal es la cantidad que se encuentra en el sombrero de este hongo madurno.
En procariotas la transcripción y la traducción es simultánea, mientras que las eucariotas requieren primero una maduración del ARNm y después se produce la traducción.
Fases de la transcripción
La transcripción del ADN a ARN requiere que exista una una región promotora y otra terminadora. También requiere de un factor sigma que permite que la enzima reconozca y se una específicamente a las regiones promotoras. Por este motivo, la transcripción comienza con la holoenzima buscando un promotor y uniéndose a él de manera laxa.
La ARN polimerasa se une al molde en los centros promotores, es decir, en secuencias específicas del ADN para la unión de ARN pol. Poseen una serie de características y reciben el nombre de secuencias consenso. Los promotores están alineados de acuerdo con sus homologías, o secuencias de bases similares que aparecen justo delante de la primera base transcrita llamada punto de iniciación.
Iniciación
Una vez que sigma se ha unido al promotor, se une el resto de la enzima y se forma una estructura llamada «complejo del promotor cerrado». A continuación se desenrolla un tramo de ADN con lo que queda al descubierto el sitio de iniciación. La RNA pol se fija más fuertemente formando el «complejo del promotor abierto». Cuando entra el segundo nucleótido empieza a formarse el enlace fosfodiéster. Cuando la RNA pol se ha elongado un número pequeño de nucleótidos sigma se separa del núcleo.
Elongación
La RNA pol debe sintetizar ARN. Se sintetiza siempre en dirección 5′-3′. Pero para sintetizarlo se debe desenrollar el ADN una corta distancia llamada «burbuja de replicación». La elongación presenta dos problemas: el dúplex debe enrollarse por detrás y desenrollarse por delante. Así la RNA sigue el sentido de desenrollado y el RNA se enrolla alrededor del dúplex con lo que no se produce superenrollamiento.
Para evitar los superenrollamientos, las topoisomerasas alivian las tensiones eliminando los superenrollamientos. Se da entonces una región infraenrollada por detrás y otra sobreenrollada por delante.
El ARN se sintetiza por emparejamiento de bases con una de las cadenas de ADN en una región desenrollada transitoriamente. A medida que la región de desenrollamiento avanza, el ADN de doble cadena se reconstituye por detrás de ella, desplazando al ARN en forma de una cadena polinucleotida simple. Así, hay un momento en el que se forma un híbrido de ADN:ARN.
Terminación
La polimerasa de RNA reconoce también señales de terminación de la cadena. Se dan dos tipos de terminación: directa o mediada por proteínas.
La terminación directa hace referencia a determinadas secuencias palindrómicas que cuando el ARN se transcribe se enrollan en forma de horquilla y pierde estabilidad con lo que la cadena se disocia.
Después de la horquilla viene una región de poli(U) que parece actuar como señal para que se suelte la polimerasa de ARN y termine la transcripción.
La terminación mediada por proteínas necesita de la proteína rho que reconoce la señal de terminación. No tienen la cadena de poli(U) cuando se produce este mecanismo.
Rho es un hexámero formado por seis subunidades idénticas que aprovecha la hidrólisis de ATP para desencadenar la reacción de terminación. En primer lugar rho se une a un sitio específico del ARN llamado rut, tras unirse a él rho viaja en dirección 5′-3′ hasta que encuentra a la ARN pol y desenrolla el segmento bicatenario RNA-DNA formado, por lo que se libera el RNA y la RNA pol cesando la transcripción.
Procesamiento y maduración del ARNm
En primer lugar se le añade un casquete de 7′-metilguanosina también llamado CAP. Mediante una guanidiltransferasa, se ataca al fosfato interno del 7′-metilGTP y se libera un pirofosfato, el Gp que queda se une al mRNA y se pierde un P del mRNA inicial. Así se añade la gorra de metilguanosina.
En segundo lugar se le añade una cola de poli(A). La RNA-pol sintetiza mRNA más allá de la secuencia de corte: AUAAA. Esta secuencia sirve de señal para la adición de residuos de adenina al complejo mediante la poliadenilato polimerasa mediante la hidrólisis de ATP y una endonucleasa que elimina entre 11 y 20 nucleótidos del extremo 3′ y después es cuando la poliadenilato adiciona 20-250 nucleótidos de A. En el sitio de corte de la endonucleasa es donde comienza a añadir A.
En tercer lugar se produce el corte y empalme de intrones y exones. Es necesario eliminar los intrones y empalmar los exones en un proceso conocido como corte y empalme o del inglés splicing. No necesita ATP. Por diferentes mecanismos se cortan los intrones y se separan (el ARN todavía con los intrones se llama ARNhn), posteriormente se fusionan los exones y nos da lugar a un ARNm maduro, con su gorra de metilguanosina, su cola de poli(A) y sin intrones.
