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28: Regulación de la expresión genética - Biología

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28: Regulación de la expresión genética

En el ADN, la regulación de la expresión génica ocurre normalmente a nivel de la biosíntesis (transcripción) del ARN y se logra mediante la unión de proteínas específicas de secuencia (factores de transcripción) que activan o inhiben la transcripción. Los factores de transcripción pueden actuar como activadores, represores o ambos. Los represores a menudo actúan impidiendo que la ARN polimerasa forme un complejo productivo con la región de inicio de la transcripción (promotor), mientras que los activadores facilitan la formación de un complejo productivo. Además, se ha demostrado que los motivos de ADN son predictivos de modificaciones epigenómicas, lo que sugiere que los factores de transcripción juegan un papel en la regulación del epigenoma. [2]

En el ARN, la regulación puede ocurrir al nivel de la biosíntesis de proteínas (traducción), la escisión del ARN, el corte y empalme del ARN o la terminación de la transcripción. Las secuencias reguladoras se asocian frecuentemente con moléculas de ARN mensajero (ARNm), donde se utilizan para controlar la biogénesis o traducción del ARNm. Una variedad de moléculas biológicas pueden unirse al ARN para lograr esta regulación, incluidas proteínas (por ejemplo, represores de traducción y factores de corte y empalme), otras moléculas de ARN (por ejemplo, miARN) y moléculas pequeñas, en el caso de los riboconmutadores.

Una secuencia de ADN reguladora no regula a menos que esté activada. Se activan diferentes secuencias reguladoras y luego implementan su regulación mediante diferentes mecanismos.

Activación e implementación de potenciadores Editar

La expresión regulada positivamente de genes en mamíferos puede iniciarse cuando se transmiten señales a los promotores asociados con los genes. Las secuencias de ADN reguladoras cis que se encuentran en regiones de ADN distantes de los promotores de genes pueden tener efectos muy importantes sobre la expresión génica, y algunos genes experimentan una expresión aumentada hasta 100 veces debido a dicha secuencia reguladora cis. [3] Estas secuencias cis-reguladoras incluyen potenciadores, silenciadores, aislantes y elementos de anclaje. [4] Entre esta constelación de secuencias, los potenciadores y sus proteínas de factor de transcripción asociadas tienen un papel principal en la regulación de la expresión génica. [5]

Los potenciadores son secuencias del genoma que son los principales elementos reguladores de genes. Los potenciadores controlan los programas de expresión génica específicos del tipo de célula, la mayoría de las veces recorriendo largas distancias para acercarse físicamente a los promotores de sus genes diana. [6] En un estudio de neuronas corticales cerebrales, se encontraron 24.937 bucles que traen potenciadores a los promotores. [3] Múltiples potenciadores, cada uno a menudo a decenas o cientos de miles de nucleótidos distantes de sus genes diana, se enlazan con sus promotores de genes diana y se coordinan entre sí para controlar la expresión de su gen diana común. [6]

La ilustración esquemática de esta sección muestra un potenciador dando vueltas para acercarse físicamente al promotor de un gen diana. El bucle se estabiliza mediante un dímero de una proteína conectora (por ejemplo, dímero de CTCF o YY1), con un miembro del dímero anclado a su motivo de unión en el potenciador y el otro miembro anclado a su motivo de unión en el promotor (representado por el zigzags rojos en la ilustración). [7] Varias proteínas de factores de transcripción específicos de la función celular (en 2018 Lambert et al. Indicaron que había alrededor de 1.600 factores de transcripción en una célula humana [8]) generalmente se unen a motivos específicos en un potenciador [9] y una pequeña combinación de estos potenciadores Los factores de transcripción unidos, cuando se acercan a un promotor mediante un bucle de ADN, gobiernan el nivel de transcripción del gen diana. El mediador (coactivador) (un complejo que generalmente consta de aproximadamente 26 proteínas en una estructura que interactúa) comunica las señales reguladoras de los factores de transcripción unidos al ADN potenciador directamente a la enzima ARN polimerasa II (RNAP II) unida al promotor. [10]

Los potenciadores, cuando están activos, generalmente se transcriben a partir de ambas cadenas de ADN con las ARN polimerasas que actúan en dos direcciones diferentes, produciendo dos eRNA como se ilustra en la Figura. [11] Un potenciador inactivo puede estar unido por un factor de transcripción inactivo. La fosforilación del factor de transcripción puede activarlo y ese factor de transcripción activado puede activar el potenciador al que está unido (ver la pequeña estrella roja que representa la fosforilación de un factor de transcripción unido a un potenciador en la ilustración). [12] Un potenciador activado comienza la transcripción de su ARN antes de activar un promotor para iniciar la transcripción del ARN mensajero de su gen objetivo. [13]

Metilación y desmetilación de islas CpG Editar

La 5-metilcitosina (5-mC) es una forma metilada de la citosina base del ADN (ver Figura). 5-mC es un marcador epigenético que se encuentra predominantemente en las citosinas dentro de los dinucleótidos CpG, donde la citosina 5 'es seguida por la guanina 3' (sitios CpG). Aproximadamente 28 millones de dinucleótidos CpG se encuentran en el genoma humano. [14] En la mayoría de los tejidos de los mamíferos, en promedio, del 70% al 80% de las citosinas CpG están metiladas (formando 5-metilCpG o 5-mCpG). [15] Las citosinas metiladas dentro de las secuencias de 5'citosina-guanina 3 'a menudo se encuentran en grupos, llamados islas CpG. Aproximadamente el 59% de las secuencias promotoras tienen una isla CpG, mientras que solo aproximadamente el 6% de las secuencias potenciadoras tienen una isla CpG. [16] Las islas CpG constituyen secuencias reguladoras, ya que si las islas CpG están metiladas en el promotor de un gen, esto puede reducir o silenciar la expresión génica. [17]

La metilación del ADN regula la expresión génica a través de la interacción con proteínas del dominio de unión a metilo (MBD), como MeCP2, MBD1 y MBD2. Estas proteínas MBD se unen más fuertemente a islas CpG altamente metiladas. [18] Estas proteínas MBD tienen un dominio de unión a metil-CpG y un dominio de represión de la transcripción. [18] Se unen al ADN metilado y guían o dirigen complejos de proteínas con actividad de remodelación de cromatina y / o modificación de histonas a islas CpG metiladas. Las proteínas MBD generalmente reprimen la cromatina local, por ejemplo, catalizando la introducción de marcas de histonas represivas o creando un entorno de cromatina represivo general a través de la remodelación de nucleosomas y la reorganización de la cromatina. [18]

Como se señaló en la sección anterior, los factores de transcripción son proteínas que se unen a secuencias de ADN específicas para regular la expresión de un gen determinado. La secuencia de unión de un factor de transcripción en el ADN suele tener una longitud de aproximadamente 10 u 11 nucleótidos. Como se resume en 2009, Vaquerizas et al. indicó que hay aproximadamente 1.400 factores de transcripción diferentes codificados en el genoma humano y constituyen aproximadamente el 6% de todos los genes codificadores de proteínas humanas. [19] Aproximadamente el 94% de los sitios de unión al factor de transcripción (TFBS) que están asociados con genes que responden a la señal se encuentran en potenciadores, mientras que solo alrededor del 6% de dichos TFBS se encuentran en promotores. [9]

La proteína EGR1 es un factor de transcripción particular que es importante para la regulación de la metilación de islas CpG. Un sitio de unión al factor de transcripción EGR1 se localiza frecuentemente en secuencias potenciadoras o promotoras. [20] Hay alrededor de 12.000 sitios de unión para EGR1 en el genoma de los mamíferos y aproximadamente la mitad de los sitios de unión de EGR1 se encuentran en los promotores y la otra mitad en los potenciadores. [20] La unión de EGR1 a su sitio de unión de ADN diana es insensible a la metilación de citosina en el ADN. [20]

Si bien solo se detectan pequeñas cantidades de la proteína del factor de transcripción EGR1 en las células que no están estimuladas, la traducción de EGR1 en proteína una hora después de la estimulación se eleva drásticamente. [21] La expresión de las proteínas del factor de transcripción EGR1, en varios tipos de células, puede ser estimulada por factores de crecimiento, neurotransmisores, hormonas, estrés y lesiones. [21] En el cerebro, cuando se activan las neuronas, las proteínas EGR1 se regulan positivamente y se unen a (reclutan) las enzimas TET1 preexistentes que están altamente expresadas en las neuronas. Las enzimas TET pueden catalizar la desmetilación de 5-metilcitosina. Cuando los factores de transcripción EGR1 llevan las enzimas TET1 a los sitios de unión de EGR1 en los promotores, las enzimas TET pueden desmetilar las islas CpG metiladas en esos promotores. Tras la desmetilación, estos promotores pueden iniciar la transcripción de sus genes diana. Cientos de genes en neuronas se expresan diferencialmente después de la activación neuronal a través del reclutamiento de TET1 por EGR1 a secuencias reguladoras metiladas en sus promotores. [20]

Promotores y potenciadores sensibles a la señal sujetos a roturas limitadas, a corto plazo, de doble hebra o de una hebra Editar

Aproximadamente 600 secuencias reguladoras en los promotores y aproximadamente 800 secuencias reguladoras en los potenciadores parecen depender de las roturas de doble cadena iniciadas por la topoisomerasa 2-beta (TOP2B) para la activación. [22] La inducción de roturas particulares de doble hebra es específica con respecto a su señal inductora. Cuando se activan las neuronas, solo 22 de las roturas de doble hebra inducidas por TOP2B ocurren en sus genomas. [23]

Dichas rupturas de doble hebra inducidas por TOP2B están acompañadas por al menos cuatro enzimas de la vía de reparación del ADN de unión de extremos no homólogos (NHEJ) (ADN-PKcs, KU70, KU80 y ADN LIGASE IV) (ver Figura). Estas enzimas reparan las roturas de la doble hebra en aproximadamente 15 minutos a dos horas. [23] [24] Las roturas de doble cadena en el promotor están asociadas con TOP2B y al menos con estas cuatro enzimas reparadoras. Estas proteínas están presentes simultáneamente en un solo nucleosoma promotor (hay aproximadamente 147 nucleótidos en la secuencia de ADN envueltos alrededor de un solo nucleosoma) ubicado cerca del sitio de inicio de la transcripción de su gen diana. [24]

La ruptura de doble hebra introducida por TOP2B aparentemente libera la parte del promotor en un sitio de inicio de la transcripción unido a la ARN polimerasa para moverse físicamente a su potenciador asociado. Esto permite que el potenciador, con sus factores de transcripción unidos y proteínas mediadoras, interactúe directamente con la ARN polimerasa detenida en el sitio de inicio de la transcripción para iniciar la transcripción. [23] [10]

Las enzimas topoisomerasa I (TOP1) parecen estar ubicadas en una gran cantidad de potenciadores y esos potenciadores se activan cuando TOP1 introduce una ruptura de una sola hebra. [25] TOP1 causa roturas de una sola hebra en secuencias reguladoras del ADN potenciador particular cuando es señalado por un factor de transcripción de unión a potenciador específico. [25] Las roturas de la topoisomerasa I están asociadas con diferentes factores de reparación del ADN que los que rodean las roturas de TOP2B. En el caso de TOP1, las roturas se asocian más inmediatamente con las enzimas reparadoras del ADN MRE11, RAD50 y ATR. [25]

Se están realizando investigaciones para encontrar todas las regiones reguladoras en los genomas de todo tipo de organismos. [26] Las secuencias no codificantes conservadas a menudo contienen regiones reguladoras, por lo que a menudo son objeto de estos análisis.


Fondo

Una gran cantidad de investigación epidemiológica ha relacionado las características del entorno social con la salud física humana [1, 2], pero los mecanismos genómicos de estos efectos siguen sin ser explorados en gran medida. Uno de los factores de riesgo social más robustos involucra el número y la calidad de las relaciones personales cercanas de un individuo. Las personas que están socialmente aisladas tienen un mayor riesgo de mortalidad por todas las causas [1, 2] y de varias enfermedades infecciosas, neoplásicas y cardiovasculares específicas [3-6]. La base biológica de estos hallazgos epidemiológicos no se comprende bien, en parte porque no está claro si los efectos del aislamiento social se derivan predominantemente de la privación objetiva de apoyo social instrumental (por ejemplo, asistencia física, cognitiva o económica) o de la asistencia biológica. consecuencias de la amenaza y disforia experimentadas asociadas con el aislamiento social subjetivo (es decir, la soledad). Pocos estudios epidemiológicos han distinguido claramente entre aislamiento social objetivo y subjetivo, pero entre los que sí lo han hecho, alguna evidencia apoya una contribución significativa de cada aspecto [1, 5, 7-10]. Sin embargo, las vías de señalización fisiológica por las que estas dinámicas impactan en la patobiología de la enfermedad siguen siendo poco conocidas.

La manipulación experimental del contacto social en animales puede activar vías de señalización neuroendocrina [11-14], que tienen el potencial de regular la expresión génica tanto en patógenos (virus, bacterias, tumores) como en las respuestas inmunitarias del huésped [4, 14-26]. Ningún estudio experimental ha analizado el impacto transcripcional del aislamiento social crónico en humanos, pero los datos de los estudios observacionales sugieren que el aislamiento social subjetivo (soledad) está asociado con un aumento de los niveles circulantes de la hormona del estrés cortisol [27-30]. Este glucocorticoide suprarrenal puede regular una amplia variedad de procesos fisiológicos mediante el control de la transcripción génica mediado por receptores de hormonas nucleares [31]. La activación por cortisol del receptor de glucocorticoides (GR) ejerce amplios efectos antiinflamatorios al inhibir los factores de transcripción del factor nuclear (NF) -κB / Rel y otras vías de señalización proinflamatorias (por ejemplo, el transductor de señal de la quinasa Janus y el activador de la transcripción ( JAK / STAT) y señalización del factor de respuesta al interferón (IRF) [32, 33]. Sin embargo, el aumento de los niveles de cortisol en individuos crónicamente solitarios es paradójico a la luz del hecho de que la mayoría de las enfermedades ligadas al aislamiento son impulsadas por un aumento de la inflamación (por ejemplo, replicación lentiviral, aterosclerosis y neoplasias malignas de tejidos sólidos) [34-36]. Dados los amplios efectos antiinflamatorios de los glucocorticoides, las personas crónicamente solas con niveles elevados de cortisol deben estar relativamente protegidas de la enfermedad mediada por inflamación en lugar de tener un mayor riesgo observado empíricamente.

Una posible explicación de la enfermedad relacionada con la inflamación en individuos con niveles elevados de cortisol implica la desensibilización funcional de la vía GR que media la respuesta transcripcional a los glucocorticoides. Se ha demostrado que varios mecanismos moleculares hacen que las células sean insensibles a los efectos antiinflamatorios de los glucocorticoides. in vitro, incluida la disminución de la expresión del GR NR3C1 gen, modificación postraduccional de la proteína GR, aumento de la expresión de antagonistas de GR y disminución de la actividad de los cofactores de transcripción de GR [37]. Tanto en modelos humanos como animales, el estrés prolongado se ha relacionado con una expresión celular reducida de NR3C1 y aumento de la resistencia celular a la inhibición por glucocorticoides de las respuestas de citocinas proinflamatorias [37-40]. Es concebible, por lo tanto, que la señalización proinflamatoria persista en personas socialmente aisladas con altos niveles de cortisol porque la transducción de señales mediada por GR deficiente impide que el genoma celular 'escuche' de manera efectiva la señal antiinflamatoria enviada por los glucocorticoides circulantes.

El presente estudio utiliza un en vivo estrategia basada en la genómica para identificar genes que se expresan diferencialmente en el sistema inmunológico de las personas que experimentan niveles crónicamente altos de aislamiento subjetivo (soledad) y para definir las vías de control de la transcripción en sentido ascendente que median esas diferencias. Los análisis bioinformáticos de los promotores que se expresan diferencialmente [41, 42] prueban las hipótesis específicas que muestran las células inmunes de los individuos altamente solitarios. en vivo, en condiciones fisiológicas basales: 1.) actividad disminuida de la vía de control de la transcripción de glucocorticoides antiinflamatorios y 2.) actividad aumentada de la vía proinflamatoria NF-κB / Rel. Los resultados revelan una "huella dactilar transcripcional" distinta del aislamiento social experimentado que incluye indicaciones genómicas de activación inmunitaria y un cambio recíproco en la actividad de las vías de control de la transcripción pro y antiinflamatorias que dan forma a la expresión génica global en el sistema inmunológico humano.


Ver el vídeo: Regulación de la expresión Genética -Biología- (Agosto 2022).