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SECCIÓN IV.
Estructura, función y
replicación de
macromoléculas
informacionales
CAPÍTULO 36.
Síntesis, procesamiento y
modificación del RNA
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CAPÍTULO 36. Síntesis, procesamiento y modificación del RNA
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FIGURA 36–1 Los genes pueden transcribirse a partir de ambas
cadenas de DNA. Las puntas de flecha indican la dirección de la
transcripción (polaridad). Note que la cadena plantilla siempre
se lee en la dirección 3′ a 5′. La cadena opuesta se llama cadena
codificadora porque es idéntica (salvo por cambios de t por u) a
la transcripción de mRNA (la transcripción primaria en células
eucarióticas) que codifica para el producto proteínico del gen.
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FIGURA 36–2 La RNA polimerasa (RNAP) cataliza la polimerización de ribonucleótidos
hacia una secuencia de RNA que es complementaria a la cadena plantilla del gen. La
transcripción de RNA tiene la misma polaridad (5′ a 3′) que la cadena codificadora, pero
contiene u en lugar de t. La RNAP de E. coli consta de un complejo central de dos
subunidades alfa y dos subunidades β (β y β′). La holoenzima contiene la subunidad σ
unida al montaje central α2ββ′. La subunidad ω no se muestra. La “burbuja” de
transcripción es un área de aproximadamente 20 bp de DNA fusionado, y todo el
complejo cubre 30 a 75 bp, dependiendo de la conformación de la RNAp.
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FIGURA 36–3 El ciclo de transcripción. (Vea la diapositiva siguiente
para el pie de figura.)
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FIGURA 36–3 El ciclo de transcripción. La transcripción puede describirse en seis pasos: 1) Unión
a plantilla y formación del complejo de Rn A polimerasa promotor cerrado: la RNA polimerasa
(RNAP) se une al DNA y después localiza un promotor (P). 2) Formación del complejo de
promotor abierto: una vez unida al promotor, la RNAP fusiona las dos cadenas de DNA para
formar un complejo promotor abierto; este complejo también se denomina el complejo de
preinicio o pIc . La separación de cadena permite a la polimerasa tener acceso a la información
codificadora en la cadena plantilla de DNA. 3) Inicio de cadena: usando la información de
codificación de la RNAP plantilla cataliza el acoplamiento de la primera base (a menudo una
purina) al segundo ribonucleósido trifosfato, dirigido por plantilla, para formar un dinucleótido
(en este ejemplo forma el dinucleótido 5′ PPPAPNOH3′). 4) Eliminación del promotor: después de
que la longitud de la cadena de RNA alcanza ~10 a 20 nt, la polimerasa pasa por un cambio
conformacional y entonces es capaz de alejarse del promotor, y transcribir la unidad de
transcripción. 5) Alargamiento de cadena: se añaden residuos sucesivos al 3′-OH terminal de la
molécula de RNA naciente en tanto no se encuentra una señal de terminación de la transcripción
(t ). 6) Terminación de la cadena y liberación de la RNAP: cuando encuentra el sitio de
terminación de la transcripción la RNAP pasa por otro cambio conformacional que lleva a
liberación de la cadena de RNA completada, la plantilla de DNA y la RNAP. La RNAP puede volver a
unirse a DNA empezando el proceso de búsqueda de promotor, y el ciclo se repite. Note que
todos los pasos en el ciclo de transcripción son facilitados por proteínas adicionales, y de hecho a
menudo están sujetos a regulación por factores de acción positiva, o negativa, o ambas.
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FIGURA 36–4 Representación esquemática
de una fotomicrografía electrónica de
múltiples copias de genes de rRNA de
anfibio en el proceso de ser transcritos. El
aumento es de alrededor de 6 000×. Note
que la longitud de las transcripciones se
incrementa conforme las moléculas de RNA
polimerasa progresan a lo largo de los genes
que codifican para rRNA individuales desde
sitios de inicio de transcripción (círculos
negros) hasta sitios de terminación de la
transcripción (circunferencias). La RNA
polimerasa I (que no se visualiza aquí) está en
la base de las transcripciones de RNA
naciente. De este modo, el extremo proximal
del gen transcrito tiene transcripciones cortas
fijas a él, mientras que transcripciones de
mucho mayor tamaño están fijas al extremo
distal del gen. Las flechas indican la dirección
(5′ a 3′) de la transcripción.
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FIGURA 36–5 Los promotores bacterianos, como los de E. coli
mostrados aquí, comparten dos regiones de secuencia de
nucleótido altamente conservada.
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FIGURA 36–6 La señal de terminación de la transcripción bacteriana predominante contiene
una repetición invertida, dividida en secciones (áreas encerradas en un cuadro) seguidas por
un tramo de pares de bases AT (arriba). La repetición invertida, cuando se transcribe hacia
RNA, puede generar la estructura secundaria en la transcripción de RNA (abajo). l a formación
de esta horquilla de RNA hace que la RNA polimerasa haga una pausa y luego el factor de
terminación ρ (rho) interactúa con la polimerasa pausada e induce la terminación de cadena
por algún mecanismo no esclarecido.
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FIGURA 36–7 Elementos de transcripción y factores de unión en el gen que codifica para la
timidina cinasa (tk) en el virus del herpes simple. La RNA polimerasa II dependiente de DNA
(que no se muestra) se une a la región de la secuencia TATA (que es unida por el factor de
transcripción TFIID) yTSS en +1 (ver también figura 36-9) para formar un complejo de preinicio
de múltiples componentes que tiene la capacidad de iniciar la transcripción en un nucleótido
único (+1). La frecuencia de este evento es aumentada por la presencia de elementos de acción
cis torrente arriba (las secuencias GC yCAAT ) localizados cerca del promotor (promotor
proximal) o lejos del mismo (elementos distales; figura 36-8). Los elementos cis DNA proximal y
distal son unidos por factores de transcripción de acción trans, en este ejemplo Sp1 y CTF
(también denominado C/EBP, NF1, NFY). Estos elementos cis pueden funcionar de manera
independiente a la orientación (flechas).
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FIGURA 36–8 Diagrama que muestra las regiones de control de la transcripción
en un gen eucariótico productor de mRNA hipotético transcrito por la RNA
polimerasa II.
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FIGURA 36–9 El complejo de transcripción basal eucariótico. La formación
del complejo de transcripción basal empieza cuando el TFIID se une a la
secuencia TATA. Dirige el montaje de varios otros componentes por medio de
interacciones entre proteína y DNA, y entre una proteína y otra; TFIIA, B, E, F,
H y polimerasa II (pol II).
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FIGURA 36–10 La evicción de nucleosoma por correguladores activos de cromatina
facilita la formación de complejo de preinicio (Pic ) y la transcripción.
A) un gen codificador de mRNA inactivo (véase X sobre TSS [la X de la figura se puede
sustituir por TSS]) con un factor de transcripción dimérico único (activador-1; óvalos
violeta) unido a su sitio de unión aumentador cognado (activador-1). Este elemento
aumentador particular estuvo libre de nucleosoma y, por ende, disponible para
interacción con su proteína de unión a activadora particular. Sin embargo, este gen aún es
inactivo (X sobre sitio de inicio de la transcripción [TSS]) debido al hecho de que una
porción de su aumentador (en esta ilustración el aumentador es bipartita y está
compuesto de activador-1 y activador-2, sitios de unión a DNA) y la totalidad del
promotor están cubiertos por nucleosomas.
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FIGURA 36–10 (Continuación).
B) El activador unido a DNA aumentador-1 interactúa con cualquiera de varios
remodeladores de cromatina dependientes de ATP separados, y complejos
correguladores modificadores de cromatina. Estos correguladores juntos tienen la
capacidad de mover nucleosomas, o eliminarlos, o ambos (remodeladores
dependientes de ATP ), así como de modificar de manera covalente histonas
nucleosomales usando acetilasas intrínsecas (HAT ; que dan por resultado
acetilación [Ac]) y metilasas (SET ; dan lugar a metilación [Me], entre otras
modificaciones postraduccionales [PTM], cuadro 35-1), portadas por
subunidades de estos complejos.
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FIGURA 36–10 (Continuación).
C) Así, los cambios resultantes de la posición de nucleosoma y la
ocupación de nucleosoma permiten la unión al segundo dímero
activador-2 a las secuencias de DNA activador-2, lo cual lleva a la unión
de la maquinaria de transcripción (TFIIA, B, D, E, F, H; polimerasa II y
mediador) al promotor (TATA-INR-DPE), y la formación de un Pic
activo, lo que lleva a una transcripción activada.
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FIGURA 36–11 Modelos para la
formación de un complejo de preinicio
de polimerasa II de RNA. En la parte
superior se muestra una unidad de
transcripción codificadora de mRNA
característica: sitio de inicio (TATA)
promotor aumentador (flecha doblada)
y región transcrita (o RF; marco de
lectura abierto). Se ha mostrado que los
pIc se forman al menos por medio de
dos mecanismos: A) la unión por pasos
de Gt F, pol II y Mediador, o B) mediante
la unión de un complejo de múltiples
proteínas único compuesto de pol II,
Med y los seis Gt F.
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FIGURA 36–12 La transcripción de gen que codifica para mRNA mediada por
RNA polimerasa II está acoplada desde el punto de vista cotranscripcional a
procesamiento y transporte de RNA. Se muestra la RNA pol II que está
transcribiendo de manera activa un gen que codifica para mRNA
(alargamiento de arriba abajo en la figura).
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FIGURA 36–13 El procesamiento
de la transcripción primaria hacia
mRNA. En esta transcripción
hipotética, el extremo 5′
(izquierda) del intrón se corta (↓),
y se forma un lazo entre la G en el
extremo 5′ del intrón y una A cerca
del extremo 3′, en la secuencia del
consenso uAcu AAc . Esta
secuencia se llama el sitio
ramificado, y es la A más 3′ la que
forma el enlace 5′-2′ con la G. El
extremo 3′ (derecha) del intrón a
continuación se corta (⇓). Esto
libera el lazo, que es digerido, y el
exón 1 es unido al exón 2 en
residuos G.
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FIGURA 36–14 Secuencias de consenso en uniones de empalme. Se muestran
las secuencias 5′ (donadora; izquierda) y 3′ (aceptora; derecha). También se
muestran las secuencias de consenso de levadura (uAcu AAc ) para el sitio
ramificado. En células de mamífero, esta secuencia de consenso es
pyNpypypuApy, donde py es una pirimidina, pu es una purina, y N es
cualquier nucleótido. El sitio de ramificación está ubicado 20 a 40
nucleótidos torrente arriba desde el sitio de empalme 3′.
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FIGURA 36–15 Mecanismos de
procesamiento alternativo de
precursores de mRNA. Esta forma de
procesamiento de RNA involucra la
inclusión o exclusión selectiva de
exones, la utilización de sitios 5′
donador o 3′ aceptor alternativos,
y el uso de sitios de poliadenilación
diferentes.
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FIGURA 36–16 uso de promotor alternativo en genes que codifican para
glucocinasa (GK) en células del hígado, y β pancreáticas. La regulación
diferencial del gen que codifica para glucocinasa se logra mediante el uso
de promotores específicos para tejido. El promotor de gen GK de células
β y el exón 1B están localizados a aproximadamente 30 kbp torrente
arriba desde el promotor y el exón 1l hepáticos. c ada promotor tiene
una estructura singular, y está regulado de modo diferente. Los exones 2
a 10 son idénticos en los dos genes, y las proteínas GK codificadas por los
mRNA de células del hígado y β tienen propiedades cinéticas iguales.
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FIGURA 36–17 Biogénesis de miRNA. Los genes codificadores de miRNA se transcriben
por medio de la RNA pol II hacia una transcripción de miRNA primaria (pri-miRNA) que
tiene una cubierta 5′ y está poliadenilada, como es típico de las transcripciones primarias
que codifican para mRNA. Este pri-miRNA está sujeto a procesamiento dentro del núcleo
por la acción de la nucleasa Drosha-DGCR8, que recorta secuencias de los extremos 5′ y
3′, lo que genera el pre-miRNA.