splicing Alternativo
Espliceosomas
Empalme fuera de los intrones
Otros eventos de splicing
tecnología de ADN Recombinante
Aplicaciones de empalme de genes
Recursos
los Genes son secuencias de ADN que codifican para proteínas. El empalme de genes es una forma de ingeniería genética en la que se insertan genes específicos o secuencias de genes en el genoma de un organismo diferente. El empalme genético también puede referirse específicamente a un paso durante el procesamiento del ácido desoxirribonucleico (ADN) para prepararlo para ser traducido a proteína.
El empalme de genes también se puede aplicar a técnicas de biología molecular que tienen como objetivo integrar varias secuencias de ADN o genes en el ADN de las células. Los genes individuales codifican proteínas específicas y, según los resultados del Proyecto Genoma Humano, se estima que hay aproximadamente 30.000 genes en cada célula del cuerpo humano. Debido a que las funciones celulares en diferentes tejidos tienen diferentes propósitos, los genes se someten a un complejo esfuerzo concertado para mantener el nivel adecuado de expresión génica de una manera específica para cada tejido. Por ejemplo, las células musculares requieren proteínas específicas para funcionar, y estas proteínas difieren notablemente de las proteínas de las células cerebrales. Aunque la información genética es, en su mayor parte, la misma en ambos tipos de células, los diferentes propósitos funcionales dan lugar a diferentes necesidades celulares y, por lo tanto, se producen diferentes proteínas en diferentes tipos de tejidos.
Los genes no se expresan sin las señales adecuadas. Muchos genes pueden permanecer inactivos. Con la estimulación adecuada de la expresión génica, la célula puede producir varias proteínas. El ADN debe procesarse primero en una forma que otras moléculas de la célula puedan reconocer y traducir en la proteína apropiada. Antes de que el ADN pueda convertirse en proteína, debe ser transcrito en ácido ribonucleico (ARN). Hay tres pasos en la maduración del ARN; empalme, tapado y poliadenilación. Cada uno de estos pasos está involucrado en la preparación del ARN recién creado, llamado transcripción de ARN, para que pueda salir del núcleo sin ser degradado. En términos de expresión génica, el empalme del ARN es el paso en el que el empalme génico ocurre en este contexto en ubicaciones específicas a lo largo del gen. Las áreas del gen que se empalman representan regiones no codificantes que son secuencias intermedias, también conocidas como intrones. El ADN que permanece en el ARN procesado se conoce como las regiones codificantes y cada región codificante del gen se conoce como exones. Por lo tanto, los intrones son secuencias intermedias entre exones y el empalme génico implica la escisión de intrones y la unión de exones. Por lo tanto, la secuencia final será más corta que el gen codificador original o la secuencia de ADN.
Para apreciar el papel que juega el empalme en la forma en que se expresan los genes, es importante comprender cómo un gen cambia a su forma funcional. Inicialmente, el ARN se llama ARN precursor (o pre-ARN). Los ARN previos se modifican posteriormente a otros ARN llamados ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosómico (ARNr) o ARN mensajero (ARNm). Los ARNm codifican proteínas en un proceso llamado traducción, mientras que los otros ARN son importantes para ayudar a que el ARNm se traduzca en proteína. El empalme de ARN crea moléculas de ARN funcionales a partir de los ARN previos.
El empalme generalmente procede de una manera predeterminada para cada gen. Los experimentos que han detenido la formación de transcripción en diferentes intervalos de tiempo muestran que el empalme seguirá una vía principal que comienza con un intron y continúa selectivamente a otro, no necesariamente adyacente, intron. Aunque se pueden seguir otras vías, cada transcripción tiene su propia secuencia primaria para la escisión intrónica.
Empalme alternativo
Un solo gen se puede procesar para crear numerosos productos genéticos, o proteínas, y este proceso se conoce como empalme alternativo. En este caso, una combinación diferente de exones permanece en el ARN procesado. El empalme alterno de genes en varios sitios de intrones-exones dentro de un gen se puede usar para crear varias proteínas a partir de la misma molécula pre-ARN. Las proteínas se componen de múltiples dominios. Diferentes exones pueden codificar para diferentes dominios. El empalme selectivo puede eliminar exones e intrones no deseados. Las combinaciones de proteínas que se pueden producir a partir del empalme alternativo están relacionadas en estructura o función, pero no son idénticas. Mediante el uso de un solo gen para crear múltiples proteínas, el ADN de las células se puede utilizar de manera más eficiente.
El empalme alternativo puede ser específico del tejido, de modo que dos o más tipos de células diferentes fabrican diferentes proteínas a partir del mismo gen original. O un tipo de célula puede hacer múltiples configuraciones usando el mismo gen. Por ejemplo, un tipo de célula inmunitaria llamada célula B fabrica anticuerpos para numerosos antígenos. Los antígenos son sustancias extrañas que desencadenan las respuestas inmunitarias y los anticuerpos se unen y los antígenos para que puedan descomponerse y eliminarse. Aunque se puede producir un número infinito de anticuerpos, todos los anticuerpos caen en uno de los cinco subtipos básicos. El empalme alternativo se utiliza para crear estos cinco tipos de anticuerpos a partir del mismo gen.
Los anticuerpos se componen de múltiples moléculas de inmunoglobulina (Ig). Estas moléculas a su vez tienen múltiples dominios. Un dominio particular llamado región constante de cadena pesada distingue los cinco subtipos de anticuerpos, llamados IgM, IgD, IgG, IgE e IgA. Los diferentes tipos de anticuerpos cumplen diversas funciones en el cuerpo y actúan en distintos tejidos corporales. Por ejemplo, los IGA se secretan en la mucosa gastrointestinal y los IGG pasan a través de la placenta. El gen que codifica estas regiones de cadena pesada contiene exones que dirigen la producción de subtipos individuales, y el gen se empalma alternativamente para producir una transcripción final de ARNm, que puede producir cualquiera de ellos.
La mayoría de los genes producen solo una transcripción; sin embargo, los genes que producen múltiples transcripciones tienen numerosas funciones celulares y de desarrollo. El empalme alternativo controla la determinación del sexo en moscas Drosophila melanogaster. Y un número de proteínas se expresan diferencialmente del mismo gen en varias células. Las diferentes células musculares usan empalmes alternativos para crear proteínas de miosina específicas de las células. Y las células embrionarias en diferentes etapas de desarrollo producen múltiples formas de la proteína, el ácido retinoico. Algunas transcripciones difieren de las transcripciones relacionadas en el extremo de 5′ y otras pueden variar en el extremo de 3′.
Spliceosomas
Las moléculas o complejos moleculares que realmente empalman el ARN en el núcleo celular se denominan spliceosomas. Los spliceosomas están hechos de pequeñas secuencias de ARN unidas por pequeñas proteínas adicionales. Este complejo de spliceosoma reconoce secuencias de nucleótidos particulares en el límite intrón-exón. El ADN y el ARN se leen generalmente en la dirección de 5′ a 3′. Esta designación se hace sobre la base de los enlaces fosfodiéster, que constituyen la columna vertebral de las hebras de ADN y ARN. Los intrones se cortan primero en su extremo de 5′ y luego en su extremo de 3′. Los dos exones adyacentes se unen entre sí sin el intrón. El spliceosoma es un complejo enzimático que realiza cada uno de estos pasos a lo largo del pre-ARN para eliminar los intrones.
Los ARN pequeños que componen el spliceosoma no son ARNm, ARNr o ARNt; son ARN nucleares pequeños (ARNSN). Los ARNNS están presentes en concentraciones muy bajas en el núcleo. Los snRNAs se combinan con proteínas para formar pequeñas partículas de proteína ribonuclear nuclear. Varios snRNPs se agregan para formar un spliceosoma. Esta estructura secundaria reconoce varias regiones clave en el intrón y en la frontera intrón-exón. En esencia, los SNRNP desempeñan un papel de empalme catalítico. La ausencia de componentes individuales de snRNP puede inhibir el empalme. Los SNRNP son solo uno de los muchos complejos que pueden regular la expresión génica.
Además de snRNPs, algunos intrones tienen capacidades de empalme automático (auto). Estos intrones se denominan intrones del grupo II. Los intrones del grupo II se encuentran en algunos genes mitocondriales, que provienen de un genoma que está separado del núcleo y se encuentra en pequeños compartimentos dentro de la célula llamados mitocondrias. La mitocrondria funciona para proporcionar energía a los requerimientos de energía de las células. Aunque todo el ADN cromosómico se encuentra en el núcleo, algunos genes se encuentran en las mitocondrias de las células. Los intrones del Grupo II forman estructuras secundarias usando su región interna de intrones de una manera similar a los intrones nucleares. Sin embargo, estos intrones mitocondriales dirigen exón-exón que se reincorporan por sí mismos sin snRNPs.
Empalme de intrones
Varias secuencias de señales de empalme son universales y se encuentran dentro de cada sitio de intrones empalmado, mientras que algunas secuencias de señales son únicas para genes individuales. El ADN se compone de bases llamadas nucleótidos, que representan el alfabeto del ADN. Hay cuatro bases, Adenina (a), Guanina (G), Timina (T) y Citosina (C). La mayoría de los intrones en formas de vida superiores comienzan con la secuencia de nucleótidos G-T y terminan con la secuencia A-G. Las secuencias definen los bordes» izquierdo «(5′) y» derecho «(3′) del intrón y se describen como conformes con la regla GT-AG. Las mutaciones en cualquiera de estas cuatro posiciones producen intrones que no se pueden eliminar mediante mecanismos de empalme normales. Dentro del intrón hay otra secuencia altamente conservada que tiene cierta variabilidad en los genes de una especie; esta región (llamada el sitio de la rama) es el área que se conecta al extremo 5′ del intrón mientras se corta y luego se enrolla para formar una forma de lazo. Este lazo es un bucle en el intrón que se forma a medida que se elimina del ARN de maduración.
Otros eventos de empalme
El empalme también puede involucrar moléculas distintas del ARNm. Los ARNT, que desempeñan un papel crucial en la alineación de aminoácidos a lo largo de una proteína que se sintetiza, pueden someterse a un empalme. Los ARNT son codificados por ADN solo
TÉRMINOS CLAVE
Anticuerpo, una molécula creada por el sistema inmunitario en respuesta a la presencia de un antígeno (una sustancia o partícula extraña). Marca microorganismos extraños en el cuerpo para su destrucción por otras células inmunitarias.
Antígeno: Una molécula, generalmente una proteína, que el cuerpo identifica como extraña y hacia la que dirige una respuesta inmunitaria.
Tapado-Una modificación al final de 5′ de una transcripción madura de ARNm.
Citoplasma: Todo el protoplasma de una célula viva que se encuentra fuera del núcleo, a diferencia del nucleoplasma, que es el protoplasma en el núcleo.
Ácido desoxirribonucleico (ADN): El material genético de una célula.
Exones-Las regiones del ADN que codifican para una proteína o forman ARNt o ARNm.Gen
– Una unidad discreta de herencia, representada por una porción de ADN ubicada en un cromosoma. El gen es un código para la producción de un tipo específico de proteína o molécula de ARN, y por lo tanto para una característica hereditaria específica.
Genoma: El conjunto completo de genes que lleva un organismo.
Intrones: Secuencias no codificantes en un gen que se empalman durante el procesamiento del ARN.
Mitocondrias: Orgánulo intracelular que está separado del núcleo, tiene su propio genoma y es importante para producir energía para varios tejidos.
Poliadenilación-Una modificación del extremo 3′ de una transcripción madura de ARNm.
ADN recombinante: ADN que se corta utilizando enzimas específicas para poder insertar un gen o una secuencia de ADN.
Splicesome-La maquinaria intracelular que procesa el ARN mediante la eliminación de intrones de la secuencia.
como todas las demás moléculas de ARN. Sin embargo, los ARNT tienen una estructura y una función únicas distintas de otras moléculas de ARN en el sentido de que son responsables de hacer coincidir los bloques de construcción de proteínas reales (aminoácidos) de la secuencia de nucleótidos codificados para construir una proteína o polipéptido. Dado que estos ARN especializados tienen conformaciones únicas, las enzimas que se unen a los exones después de la eliminación de intrones difieren de las que se unen a los intrones en otras moléculas de ARN. Mientras se eliminan los intrones y se unen los exones, las moléculas enzimáticas no son las mismas que las utilizadas para el procesamiento de ARNm. La eliminación de intrones en el procesamiento de ARNt es menos dependiente de las secuencias internas de intrones en comparación con otros intrones de ARN.
Tecnología de ADN recombinante
Los avances en la comprensión de los mecanismos que describen cómo se produce el empalme de genes han llevado a la capacidad de los científicos para cortar y recocir secuencias de nucleótidos, también llamada tecnología de ADN recombinante. Dado que el empalme significa literalmente la unión de extremos separados, el empalme de genes se refiere a la unión de casi cualquier secuencia de nucleótidos para crear un nuevo producto génico o para introducir una nueva secuencia génica. Por lo tanto, casi cualquier secuencia genética podría empalmarse en otra secuencia.
Ciertas enzimas llamadas enzimas de restricción se utilizan en los laboratorios para empalmar, conectar (o ligar) y eliminar o agregar nucleótidos a las secuencias. Las enzimas de restricción se utilizan en la tecnología de ADN recombinante para eliminar e insertar secuencias genéticas de y en otras secuencias. Esta tecnología ha permitido a algunas empresas biotecnológicas y farmacéuticas fabricar grandes cantidades de proteínas esenciales para fines médicos y de investigación. Por ejemplo, una proteína de insulina humana se puede producir en gran cantidad insertando el gen de la insulina en el genoma de las bacterias, por ejemplo, para producir grandes cantidades de la proteína. Al igual que una fotocopiadora, estas secuencias pueden producir mucha insulina para los diabéticos que no son capaces de producir suficiente insulina por sí solos. Estos pacientes pueden autoinyectarse la insulina purificada para tratar su enfermedad.
Aplicaciones del empalme de genes
Se han producido vacunas utilizando tecnología de empalme de genes. El ADN de un virus se puede empalmar en el genoma de una cepa inofensiva de cepa bacteriana. Cuando la bacteria produce la proteína viral, esta proteína se puede cosechar. Dado que las bacterias crecen rápida y fácilmente, una gran cantidad de esta proteína se puede extraer, purificar y usar como vacuna. Se introduce en un individuo mediante inyección, lo que provocará una respuesta inmunitaria. Cuando una persona se infecta con un virus por exposición natural, se puede iniciar una respuesta inmunitaria rápida debido a la inoculación inicial. Otra aplicación de la tecnología de condimentación de genes está relacionada con el gen involucrado en la producción de vitamina B. Este gen se ha eliminado del genoma de las zanahorias y se ha unido al genoma del arroz. Por lo tanto, la cepa de arroz recombinante genéticamente modificada se modifica para producir vitamina B. Esto puede tener muchos beneficios relacionados con la salud, particularmente en los países del tercer mundo que dependen del arroz como fuente principal de alimentos y no tienen acceso a fuentes de alimentos ricas en vitaminas.
La tecnología de empalme de genes, por lo tanto, permite a los investigadores insertar nuevos genes en el material genético existente del genoma de un organismo para que rasgos enteros, desde la resistencia a las enfermedades hasta las vitaminas, puedan copiarse de un organismo y transferirse a otro.
Recursos
LIBROS
Hall, Stephen y James Watson. Invisible Frontiers: The Race to Synthesize a Human Gene (en inglés). Oxford: Oxford University Press, 2002.
Keller, Evelyn Fox. El Siglo del Gen. Boston: Harvard University Press, 2002.
Lambrecht, Bill. Cena en el Nuevo Café Gene: Cómo la Ingeniería Genética está Cambiando Lo que Comemos, Cómo Vivimos y la Política Global de los Alimentos. Nueva York: St Martin’s Press, 2002.
Louise Dickerson