Regulación genética

La regulación de la expresión génica, o regulación genética, incluye una amplia gama de mecanismos que utilizan las células para aumentar o disminuir la producción de productos génicos específicos (proteína o ARN). Los programas sofisticados de expresión génica se observan ampliamente en biología, por ejemplo, para desencadenar vías de desarrollo, responder a estímulos ambientales o adaptarse a nuevas fuentes de alimentos. Prácticamente cualquier paso de la expresión génica puede modularse, desde el inicio transcripcional hasta el procesamiento del ARN y la modificación postraduccional de una proteína. A menudo, un regulador de genes controla a otro, y así sucesivamente, en una red de regulación de genes.

La regulación de genes es esencial para virus, procariotas y eucariotas, ya que aumenta la versatilidad y adaptabilidad de un organismo al permitir que la célula exprese proteínas cuando sea necesario. Aunque ya en 1951, Barbara McClintock mostró la interacción entre dos loci genéticos, el Activador (Ac) y el Disociador (Ds), en la formación del color de las semillas de maíz, se considera ampliamente que el primer descubrimiento de un sistema de regulación génica fue la identificación en 1961 del operón lac, descubierto por François Jacob y Jacques Monod, en el que algunas enzimas involucradas en el metabolismo de la lactosa son expresadas por E. coli solo en presencia de lactosa y ausencia de glucosa.

En los organismos multicelulares, la regulación génica impulsa la diferenciación celular y la morfogénesis en el embrión, lo que lleva a la creación de diferentes tipos de células que poseen diferentes perfiles de expresión génica a partir de la misma secuencia genómica. Aunque esto no explica cómo se originó la regulación génica, los biólogos evolutivos lo incluyen como una explicación parcial de cómo funciona la evolución a nivel molecular, y es fundamental para la ciencia de la biología del desarrollo evolutivo ("evo-devo").

Etapas reguladas de la expresión génica.

Cualquier paso de la expresión génica puede modularse, desde la señalización hasta la transcripción y la modificación postraduccional de una proteína. La siguiente es una lista de etapas en las que se regula la expresión génica, el punto más utilizado es el inicio de la transcripción:

• Transducción de señales
• Cromatina, remodelación de cromatina, dominios de cromatina
• Transcripción
• Modificación postranscripcional
• transporte de ARN
• Traducción
• degradación del ARNm

Modificación del ADN

En eucariotas, la accesibilidad de grandes regiones de ADN puede depender de su estructura de cromatina, que puede alterarse como resultado de modificaciones de histonas dirigidas por metilación de ADN, ncRNA o proteína de unión a ADN. Por lo tanto, estas modificaciones pueden regular hacia arriba o hacia abajo la expresión de un gen. Algunas de estas modificaciones que regulan la expresión génica son heredables y se denominan regulación epigenética.

Estructural

La transcripción del ADN está dictada por su estructura. En general, la densidad de su empaquetamiento es indicativa de la frecuencia de transcripción. Los complejos proteicos octaméricos llamados histonas, junto con un segmento de ADN enrollado alrededor de las ocho proteínas histonas (en conjunto denominadas nucleosoma), son responsables de la cantidad de superenrollamiento del ADN, y estos complejos pueden modificarse temporalmente mediante procesos como la fosforilación o, de manera más permanente. modificada por procesos como la metilación. Se considera que tales modificaciones son responsables de cambios más o menos permanentes en los niveles de expresión génica.

Químico

La metilación del ADN es un método común de silenciamiento génico. El ADN suele ser metilado por las enzimas metiltransferasa en los nucleótidos de citosina en una secuencia de dinucleótidos CpG (también denominadas "islas CpG" cuando están densamente agrupadas). El análisis del patrón de metilación en una región dada de ADN (que puede ser un promotor) se puede lograr a través de un método llamado mapeo de bisulfito. Los residuos de citosina metilados no se modifican con el tratamiento, mientras que los no metilados se transforman en uracilo. Las diferencias se analizan mediante secuenciación de ADN o mediante métodos desarrollados para cuantificar SNP, como Pyrosequencing (Biotage) o MassArray (Sequenom), midiendo las cantidades relativas de C/T en el dinucleótido CG. Se cree que los patrones de metilación anormales están involucrados en la oncogénesis.

La acetilación de histonas también es un proceso importante en la transcripción. Las enzimas histona acetiltransferasa (HAT), como la proteína de unión a CREB, también disocian el ADN del complejo de histonas, lo que permite que continúe la transcripción. A menudo, la metilación del ADN y la desacetilación de histonas trabajan juntas en el silenciamiento de genes. La combinación de los dos parece ser una señal para que el ADN se empaquete más densamente, lo que reduce la expresión génica.

Regulación de la transcripción

Por lo tanto, la regulación de la transcripción controla cuándo se produce la transcripción y cuánto ARN se crea. La transcripción de un gen por la ARN polimerasa puede regularse mediante varios mecanismos. Los factores de especificidad alteran la especificidad de la ARN polimerasa para un promotor o conjunto de promotores dados, lo que hace que sea más o menos probable que se una a ellos (es decir, los factores sigma utilizados en la transcripción procariótica). Los represores se unen al Operador, codificando secuencias en la hebra de ADN que están cerca o superpuestas a la región promotora, impidiendo el progreso de la ARN polimerasa a lo largo de la hebra, impidiendo así la expresión del gen. La imagen de la derecha demuestra la regulación por un represor en el operón lac. Los factores de transcripción generales posicionan a la ARN polimerasa al comienzo de una secuencia de codificación de proteínas y luego liberan la polimerasa para transcribir el ARNm. Los activadores mejoran la interacción entre la ARN polimerasa y un promotor particular, fomentando la expresión del gen. Los activadores hacen esto aumentando la atracción de la ARN polimerasa por el promotor, a través de interacciones con subunidades de la ARN polimerasa o indirectamente al cambiar la estructura del ADN. Los potenciadores son sitios en la hélice del ADN que están unidos por activadores para hacer un bucle en el ADN y traer un promotor específico al complejo de iniciación. Los potenciadores son mucho más comunes en eucariotas que en procariotas, donde solo existen unos pocos ejemplos (hasta la fecha). a través de interacciones con subunidades de la ARN polimerasa o indirectamente cambiando la estructura del ADN. Los potenciadores son sitios en la hélice del ADN que están unidos por activadores para hacer un bucle en el ADN y traer un promotor específico al complejo de iniciación. Los potenciadores son mucho más comunes en eucariotas que en procariotas, donde solo existen unos pocos ejemplos (hasta la fecha). a través de interacciones con subunidades de la ARN polimerasa o indirectamente cambiando la estructura del ADN. Los potenciadores son sitios en la hélice del ADN que están unidos por activadores para hacer un bucle en el ADN y traer un promotor específico al complejo de iniciación. Los potenciadores son mucho más comunes en eucariotas que en procariotas, donde solo existen unos pocos ejemplos (hasta la fecha). Los silenciadores son regiones de secuencias de ADN que, cuando se unen a determinados factores de transcripción, pueden silenciar la expresión del gen.

Regulación por ARN

El ARN puede ser un regulador importante de la actividad génica, por ejemplo, por microARN (miARN), ARN antisentido o ARN largo no codificante (lncARN). Los LncRNA difieren de los mRNA en el sentido de que tienen ubicaciones y funciones subcelulares específicas. Primero se descubrió que estaban ubicados en el núcleo y la cromatina, y ahora las localizaciones y funciones son muy diversas. Algunos todavía residen en la cromatina donde interactúan con las proteínas. Si bien este lncRNA afecta en última instancia a la expresión génica en trastornos neuronales como las enfermedades de Parkinson, Huntington y Alzheimer, otros, como los PNCTR (transcriptores no codificantes ricos en pirimidina), desempeñan un papel en el cáncer de pulmón. Dado su papel en la enfermedad, los lncRNA son biomarcadores potenciales y pueden ser objetivos útiles para fármacos o terapia génica, aunque todavía no hay fármacos aprobados que se dirijan a los lncRNA.

Regulación de genes epigenéticos

La epigenética se refiere a la modificación de genes que no cambia la secuencia de ADN o ARN. Las modificaciones epigenéticas también son un factor clave que influye en la expresión génica. Ocurren en el ADN genómico y las histonas y sus modificaciones químicas regulan la expresión génica de una manera más eficiente. Hay varias modificaciones de ADN (generalmente metilación) y más de 100 modificaciones de ARN en células de mamíferos”. Esas modificaciones dan como resultado una proteína alterada que se une al ADN y un cambio en la estabilidad del ARN y la eficiencia de la traducción.

Casos especiales en biología humana y enfermedades.

Regulación de la transcripción en el cáncer

En los vertebrados, la mayoría de los promotores de genes contienen una isla CpG con numerosos sitios CpG. Cuando muchos de los sitios CpG del promotor de un gen están metilados, el gen se silencia. Los cánceres colorrectales suelen tener de 3 a 6 mutaciones de conductor y de 33 a 66 mutaciones de autoestopista o pasajero. Sin embargo, el silenciamiento transcripcional puede ser más importante que la mutación para provocar la progresión al cáncer. Por ejemplo, en los cánceres colorrectales, alrededor de 600 a 800 genes son silenciados transcripcionalmente por la metilación de la isla CpG (ver regulación de la transcripción en el cáncer). La represión transcripcional en el cáncer también puede ocurrir por otros mecanismos epigenéticos, como la expresión alterada de microARN. En el cáncer de mama, la represión transcripcional de BRCA1 puede ocurrir con más frecuencia por microARN-182 sobreexpresado que por hipermetilación del promotor de BRCA1 (consulte Expresión baja de BRCA1 en cánceres de mama y de ovario).

Regulación de la transcripción en la adicción

Una de las características cardinales de la adicción es su persistencia. Los cambios de comportamiento persistentes parecen deberse a cambios duraderos, resultantes de alteraciones epigenéticas que afectan la expresión génica, dentro de regiones particulares del cerebro. Las drogas de abuso provocan tres tipos de alteraciones epigenéticas en el cerebro. Estos son (1) acetilaciones de histonas y metilaciones de histonas, (2) metilación de ADN en sitios CpG y (3) regulación epigenética negativa o positiva de microARN. (Consulte Epigenética de la adicción a la cocaína para obtener algunos detalles).

La ingesta crónica de nicotina en ratones altera el control epigenético de la expresión génica de las células cerebrales a través de la acetilación de las histonas. Esto aumenta la expresión en el cerebro de la proteína FosB, importante en la adicción. La adicción al cigarrillo también se estudió en aproximadamente 16,000 humanos, incluidos los que nunca habían fumado, los fumadores actuales y los que habían dejado de fumar por hasta 30 años. En las células sanguíneas, más de 18 000 sitios CpG (de los aproximadamente 450 000 sitios CpG analizados en el genoma) presentaban alteraciones frecuentes de la metilación entre los fumadores actuales. Estos sitios CpG se produjeron en más de 7000 genes, o aproximadamente un tercio de los genes humanos conocidos. La mayoría de los sitios CpG diferencialmente metilados regresaron al nivel de los no fumadores dentro de los cinco años de dejar de fumar. Sin embargo, 2568 CpG entre 942 genes permanecieron metilados diferencialmente en ex fumadores versus nunca fumadores. Dichos cambios epigenéticos restantes pueden verse como "cicatrices moleculares" que pueden afectar la expresión génica.

En modelos de roedores, las drogas de abuso, incluidas la cocaína, la metanfetamina, el alcohol y los productos del humo del tabaco, causan daños en el ADN del cerebro. Durante la reparación de daños en el ADN, algunos eventos de reparación individuales pueden alterar la metilación del ADN y/o las acetilaciones o metilaciones de las histonas en los sitios de daño y, por lo tanto, pueden contribuir a dejar una cicatriz epigenética en la cromatina.

Tales cicatrices epigenéticas probablemente contribuyan a los cambios epigenéticos persistentes que se encuentran en la adicción.

Regulación de la transcripción en el aprendizaje y la memoria

En los mamíferos, la metilación de la citosina (ver Figura) en el ADN es un importante mediador regulador. Las citosinas metiladas ocurren principalmente en secuencias de dinucleótidos donde la citosina es seguida por una guanina, un sitio CpG. El número total de sitios CpG en el genoma humano es de aproximadamente 28 millones. y generalmente alrededor del 70% de todos los sitios CpG tienen una citosina metilada.

En una rata, una experiencia de aprendizaje dolorosa, el condicionamiento del miedo contextual, puede resultar en un recuerdo temeroso de por vida después de un solo evento de entrenamiento. La metilación de la citosina está alterada en las regiones promotoras de aproximadamente el 9,17% de todos los genes en el ADN de la neurona del hipocampo de una rata que ha sido sometida a una breve experiencia de condicionamiento del miedo. El hipocampo es donde inicialmente se almacenan los nuevos recuerdos.

La metilación de CpG en una región promotora de un gen reprime la transcripción mientras que la metilación de CpG en el cuerpo de un gen aumenta la expresión. Las enzimas TET juegan un papel central en la desmetilación de citosinas metiladas. La desmetilación de CpG en un promotor de gen por la actividad de la enzima TET aumenta la transcripción del gen.

Cuando se aplica condicionamiento de miedo contextual a una rata, se producen más de 5.000 regiones diferencialmente metiladas (DMR) (de 500 nucleótidos cada una) en el genoma neuronal del hipocampo de rata tanto una hora como 24 horas después del condicionamiento en el hipocampo. Esto hace que alrededor de 500 genes se regulen al alza (a menudo debido a la desmetilación de los sitios CpG en una región promotora) y alrededor de 1000 genes se regulen a la baja (a menudo debido a la 5-metilcitosina recién formada en los sitios CpG en una región promotora). El patrón de genes inducidos y reprimidos dentro de las neuronas parece proporcionar una base molecular para formar el primer recuerdo transitorio de este evento de entrenamiento en el hipocampo del cerebro de la rata.

Regulación postranscripcional

Después de que se transcribe el ADN y se forma el ARNm, debe haber algún tipo de regulación sobre la cantidad de ARNm que se traduce en proteínas. Las células hacen esto mediante la modulación de la protección, el empalme, la adición de una cola Poly(A), las tasas de exportación nuclear específicas de la secuencia y, en varios contextos, el secuestro de la transcripción de ARN. Estos procesos ocurren en eucariotas pero no en procariotas. Esta modulación es el resultado de una proteína o transcrito que, a su vez, está regulado y puede tener afinidad por determinadas secuencias.

Tres regiones principales no traducidas y microARN

Tres regiones principales no traducidas (3'-UTR) de los ARN mensajeros (ARNm) a menudo contienen secuencias reguladoras que influyen en la expresión génica después de la transcripción. Tales 3'-UTR a menudo contienen tanto sitios de unión para microARN (miARN) como para proteínas reguladoras. Al unirse a sitios específicos dentro de la 3'-UTR, los miARN pueden disminuir la expresión génica de varios ARNm inhibiendo la traducción o provocando directamente la degradación de la transcripción. La 3'-UTR también puede tener regiones silenciadoras que se unen a proteínas represoras que inhiben la expresión de un ARNm.

El 3'-UTR a menudo contiene elementos de respuesta de miARN (MRE). Los MRE son secuencias a las que se unen los miARN. Estos son motivos predominantes dentro de 3'-UTR. Entre todos los motivos reguladores dentro de las 3'-UTR (p. ej., incluidas las regiones silenciadoras), los MRE constituyen aproximadamente la mitad de los motivos.

A partir de 2014, el sitio web miRBase, un archivo de secuencias y anotaciones de miRNA, enumeró 28 645 entradas en 233 especies biológicas. De estos, 1.881 miARN estaban en loci de miARN humanos anotados. Se predijo que los miARN tenían un promedio de alrededor de cuatrocientos ARNm objetivo (que afectan la expresión de varios cientos de genes). Friedman et al. estiman que >45 000 sitios diana de miARN dentro de los 3'-UTR de ARNm humano se conservan por encima de los niveles de fondo, y >60 % de los genes humanos que codifican proteínas han estado bajo presión selectiva para mantener el emparejamiento con los miARN.

Los experimentos directos muestran que un solo miRNA puede reducir la estabilidad de cientos de mRNA únicos. Otros experimentos muestran que un solo miARN puede reprimir la producción de cientos de proteínas, pero que esta represión a menudo es relativamente leve (menos del doble).

Los efectos de la desregulación de miRNA de la expresión génica parecen ser importantes en el cáncer. Por ejemplo, en los cánceres gastrointestinales, un artículo de 2015 identificó nueve miARN como alterados epigenéticamente y efectivos en la regulación negativa de las enzimas de reparación del ADN.

Los efectos de la desregulación de miRNA de la expresión génica también parecen ser importantes en los trastornos neuropsiquiátricos, como la esquizofrenia, el trastorno bipolar, el trastorno depresivo mayor, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y los trastornos del espectro autista.

Reglamento de traducción

La traducción de ARNm también puede controlarse mediante una serie de mecanismos, principalmente a nivel de iniciación. De hecho, el reclutamiento de la subunidad ribosómica pequeña puede ser modulado por la estructura secundaria del ARNm, la unión al ARN antisentido o la unión a proteínas. Tanto en procariotas como en eucariotas, existe una gran cantidad de proteínas de unión al ARN, que a menudo son dirigidas a su secuencia objetivo por la estructura secundaria de la transcripción, que puede cambiar según ciertas condiciones, como la temperatura o la presencia de un ligando (aptámero). Algunas transcripciones actúan como ribozimas y autorregulan su expresión.

Ejemplos de regulación génica

• La inducción de enzimas es un proceso en el que una molécula (p. ej., un fármaco) induce (es decir, inicia o potencia) la expresión de una enzima.
• La inducción de proteínas de choque térmico en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster.
• El operón Lac es un ejemplo interesante de cómo se puede regular la expresión génica.
• Los virus, a pesar de tener pocos genes, poseen mecanismos para regular su expresión génica, típicamente en una fase temprana y tardía, utilizando sistemas colineales regulados por anti-terminadores (fago lambda) o moduladores de splicing (VIH).
• Gal4 es un activador transcripcional que controla la expresión de GAL1, GAL7 y GAL10 (todos los cuales codifican el metabolismo de la galactosa en la levadura). El sistema GAL4/UAS se ha utilizado en una variedad de organismos en varios filos para estudiar la expresión génica.

Biología del desarrollo

Un gran número de sistemas regulatorios estudiados provienen de la biología del desarrollo. Ejemplos incluyen:

• La colinealidad del grupo de genes Hox con su patrón anteroposterior anidado
• Generación del patrón de la mano (dígitos - interdígitos): el gradiente de sonic hedgehog (factor inductor secretado) de la zona de actividad polarizante en la extremidad, que crea un gradiente de Gli3 activo, que activa Gremlin, que inhibe las BMP también secretadas en el miembro, resulta en la formación de un patrón alterno de actividad como resultado de este sistema de reacción-difusión.
• La somitogénesis es la creación de segmentos (somitos) a partir de un tejido uniforme (mesodermo presomítico). Se forman secuencialmente de anterior a posterior. Esto se logra en amniotas posiblemente mediante dos gradientes opuestos, ácido retinoico en el anterior (frente de onda) y Wnt y Fgf en el posterior, acoplado a un patrón oscilante (reloj de segmentación) compuesto por FGF + Notch y Wnt en antifase.
• La determinación del sexo en el soma de una Drosophila requiere la detección de la proporción de genes autosómicos a genes codificados por cromosomas sexuales, lo que da como resultado la producción de factor de empalme sin sexo en las hembras, lo que da como resultado la isoforma femenina de doble sexo.

Circuitos

Regulación al alza y regulación a la baja

La regulación positiva es un proceso que ocurre dentro de una célula desencadenado por una señal (que se origina interna o externamente a la célula), lo que da como resultado una mayor expresión de uno o más genes y, como resultado, las proteínas codificadas por esos genes. Por el contrario, la regulación a la baja es un proceso que da como resultado una disminución de la expresión de genes y proteínas correspondientes.

• La sobrerregulación ocurre, por ejemplo, cuando una célula es deficiente en algún tipo de receptor. En este caso, se sintetiza y transporta más proteína receptora a la membrana de la célula y, por lo tanto, la sensibilidad de la célula vuelve a la normalidad, restableciendo la homeostasis.
• La regulación a la baja ocurre, por ejemplo, cuando una célula es sobreestimulada por un neurotransmisor, una hormona o un fármaco durante un período prolongado y la expresión de la proteína receptora disminuye para proteger la célula (ver también taquifilaxia).

Sistemas inducibles vs reprimibles

La regulación génica se puede resumir en la respuesta del sistema respectivo:

• Sistemas inducibles: un sistema inducible está desactivado a menos que exista la presencia de alguna molécula (llamada inductor) que permita la expresión génica. Se dice que la molécula "induce la expresión". La forma en que esto sucede depende de los mecanismos de control, así como de las diferencias entre las células procariotas y eucariotas.
• Sistemas reprimibles: un sistema reprimible está activado excepto en presencia de alguna molécula (llamada correpresor) que suprime la expresión génica. Se dice que la molécula "reprime la expresión". La forma en que esto sucede depende de los mecanismos de control, así como de las diferencias entre las células procariotas y eucariotas.

El sistema GAL4/UAS es un ejemplo de un sistema tanto inducible como reprimible. Gal4 se une a una secuencia de activación aguas arriba (UAS) para activar la transcripción del casete GAL1/GAL7/GAL10. Por otro lado, una respuesta de MIG1 a la presencia de glucosa puede inhibir GAL4 y por tanto detener la expresión del casete GAL1/GAL7/GAL10.

Circuitos teóricos

• Represor/Inductor: la activación de un sensor da como resultado el cambio de expresión de un gen
• retroalimentación negativa: el producto del gen regula a la baja su propia producción directa o indirectamente, lo que puede resultar en
  • mantener los niveles de transcripción constantes/proporcionales a un factor
  • inhibición de las reacciones de fuga cuando se combina con un ciclo de retroalimentación positiva
  • creando un oscilador aprovechando el tiempo de retraso de la transcripción y traducción, dado que la vida media del ARNm y la proteína es más corta
• retroalimentación positiva: el producto del gen aumenta su propia producción directa o indirectamente, lo que puede resultar en
  • amplificación de señal
  • interruptores biestables cuando dos genes se inhiben entre sí y ambos tienen retroalimentación positiva
  • generación de patrones

Métodos de estudio

En general, la mayoría de los experimentos que investigan la expresión diferencial utilizaron extractos de ARN de células completas, llamados niveles de estado estacionario, para determinar qué genes cambiaron y en qué medida. Sin embargo, estos no son informativos de dónde ha ocurrido la regulación y pueden enmascarar procesos regulatorios conflictivos (ver regulación postranscripcional), pero sigue siendo el más comúnmente analizado (PCR cuantitativa y microarrays de ADN).

Al estudiar la expresión génica, existen varios métodos para observar las distintas etapas. En eucariotas estos incluyen:

• El entorno de cromatina local de la región se puede determinar mediante el análisis de chips ChIP extrayendo la ARN polimerasa II, las modificaciones de la histona 3, la proteína del grupo Trithorax, la proteína del grupo Polycomb o cualquier otro elemento de unión al ADN para el que se disponga de un buen anticuerpo..
• Las interacciones epistáticas se pueden investigar mediante análisis de matrices genéticas sintéticas.
• Debido a la regulación postranscripcional, las tasas de transcripción y los niveles de ARN total difieren significativamente. Para medir las tasas de transcripción, se pueden realizar ensayos nucleares continuos y se están desarrollando métodos más nuevos de alto rendimiento, utilizando el marcaje con tiol en lugar de radiactividad.
• Solo el 5% del ARN polimerizado en el núcleo sale, y no solo se degradan los intrones, los productos abortivos y las transcripciones sin sentido. Por lo tanto, las diferencias en los niveles nucleares y citoplásmicos se pueden ver separando las dos fracciones mediante lisis suave.
• El empalme alternativo se puede analizar con una matriz de empalme o con una matriz de mosaico (consulte Microarreglo de ADN).
• Todo el ARN in vivo se compleja como RNP. La cantidad de transcritos unidos a una proteína específica también puede analizarse mediante RIP-Chip. Por ejemplo, DCP2 dará una indicación de proteína secuestrada; ribosoma unido da e indicación de transcritos activos en la transcripción (aunque un método más antiguo, llamado fraccionamiento de polisomas, sigue siendo popular en algunos laboratorios)
• Los niveles de proteína se pueden analizar mediante espectrometría de masas, que se puede comparar solo con datos de PCR cuantitativos, ya que los datos de micromatrices son relativos y no absolutos.
• Las tasas de degradación de ARN y proteínas se miden mediante inhibidores de la transcripción (actinomicina D o α-amanitina) o inhibidores de la traducción (cicloheximida), respectivamente.