Transcripción genética

La transcripción es el proceso de copiar un segmento de ADN en ARN. Se dice que los segmentos de ADN transcritos en moléculas de ARN que pueden codificar proteínas producen ARN mensajero (ARNm). Otros segmentos de ADN se copian en moléculas de ARN llamadas ARN no codificantes (ncRNA). En promedio sobre múltiples tipos de células en un tejido dado, la cantidad de mRNA es más de 10 veces la cantidad de ncRNA (aunque en particular, los tipos de células individuales ncRNA pueden exceder los mRNA). La preponderancia general del ARNm en las células es válida aunque menos del 2 % del genoma humano se puede transcribir en ARNm (Genoma humano#Codificación frente a ADN no codificante), mientras que al menos el 80 % del ADN genómico de los mamíferos se puede transcribir activamente (en uno o más tipos de células), con la mayoría de este 80% considerado como ncRNA.

Tanto el ADN como el ARN son ácidos nucleicos, que utilizan pares de bases de nucleótidos como lenguaje complementario. Durante la transcripción, una secuencia de ADN es leída por una polimerasa de ARN, que produce una hebra de ARN antiparalela complementaria llamada transcripción primaria.

La transcripción se realiza en los siguientes pasos generales:

1. La ARN polimerasa, junto con uno o más factores de transcripción generales, se une al ADN promotor.
2. La ARN polimerasa genera una burbuja de transcripción, que separa las dos hebras de la hélice de ADN. Esto se hace rompiendo los enlaces de hidrógeno entre nucleótidos de ADN complementarios.
3. La ARN polimerasa agrega nucleótidos de ARN (que son complementarios a los nucleótidos de una hebra de ADN).
4. El esqueleto de azúcar-fosfato de ARN se forma con la ayuda de la ARN polimerasa para formar una hebra de ARN.
5. Los enlaces de hidrógeno de la hélice de ARN-ADN se rompen, liberando la hebra de ARN recién sintetizada.
6. Si la célula tiene un núcleo, el ARN puede procesarse más. Esto puede incluir poliadenilación, protección y empalme.
7. El ARN puede permanecer en el núcleo o salir al citoplasma a través del complejo del poro nuclear.

Si el tramo de ADN se transcribe en una molécula de ARN que codifica una proteína, el ARN se denomina ARN mensajero (ARNm); el ARNm, a su vez, sirve como molde para la síntesis de la proteína a través de la traducción. Otros tramos de ADN pueden transcribirse en pequeños ARN no codificantes, como microARN, ARN de transferencia (ARNt), ARN nucleolar pequeño (ARNsno), ARN nuclear pequeño (ARNsn) o moléculas de ARN enzimático llamadas ribozimas, así como moléculas no codificantes más grandes. ARN como el ARN ribosómico (ARNr) y el ARN largo no codificante (lncRNA). En general, el ARN ayuda a sintetizar, regular y procesar proteínas; por lo tanto, juega un papel fundamental en la realización de funciones dentro de una célula.

En virología, el término transcripción también puede usarse cuando se hace referencia a la síntesis de ARNm a partir de una molécula de ARN (es decir, equivalente a la replicación de ARN). Por ejemplo, el genoma de un virus de ARN monocatenario de sentido negativo (ssRNA-) puede ser una plantilla para un ARN monocatenario de sentido positivo (ssRNA+). Esto se debe a que la hebra de sentido positivo contiene la información de secuencia necesaria para traducir las proteínas virales necesarias para la replicación viral. Este proceso es catalizado por una replicasa de ARN viral.

Fondo

Una unidad de transcripción de ADN que codifica una proteína puede contener tanto una secuencia codificante, que se traducirá en la proteína, como secuencias reguladoras, que dirigen y regulan la síntesis de esa proteína. La secuencia reguladora antes ("aguas arriba") de la secuencia codificante se denomina región no traducida de cinco primos (5'UTR); la secuencia después ("aguas abajo") de la secuencia de codificación se denomina la región no traducida principal tres (3'UTR).

A diferencia de la replicación del ADN, la transcripción da como resultado un complemento de ARN que incluye el nucleótido uracilo (U) en todos los casos en los que se habría producido timina (T) en un complemento de ADN.

Solo una de las dos cadenas de ADN sirve como molde para la transcripción. La cadena antisentido de ADN es leída por la ARN polimerasa desde el extremo 3' hasta el extremo 5' durante la transcripción (3' → 5'). El ARN complementario se crea en la dirección opuesta, en la dirección 5 '→ 3', coincidiendo con la secuencia de la hebra sentido con la excepción de cambiar el uracilo por la timina. Esta direccionalidad se debe a que la ARN polimerasa solo puede agregar nucleótidos al extremo 3' de la cadena de ARNm en crecimiento. Este uso de solo la cadena de ADN 3' → 5' elimina la necesidad de los fragmentos de Okazaki que se ven en la replicación del ADN. Esto también elimina la necesidad de un cebador de ARN para iniciar la síntesis de ARN, como es el caso de la replicación de ADN.

La hebra de ADN sin plantilla (sentido) se denomina hebra codificante, porque su secuencia es la misma que la del transcrito de ARN recién creado (excepto por la sustitución de timina por uracilo). Esta es la hebra que se usa por convención cuando se presenta una secuencia de ADN.

La transcripción tiene algunos mecanismos de revisión, pero son menos y menos efectivos que los controles para copiar el ADN. Como resultado, la transcripción tiene una fidelidad de copia menor que la replicación del ADN.

Pasos principales

La transcripción se divide en iniciación, escape del promotor, elongación y terminación.

Configuración para la transcripción

Potenciadores, factores de transcripción, complejo mediador y bucles de ADN en la transcripción de mamíferos

La preparación para la transcripción en los mamíferos está regulada por muchos elementos reguladores en cis, incluidos el promotor central y los elementos proximales al promotor que se encuentran cerca de los sitios de inicio de la transcripción de los genes. Los promotores centrales combinados con factores de transcripción generales son suficientes para dirigir el inicio de la transcripción, pero generalmente tienen una actividad basal baja. Otros módulos reguladores cis importantes se localizan en regiones de ADN que están distantes de los sitios de inicio de la transcripción. Estos incluyen potenciadores, silenciadores, aisladores y elementos de amarre. Entre esta constelación de elementos, los potenciadores y sus factores de transcripción asociados tienen un papel principal en el inicio de la transcripción génica. Un potenciador localizado en una región de ADN distante del promotor de un gen puede tener un efecto muy grande en la transcripción génica, y algunos genes experimentan un aumento de la transcripción de hasta 100 veces debido a un potenciador activado.

Los potenciadores son regiones del genoma que son los principales elementos reguladores de genes. Los potenciadores controlan los programas de transcripción de genes específicos del tipo de célula, la mayoría de las veces recorriendo largas distancias para acercarse físicamente a los promotores de sus genes objetivo. Si bien hay cientos de miles de regiones de ADN potenciadoras, para un tipo particular de tejido solo los potenciadores específicos se acercan a los promotores que regulan. En un estudio de neuronas corticales cerebrales, se encontraron 24 937 bucles, lo que llevó potenciadores a sus promotores objetivo. Múltiples potenciadores, cada uno a menudo a decenas o cientos de miles de nucleótidos de distancia de sus genes objetivo, enlazan con sus promotores de genes objetivo y pueden coordinarse entre sí para controlar la transcripción de su gen objetivo común.

La ilustración esquemática de esta sección muestra un potenciador dando vueltas para acercarse físicamente al promotor de un gen objetivo. El bucle está estabilizado por un dímero de una proteína conectora (p. ej., 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). Varios factores de transcripción específicos de la función celular (hay alrededor de 1600 factores de transcripción en una célula humana) generalmente se unen a motivos específicos en un potenciadory una pequeña combinación de estos factores de transcripción unidos a potenciadores, cuando se acercan a un promotor mediante un bucle de ADN, gobiernan el nivel de transcripción del gen objetivo. El mediador (un complejo que generalmente consta de unas 26 proteínas en una estructura que interactúa) comunica las señales reguladoras de los factores de transcripción unidos al ADN potenciadores directamente a la enzima ARN polimerasa II (pol II) unida al promotor.

Los potenciadores, cuando están activos, generalmente se transcriben a partir de ambas cadenas de ADN con ARN polimerasas que actúan en dos direcciones diferentes, produciendo dos ARN potenciadores (ARNe), como se ilustra en la figura. Un potenciador inactivo puede unirse a un factor de transcripción inactivo. La fosforilación del factor de transcripción puede activarlo y ese factor de transcripción activado puede entonces activar el potenciador al que está unido (ver la pequeña estrella roja que representa la fosforilación del factor de transcripción unido al potenciador en la ilustración). Un potenciador activado comienza la transcripción de su ARN antes de activar la transcripción del ARN mensajero de su gen objetivo.

Metilación y desmetilación de islas CpG

La regulación de la transcripción en aproximadamente el 60% de los promotores también está controlada por la metilación de las citosinas dentro de los dinucleótidos CpG (donde la citosina en 5' es seguida por la guanina en 3' o los sitios CpG). 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 los sitios CpG. Aproximadamente 28 millones de dinucleótidos CpG ocurren en el genoma humano. 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). Las citosinas metiladas dentro de las secuencias 3' de 5'citosina-guanina a menudo se presentan en grupos, llamados islas CpG. Aproximadamente el 60 % de las secuencias promotoras tienen una isla CpG, mientras que solo aproximadamente el 6 % de las secuencias potenciadoras tienen una isla CpG. 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 transcripción del gen.

La metilación del ADN regula la transcripción de genes 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 las islas CpG altamente metiladas. Estas proteínas MBD tienen tanto un dominio de unión a metil-CpG como un dominio de represión de la transcripción. 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 represiva general a través de la remodelación del nucleosoma y la reorganización de la cromatina.

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. La secuencia de unión de un factor de transcripción en el ADN suele tener una longitud de unos 10 u 11 nucleótidos. Como resumió en 2009, Vaquerizas et al. indicó que hay aproximadamente 1.400 factores de transcripción diferentes codificados en el genoma humano por genes que constituyen aproximadamente el 6% de todos los genes que codifican proteínas humanas. Alrededor del 94 % de los sitios de unión del factor de transcripción (TFBS) que están asociados con genes sensibles a señales se encuentran en potenciadores, mientras que solo alrededor del 6 % de dichos TFBS se encuentran en promotores.

La proteína EGR1 es un factor de transcripción particular que es importante para la regulación de la metilación de las islas CpG. Un sitio de unión del factor de transcripción EGR1 se localiza con frecuencia en secuencias potenciadoras o promotoras. 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 están ubicados en promotores y la otra mitad en potenciadores. La unión de EGR1 a su sitio de unión de ADN objetivo es insensible a la metilación de citosina en el ADN.

Si bien solo se detectan pequeñas cantidades de la proteína del factor de transcripción EGR1 en las células que no están estimuladas, la traducción del gen EGR1 en proteína una hora después de la estimulación aumenta drásticamente. 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. En el cerebro, cuando se activan las neuronas, las proteínas EGR1 se regulan al alza y se unen a (reclutan) las enzimas TET1 preexistentes que se expresan en gran medida en las neuronas. Las enzimas TET pueden catalizar la desmetilación de la 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 las neuronas se expresan diferencialmente después de la activación de la neurona a través del reclutamiento de EGR1 de TET1 a secuencias reguladoras metiladas en sus promotores.

La metilación de los promotores también se altera en respuesta a las señales. Las tres metiltransferasas de ADN de mamíferos (DNMT1, DNMT3A y DNMT3B) catalizan la adición de grupos metilo a las citosinas en el ADN. Mientras que DNMT1 es una metiltransferasa de "mantenimiento", DNMT3A y DNMT3B pueden realizar nuevas metilaciones. También hay dos isoformas de proteínas de empalme producidas a partir del gen DNMT3A: proteínas de ADN metiltransferasa DNMT3A1 y DNMT3A2.

La isoforma de empalme DNMT3A2 se comporta como el producto de un gen temprano inmediato clásico y, por ejemplo, se produce de manera robusta y transitoria después de la activación neuronal. Donde la isoforma de ADN metiltransferasa DNMT3A2 se une y agrega grupos metilo a las citosinas parece estar determinado por modificaciones postraduccionales de las histonas.

Por otro lado, la activación neuronal provoca la degradación de DNMT3A1 acompañada de una metilación reducida de al menos un promotor objetivo evaluado.

Iniciación

La transcripción comienza con la unión de la ARN polimerasa, junto con uno o más factores de transcripción generales, a una secuencia de ADN específica denominada "promotor" para formar un "complejo cerrado" de ARN polimerasa-promotor. En el "complejo cerrado", el ADN promotor sigue siendo completamente bicatenario.

La ARN polimerasa, asistida por uno o más factores de transcripción generales, luego desenrolla aproximadamente 14 pares de bases de ADN para formar un "complejo abierto" promotor de la ARN polimerasa. En el "complejo abierto", el ADN promotor está parcialmente desenrollado y es monocatenario. El ADN monocatenario expuesto se denomina "burbuja de transcripción".

La ARN polimerasa, asistida por uno o más factores de transcripción generales, luego selecciona un sitio de inicio de la transcripción en la burbuja de transcripción, se une a un NTP de inicio y a un NTP de extensión (o un cebador de ARN corto y un NTP de extensión) complementario a la secuencia del sitio de inicio de la transcripción y cataliza la formación de enlaces para producir un producto de ARN inicial.

En las bacterias, la holoenzima ARN polimerasa consta de cinco subunidades: 2 subunidades α, 1 subunidad β, 1 subunidad β' y 1 subunidad ω. En las bacterias, hay un factor de transcripción de ARN general conocido como factor sigma. La enzima central de la ARN polimerasa se une al factor de transcripción general bacteriano (sigma) para formar una holoenzima de ARN polimerasa y luego se une a un promotor. (La ARN polimerasa se denomina holoenzima cuando la subunidad sigma está unida a la enzima central, que consta de 2 subunidades α, 1 subunidad β, 1 subunidad β' solamente). A diferencia de los eucariotas, el nucleótido iniciador del ARNm bacteriano naciente no está rematado con un nucleótido de guanina modificado. El nucleótido iniciador de las transcripciones bacterianas lleva un 5' trifosfato (5'-PPP), que se puede usar para el mapeo de sitios de inicio de la transcripción en todo el genoma.

En arqueas y eucariotas, la ARN polimerasa contiene subunidades homólogas a cada una de las cinco subunidades de ARN polimerasa en bacterias y también contiene subunidades adicionales. En arqueas y eucariotas, las funciones del factor de transcripción general bacteriano sigma son realizadas por múltiples factores de transcripción generales que trabajan juntos.En las arqueas, hay tres factores de transcripción generales: TBP, TFB y TFE. En eucariotas, en la transcripción dependiente de la ARN polimerasa II, hay seis factores de transcripción generales: TFIIA, TFIIB (un ortólogo de TFB arqueal), TFIID (un factor de múltiples subunidades en el que la subunidad clave, TBP, es un ortólogo de TBP arqueal), TFIIE (un ortólogo de archaeal TFE), TFIIF y TFIIH. El TFIID es el primer componente que se une al ADN debido a la unión de TBP, mientras que TFIIH es el último componente en ser reclutado. En arqueas y eucariotas, el complejo cerrado del promotor de la polimerasa de ARN se suele denominar "complejo de preiniciación".

El inicio de la transcripción está regulado por proteínas adicionales, conocidas como activadores y represores y, en algunos casos, coactivadores o correpresores asociados, que modulan la formación y función del complejo de inicio de la transcripción.

Escape del promotor

Después de sintetizar el primer enlace, la ARN polimerasa debe escapar del promotor. Durante este tiempo hay una tendencia a liberar el transcrito de ARN y producir transcritos truncados. Esto se llama iniciación abortiva y es común tanto para eucariotas como para procariotas. La iniciación abortiva continúa ocurriendo hasta que se sintetiza un producto de ARN de una longitud umbral de aproximadamente 10 nucleótidos, momento en el cual ocurre el escape del promotor y se forma un complejo de elongación de la transcripción.

Mecanicistamente, el escape del promotor ocurre a través de la trituración del ADN, proporcionando la energía necesaria para romper las interacciones entre la holoenzima de la ARN polimerasa y el promotor.

En las bacterias, históricamente se pensó que el factor sigma se libera definitivamente después de que se produce la eliminación del promotor. Esta teoría había sido conocida como el modelo de liberación obligada. Sin embargo, datos posteriores demostraron que después de la eliminación del promotor, el factor sigma se libera de acuerdo con un modelo estocástico conocido como modelo de liberación estocástica.

En eucariotas, en un promotor dependiente de la ARN polimerasa II, tras la eliminación del promotor, TFIIH fosforila la serina 5 en el dominio carboxi terminal de la ARN polimerasa II, lo que lleva al reclutamiento de la enzima capping (CE). El mecanismo exacto de cómo CE induce la eliminación del promotor en eucariotas aún no se conoce.

Alargamiento

Una hebra de ADN, la hebra molde (o hebra no codificante), se utiliza como molde para la síntesis de ARN. A medida que avanza la transcripción, la ARN polimerasa atraviesa la hebra plantilla y utiliza la complementariedad de emparejamiento de bases con la plantilla de ADN para crear una copia de ARN (que se alarga durante el recorrido). Aunque la ARN polimerasa atraviesa la hebra plantilla desde 3' → 5', la hebra codificante (no plantilla) y el ARN recién formado también se pueden usar como puntos de referencia, por lo que la transcripción se puede describir como que ocurre 5' → 3'. Esto produce una molécula de ARN de 5' → 3', una copia exacta de la hebra codificante (excepto que las timinas se reemplazan con uracilos, y los nucleótidos están compuestos de un azúcar ribosa (5 carbonos) donde el ADN tiene desoxirribosa (un oxígeno menos átomo) en su cadena principal de azúcar-fosfato).

La transcripción de ARNm puede involucrar múltiples polimerasas de ARN en una sola plantilla de ADN y múltiples rondas de transcripción (amplificación de ARNm particular), por lo que se pueden producir rápidamente muchas moléculas de ARNm a partir de una sola copia de un gen. Las tasas de elongación características en procariotas y eucariotas son de alrededor de 10-100 nts/seg. En eucariotas, sin embargo, los nucleosomas actúan como barreras importantes para la transcripción de polimerasas durante el alargamiento de la transcripción. En estos organismos, la pausa inducida por los nucleosomas puede ser regulada por factores de elongación de la transcripción como TFIIS.

La elongación también implica un mecanismo de revisión que puede reemplazar las bases incorporadas incorrectamente. En eucariotas, esto puede corresponder a breves pausas durante la transcripción que permiten que se unan los factores de edición de ARN apropiados. Estas pausas pueden ser intrínsecas a la ARN polimerasa o debidas a la estructura de la cromatina.

Terminación

Las bacterias utilizan dos estrategias diferentes para la terminación de la transcripción: terminación independiente de Rho y terminación dependiente de Rho. En la terminación de la transcripción independiente de Rho, la transcripción del ARN se detiene cuando la molécula de ARN recién sintetizada forma un bucle en horquilla rico en GC seguido de una serie de Us. Cuando se forma la horquilla, el estrés mecánico rompe los enlaces débiles rU-dA, llenando ahora el híbrido ADN-ARN. Esto saca el transcrito poli-U del sitio activo de la ARN polimerasa, terminando la transcripción. En el tipo de terminación "dependiente de Rho", un factor de proteína llamado "Rho" desestabiliza la interacción entre la plantilla y el ARNm, liberando así el ARNm recién sintetizado del complejo de elongación.

La terminación de la transcripción en eucariotas se comprende menos que en bacterias, pero implica la escisión de la nueva transcripción seguida de la adición independiente de molde de adeninas en su nuevo extremo 3', en un proceso llamado poliadenilación.

Papel de la ARN polimerasa en los cambios postranscripcionales en el ARN

La ARN polimerasa juega un papel muy importante en todos los pasos, incluidos los cambios postranscripcionales en el ARN.

Como se muestra en la imagen de la derecha es evidente que el CTD (C Terminal Domain) es una cola que cambia de forma; esta cola será utilizada como portadora de empalme, capping y poliadenilación, como se muestra en la imagen de la izquierda.

Inhibidores

Los inhibidores de la transcripción se pueden usar como antibióticos contra, por ejemplo, bacterias patógenas (antibacterianos) y hongos (antifúngicos). Un ejemplo de tal antibacteriano es la rifampicina, que inhibe la transcripción bacteriana de ADN en ARNm al inhibir la ARN polimerasa dependiente de ADN al unirse a su subunidad beta, mientras que la 8-hidroxiquinolina es un inhibidor de la transcripción antifúngico. Los efectos de la metilación de histonas también pueden funcionar para inhibir la acción de la transcripción. Los productos naturales bioactivos potentes como la triptolida que inhiben la transcripción en mamíferos a través de la inhibición de la subunidad XPB del factor de transcripción general TFIIH se informaron recientemente como un conjugado de glucosa para atacar las células cancerosas hipóxicas con una mayor expresión del transportador de glucosa.

Inhibidores endógenos

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 inhibe (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, la inhibición transcripcional (silenciamiento) puede tener más importancia que la mutación para provocar la progresión al cáncer. Por ejemplo, en los cánceres colorrectales, alrededor de 600 a 800 genes son inhibidos 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).

Fábricas de transcripción

Las unidades de transcripción activa se agrupan en el núcleo, en sitios discretos llamados fábricas de transcripción o eucromatina. Dichos sitios se pueden visualizar permitiendo que las polimerasas comprometidas extiendan sus transcripciones en precursores etiquetados (Br-UTP o Br-U) e inmunomarcando el ARN naciente etiquetado. Las fábricas de transcripción también pueden localizarse mediante hibridación in situ con fluorescencia o marcarse con anticuerpos dirigidos contra las polimerasas. Hay unas 10 000 fábricas en el nucleoplasma de una célula HeLa, entre las que se encuentran unas 8 000 fábricas de polimerasa II y unas 2 000 fábricas de polimerasa III. Cada fábrica de polimerasa II contiene ~8 polimerasas. Como la mayoría de las unidades de transcripción activas están asociadas con una sola polimerasa, cada factoría suele contener ~8 unidades de transcripción diferentes. Estas unidades pueden estar asociadas a través de promotores y/o potenciadores,

Historia

François Jacob y Jacques Monod plantearon por primera vez la hipótesis de una molécula que permite que el material genético se convierta en una proteína. Severo Ochoa ganó un Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1959 por desarrollar un proceso para sintetizar ARN in vitro con polinucleótido fosforilasa, que fue útil para descifrar el código genético. La síntesis de ARN por ARN polimerasa fue establecida in vitro por varios laboratorios en 1965; sin embargo, el ARN sintetizado por estas enzimas tenía propiedades que sugerían la existencia de un factor adicional necesario para terminar correctamente la transcripción.

En 1972, Walter Fiers se convirtió en la primera persona en demostrar la existencia de la enzima de terminación.

Roger D. Kornberg ganó el Premio Nobel de Química en 2006 "por sus estudios sobre las bases moleculares de la transcripción eucariótica".

Medir y detectar

La transcripción se puede medir y detectar de varias maneras:

• Ensayo de transcripción G-Less Cassette: mide la fuerza del promotor
• Ensayo de transcripción de salida: identifica los sitios de inicio de la transcripción (TSS)
• Ensayo nuclear continuo: mide la abundancia relativa de transcritos recién formados
• KAS-seq: mide el ADN monocatenario generado por las ARN polimerasas; Puede trabajar con 1.000 celdas.
• Ensayo de protección de RNasa y ChIP-Chip de RNAP: detecta sitios de transcripción activos
• RT-PCR: mide la abundancia absoluta de los niveles de ARN total o nuclear, que sin embargo pueden diferir de las tasas de transcripción
• Micromatrices de ADN: mide la abundancia relativa de los niveles globales de ARN total o nuclear; sin embargo, estos pueden diferir de las tasas de transcripción
• Hibridación in situ: detecta la presencia de una transcripción
• Etiquetado de MS2: al incorporar bucles de tallo de ARN, como MS2, en un gen, estos se incorporan al ARN recién sintetizado. Luego, los bucles de tallo se pueden detectar usando una fusión de GFP y la proteína de cubierta MS2, que tiene una interacción específica de secuencia de alta afinidad con los bucles de tallo de MS2. El reclutamiento de GFP en el sitio de transcripción se visualiza como un único punto fluorescente. Este nuevo enfoque ha revelado que la transcripción ocurre en ráfagas discontinuas o pulsos (ver Explosión transcripcional). Con la notable excepción de las técnicas in situ, la mayoría de los demás métodos proporcionan promedios de población celular y no son capaces de detectar esta propiedad fundamental de los genes.
• Northern blot: el método tradicional, y hasta la llegada de RNA-Seq, el método más cuantitativo
• RNA-Seq: aplica técnicas de secuenciación de próxima generación para secuenciar transcriptomas completos, lo que permite la medición de la abundancia relativa de ARN, así como la detección de variaciones adicionales, como genes de fusión, ediciones postranscripcionales y nuevos sitios de empalme.
• RNA-Seq de célula única: amplifica y lee transcriptomas parciales de células aisladas, lo que permite análisis detallados de RNA en tejidos, embriones y cánceres

Transcripción inversa

Algunos virus (como el VIH, la causa del SIDA), tienen la capacidad de transcribir el ARN en ADN. El VIH tiene un genoma de ARN que se transcribe inversamente en ADN. El ADN resultante se puede fusionar con el genoma de ADN de la célula huésped. La enzima principal responsable de la síntesis de ADN a partir de una plantilla de ARN se llama transcriptasa inversa.

En el caso del VIH, la transcriptasa inversa se encarga de sintetizar una cadena de ADN complementaria (ADNc) al genoma del ARN viral. La enzima ribonucleasa H luego digiere la cadena de ARN y la transcriptasa inversa sintetiza una cadena complementaria de ADN para formar una estructura de ADN de doble hélice ("ADNc"). El ADNc se integra en el genoma de la célula huésped mediante la enzima integrasa, que hace que la célula huésped genere proteínas virales que se ensamblan en nuevas partículas virales. En el VIH, después de esto, la célula huésped sufre muerte celular programada o apoptosis de las células T. Sin embargo, en otros retrovirus, la célula huésped permanece intacta mientras el virus sale de la célula.

Algunas células eucariotas contienen una enzima con actividad de transcripción inversa llamada telomerasa. La telomerasa es una transcriptasa inversa que alarga los extremos de los cromosomas lineales. La telomerasa lleva una plantilla de ARN a partir de la cual sintetiza una secuencia repetitiva de ADN o ADN "basura". Esta secuencia repetida de ADN se llama telómero y se puede considerar como una "tapa" para un cromosoma. Es importante porque cada vez que se duplica un cromosoma lineal, se acorta. Con este ADN "basura" o "tapa" en los extremos de los cromosomas, el acortamiento elimina parte de la secuencia repetida no esencial en lugar de la secuencia de ADN que codifica la proteína, que está más alejada del extremo del cromosoma.

La telomerasa a menudo se activa en las células cancerosas para permitir que las células cancerosas dupliquen sus genomas indefinidamente sin perder una importante secuencia de ADN que codifica proteínas. La activación de la telomerasa podría ser parte del proceso que permite que las células cancerosas se vuelvan inmortales. Se ha demostrado que el factor de inmortalización del cáncer a través del alargamiento de los telómeros debido a la telomerasa ocurre en el 90 % de todos los tumores cancerígenos in vivo y el 10 % restante utiliza una ruta alternativa de mantenimiento de los telómeros llamada ALT o Alargamiento alternativo de los telómeros.