Tres regiones principales no traducidas

En genética molecular, la región no traducida principal tres (3′-UTR) es la sección del ARN mensajero (ARNm) que sigue inmediatamente al codón de terminación de la traducción. El 3′-UTR a menudo contiene regiones reguladoras que influyen en la expresión génica postranscripcional.

Durante la expresión génica, una molécula de ARNm se transcribe a partir de la secuencia de ADN y luego se traduce en una proteína. Varias regiones de la molécula de ARNm no se traducen en una proteína, incluido el 5' tapa, 5' región no traducida, región 3' no traducida y cola poli(A). Las regiones reguladoras dentro de la región 3' no traducida pueden influir en la poliadenilación, la eficiencia de la traducción, la localización y la estabilidad del ARNm. La 3′-UTR contiene sitios de unión tanto para proteínas reguladoras como para microARN (miARN). 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 tiene regiones silenciadoras que se unen a proteínas represoras e inhibirán la expresión del ARNm.

Muchos 3′-UTR también contienen elementos ricos en AU (ARE). Las proteínas se unen a los ARE para afectar la estabilidad o la tasa de descomposición de las transcripciones de manera localizada o afectar el inicio de la traducción. Además, la 3′-UTR contiene la secuencia AAUAAA que dirige la adición de varios cientos de residuos de adenina llamados cola poli(A) al final de la transcripción de ARNm. La proteína de unión a poli(A) (PABP) se une a esta cola, lo que contribuye a la regulación de la traducción, la estabilidad y la exportación del ARNm. Por ejemplo, la PABP unida a la cola de poli(A) interactúa con las proteínas asociadas con el 5' final de la transcripción, provocando una circularización del ARNm que promueve la traducción.

La 3′-UTR también puede contener secuencias que atraen proteínas para asociar el ARNm con el citoesqueleto, transportarlo hacia o desde el núcleo celular o realizar otros tipos de localización. Además de las secuencias dentro de la 3′-UTR, las características físicas de la región, incluida su longitud y estructura secundaria, contribuyen a la regulación de la traducción. Estos diversos mecanismos de regulación génica aseguran que los genes correctos se expresen en las células correctas en los momentos apropiados.

Características físicas

La 3′-UTR del ARNm tiene una gran variedad de funciones reguladoras que están controladas por las características físicas de la región. Una de esas características es la longitud de la 3'-UTR, que en el genoma de los mamíferos tiene una variación considerable. Esta región de la transcripción de ARNm puede oscilar entre 60 nucleótidos y aproximadamente 4000. En promedio, la longitud de la 3′-UTR en humanos es de aproximadamente 800 nucleótidos, mientras que la longitud promedio de la 5'-UTR es de solo unos 200 nucleótidos. La longitud de la 3′-UTR es significativa ya que las 3′-UTR más largas se asocian con niveles más bajos de expresión génica. Una posible explicación de este fenómeno es que las regiones más largas tienen una mayor probabilidad de poseer más sitios de unión de miARN que tienen la capacidad de inhibir la traducción. Además de la longitud, la composición de nucleótidos también difiere significativamente entre los 5' y 3'-UTR. El porcentaje medio de G+C de la 5'-UTR en vertebrados de sangre caliente es de aproximadamente el 60 % en comparación con solo el 45 % para las 3'-UTR. Esto es importante porque se ha observado una correlación inversa entre el % G+C de 5' y 3′-UTR y sus longitudes correspondientes. Las UTR que son pobres en GC tienden a ser más largas que las ubicadas en regiones genómicas ricas en GC.

Las secuencias dentro de la 3′-UTR también tienen la capacidad de degradar o estabilizar la transcripción de ARNm. Las modificaciones que controlan la estabilidad de una transcripción permiten controlar rápidamente la expresión de un gen sin alterar las tasas de traducción. Un grupo de elementos en la 3′-UTR que puede ayudar a desestabilizar una transcripción de ARNm son los elementos ricos en AU (ARE). Estos elementos varían en tamaño de 50 a 150 pares de bases y generalmente contienen múltiples copias del pentanucleótido AUUUA. Los primeros estudios indicaron que los ARE pueden variar en secuencia y caer en tres clases principales que difieren en el número y disposición de los motivos. Otro conjunto de elementos que está presente tanto en el 5' y 3′-UTR son elementos de respuesta de hierro (IRE). El IRE es una estructura de bucle de tallo dentro de las regiones no traducidas de los ARNm que codifican proteínas involucradas en el metabolismo del hierro celular. El transcrito de ARNm que contiene este elemento se degrada o se estabiliza según la unión de proteínas específicas y las concentraciones de hierro intracelular.

La 3′-UTR también contiene secuencias que indican que se deben realizar adiciones, ya sea a la propia transcripción o al producto de la traducción. Por ejemplo, hay dos señales de poliadenilación diferentes presentes dentro de la 3′-UTR que señalan la adición de la cola poli(A). Estas señales inician la síntesis de la cola poli(A) en una longitud definida de aproximadamente 250 pares de bases. La señal principal utilizada es la señal de poliadenilación nuclear (PAS) con la secuencia AAUAAA ubicada hacia el final de la 3′-UTR. Sin embargo, durante el desarrollo temprano puede ocurrir poliadenilación citoplasmática y regular la activación traduccional de los ARNm maternos. El elemento que controla este proceso se llama CPE, que es rico en AU y también se encuentra en 3′-UTR. El CPE generalmente tiene la estructura UUUUUUAU y generalmente está dentro de los 100 pares de bases del PAS nuclear. Otra adición específica señalada por la 3′-UTR es la incorporación de selenocisteína en codones UGA de ARNm que codifican selenoproteínas. Normalmente, el codón UGA codifica una parada de la traducción, pero en este caso, una estructura de bucle de tallo conservada llamada secuencia de inserción de selenocisteína (SECIS) provoca la inserción de selenocisteína en su lugar.

Papel en la expresión génica

La región 3' no traducida desempeña un papel fundamental en la expresión génica al influir en la localización, la estabilidad, la exportación y la eficiencia de traducción de un ARNm. Contiene varias secuencias que están involucradas en la expresión génica, incluidos los elementos de respuesta de microARN (MRE), los elementos ricos en AU (ARE) y la cola poli(A). Además, las características estructurales de la 3′-UTR, así como su uso de poliadenilación alternativa, juegan un papel en la expresión génica.

Elementos de respuesta de microARN

La 3′-UTR a menudo contiene elementos de respuesta de microARN (MRE), que son secuencias a las que se unen los miARN. Los miARN son moléculas cortas de ARN no codificantes capaces de unirse a transcritos de ARNm y regular su expresión. Un mecanismo de miARN implica el apareamiento parcial de bases del 5' secuencia semilla de un miARN a un MRE dentro de la 3′-UTR de un ARNm; esta unión provoca entonces la represión de la traducción.

Elementos ricos en AU

Además de contener MRE, la 3′-UTR también suele contener elementos ricos en AU (ARE), que tienen una longitud de 50 a 150 pb y, por lo general, incluyen muchas copias de la secuencia AUUUA. Las proteínas de unión a ARE (ARE-BP) se unen a elementos ricos en AU de una manera que depende del tipo de tejido, el tipo de célula, el tiempo, la localización celular y el entorno. En respuesta a diferentes señales intracelulares y extracelulares, los ARE-BP pueden promover la descomposición del ARNm, afectar la estabilidad del ARNm o activar la traducción. Este mecanismo de regulación génica está implicado en el crecimiento celular, la diferenciación celular y la adaptación a estímulos externos. Por lo tanto, actúa sobre transcritos que codifican citocinas, factores de crecimiento, supresores de tumores, protooncogenes, ciclinas, enzimas, factores de transcripción, receptores y proteínas de membrana.

Cola de poli(A)

La cola de poli(A) contiene sitios de unión para las proteínas de unión de poli(A) (PABP). Estas proteínas cooperan con otros factores para afectar la exportación, estabilidad, descomposición y traducción de un ARNm. Las PABP unidas a la cola poli(A) también pueden interactuar con proteínas, como los factores de iniciación de la traducción, que están unidas a la cola 5' tapa del ARNm. Esta interacción provoca la circularización de la transcripción, que posteriormente promueve el inicio de la traducción. Además, permite una traducción eficiente al provocar el reciclaje de los ribosomas. Si bien la presencia de una cola poli(A) generalmente ayuda a desencadenar la traducción, la ausencia o eliminación de una a menudo conduce a la degradación del ARNm mediada por exonucleasa. La poliadenilación en sí misma está regulada por secuencias dentro de la 3′-UTR de la transcripción. Estas secuencias incluyen elementos de poliadenilación citoplasmática (CPE), que son secuencias ricas en uridina que contribuyen tanto a la activación como a la represión de la poliadenilación. La proteína de unión a CPE (CPEB) se une a los CPE junto con una variedad de otras proteínas para provocar diferentes respuestas.

Características estructurales

Si bien la secuencia que constituye la 3′-UTR contribuye en gran medida a la expresión génica, las características estructurales de la 3′-UTR también juegan un papel importante. En general, las 3'-UTR más largas corresponden a tasas de expresión más bajas, ya que a menudo contienen más miARN y sitios de unión a proteínas que están involucrados en la inhibición de la traducción. Las transcripciones humanas poseen 3′-UTR que son, en promedio, el doble de largas que otras 3′-UTR de mamíferos. Esta tendencia refleja el alto nivel de complejidad involucrado en la regulación de genes humanos. Además de la longitud, la estructura secundaria de la región 3' no traducida también tiene funciones reguladoras. Los factores proteicos pueden ayudar o interrumpir el plegamiento de la región en varias estructuras secundarias. La estructura más común es un bucle de tallo, que proporciona un andamiaje para las proteínas de unión al ARN y los ARN no codificantes que influyen en la expresión de la transcripción.

Poliadenilación alternativa

Otro mecanismo relacionado con la estructura de la 3′-UTR se llama poliadenilación alternativa (APA), que da como resultado isoformas de ARNm que difieren solo en sus 3′-UTR. Este mecanismo es especialmente útil para organismos complejos, ya que proporciona un medio para expresar la misma proteína pero en diferentes cantidades y ubicaciones. Es utilizado por aproximadamente la mitad de los genes humanos. APA puede resultar de la presencia de múltiples sitios de poliadenilación o exones terminales mutuamente excluyentes. Dado que puede afectar la presencia de sitios de unión a proteínas y miARN, APA puede causar una expresión diferencial de transcritos de ARNm al influir en su estabilidad, exportación al citoplasma y eficiencia de traducción.

Métodos de estudio

Los científicos utilizan varios métodos para estudiar las estructuras y funciones complejas de la 3′ UTR. Incluso si se demuestra que una 3′-UTR dada en un ARNm está presente en un tejido, los efectos de la localización, la vida media funcional, la eficiencia de traducción y los elementos que actúan en trans deben determinarse para comprender la 3′-UTR&#39.;s funcionalidad completa. Los enfoques computacionales, principalmente mediante el análisis de secuencias, han demostrado la existencia de ARE en aproximadamente el 5 al 8 % de las 3′-UTR humanas y la presencia de uno o más objetivos de miARN en hasta el 60 % o más de las 3′-UTR humanas. El software puede comparar rápidamente millones de secuencias a la vez para encontrar similitudes entre varios UTR 3 'dentro del genoma. Se han utilizado enfoques experimentales para definir secuencias que se asocian con proteínas de unión a ARN específicas; específicamente, las mejoras recientes en las técnicas de secuenciación y entrecruzamiento han permitido un mapeo fino de los sitios de unión a proteínas dentro de la transcripción. Las mutaciones específicas del sitio inducidas, por ejemplo, aquellas que afectan el codón de terminación, la señal de poliadenilación o la estructura secundaria de la 3′-UTR, pueden mostrar cómo las regiones mutadas pueden causar enfermedades y desregulación de la traducción. Estos tipos de métodos de transcripción completa deberían ayudar a nuestra comprensión de los elementos cis conocidos y los factores reguladores trans dentro de las 3′-UTR.

Enfermedad

Las mutaciones de 3′-UTR pueden tener muchas consecuencias porque una alteración puede ser responsable de la expresión alterada de muchos genes. Transcripcionalmente, una mutación puede afectar solo al alelo y los genes que están físicamente vinculados. Sin embargo, dado que las proteínas de unión a 3′-UTR también funcionan en el procesamiento y la exportación nuclear del ARNm, una mutación también puede afectar a otros genes no relacionados. La desregulación de las proteínas de unión a ARE (AUBP) debido a mutaciones en regiones ricas en AU puede provocar enfermedades que incluyen tumorigénesis (cáncer), neoplasias malignas hematopoyéticas, leucemogénesis y retraso del desarrollo/trastornos del espectro autista. Un número ampliado de repeticiones de trinucleótidos (CTG) en el 3'-UTR del gen de la proteína quinasa de la distrofia miotónica (DMPK) causa la distrofia miotónica. La inserción retrotranspuesta de 3 kilobases de secuencias repetidas en tándem dentro de la 3′-UTR de la proteína fukutina está relacionada con la distrofia muscular congénita de tipo Fukuyama. Los elementos de la 3′-UTR también se han relacionado con la leucemia mieloide aguda humana, la alfa-talasemia, el neuroblastoma, la queratinopatía, la aniridia, el síndrome IPEX y los defectos cardíacos congénitos. Las pocas enfermedades mediadas por UTR identificadas solo insinúan los innumerables vínculos aún por descubrir.

Desarrollo futuro

A pesar de nuestra comprensión actual de las 3′-UTR, siguen siendo misterios relativos. Dado que los ARNm suelen contener varios elementos de control superpuestos, a menudo es difícil especificar la identidad y la función de cada elemento 3'-UTR, y mucho menos los factores reguladores que pueden unirse a estos sitios. Además, cada 3′-UTR contiene muchos elementos alternativos ricos en AU y señales de poliadenilación. Estos elementos que actúan en cis y trans, junto con los miARN, ofrecen una gama prácticamente ilimitada de posibilidades de control dentro de un único ARNm. La investigación futura a través del mayor uso de perfiles de ribosomas basados en secuenciación profunda revelará más sutilezas regulatorias, así como nuevos elementos de control y AUBP. Además, el destino final de una transcripción radica en la vía de transducción de señales en la que está involucrada, por lo que la investigación futura en esta área parece prometedora.