Elongación y Terminación en Eucariotas
La elongación sintetiza pre-ARNm en una dirección de 5′ a 3′, y la terminación ocurre en respuesta a secuencias y señales de terminación.
Objetivos de aprendizaje
Describir lo que está sucediendo durante la elongación y terminación de la transcripción
Conclusiones clave
Puntos clave
- La ARN polimerasa II (RNAPII) transcribe la mayor parte de genes eucarióticos.
- Durante el alargamiento, la maquinaria de transcripción necesita mover las histonas fuera del camino cada vez que se encuentra con un nucleosoma.
- El alargamiento de la transcripción se produce en una burbuja de ADN desenrollado, donde la ARN Polimerasa utiliza una hebra de ADN como plantilla para catalizar la síntesis de una nueva hebra de ARN en la dirección 5′ a 3′.
- La ARN Polimerasa I y la ARN Polimerasa III terminan la transcripción en respuesta a secuencias de terminación específicas en el ADN que se está transcribiendo (ARN Polimerasa I) o en el ARN recién sintetizado (ARN Polimerasa III).
- La ARN polimerasa II termina la transcripción en ubicaciones aleatorias más allá del final del gen que se está transcribiendo. El ARN recién sintetizado se escinde en una ubicación especificada por la secuencia y se libera antes de que finalice la transcripción.
Términos clave
- nucleosoma: cualquiera de las subunidades que se repiten en la cromatina; una bobina de ADN que rodea un núcleo de histona
- histona: cualquiera de las diversas proteínas simples solubles en agua que son ricas en los aminoácidos básicos lisina y arginina y están complejadas con ADN en los nucleosomas de la cromatina eucariótica
- cromatina: un complejo de ADN, ARN y proteínas dentro del núcleo celular, de los cuales los cromosomas se condensan durante la división celular
Transcripción a través de nucleosomas
Después de la formación del complejo de preiniciación, la polimerasa se libera de los otros factores de transcripción, y se permite que el alargamiento proceda con el ARN de síntesis de polimerasa en la dirección 5′ a 3′. La ARN polimerasa II (RNAPII) transcribe la mayor parte de genes eucarióticos, por lo que esta sección se centrará principalmente en cómo esta polimerasa específica logra el alargamiento y terminación.
Aunque el proceso enzimático de elongación es esencialmente el mismo en eucariotas y procariotas, la plantilla de ADN eucariótico es más compleja. Cuando las células eucariotas no se están dividiendo, sus genes existen como una masa difusa, pero todavía empaquetada y compactada extensivamente de ADN y proteínas llamadas cromatina. El ADN está estrechamente empaquetado alrededor de proteínas de histonas cargadas a intervalos repetidos. Estos complejos ADN-histona, llamados colectivamente nucleosomas, están espaciados regularmente e incluyen 146 nucleótidos de ADN enrollados dos veces alrededor de las ocho histonas en un nucleosoma como hilo alrededor de un carrete.
Para que se produzca la síntesis de polinucleótidos, la maquinaria de transcripción necesita mover las histonas fuera del camino cada vez que se encuentra con un nucleosoma. Esto se logra mediante un dímero de proteína especial llamado FACT, que significa «facilita la transcripción de la cromatina».»FACT desmonta parcialmente el nucleosoma inmediatamente por delante (aguas arriba) de una ARN Polimerasa II de transcripción mediante la eliminación de dos de las ocho histonas (se elimina un solo dímero de histonas H2A y H2B). Esto presumiblemente afloja lo suficiente el ADN envuelto alrededor de ese nucleosoma para que la ARN Polimerasa II pueda transcribirse a través de él. FACT vuelve a ensamblar el nucleosoma detrás de la ARN Polimerasa II devolviendo las histonas faltantes a él. La ARN polimerasa II continuará alargando el ARN recién sintetizado hasta que termine la transcripción.
El dímero de proteína FACT permite a la ARN Polimerasa II transcribirse a través de ADN empaquetado: El ADN en eucariotas está empaquetado en nucleosomas, que consisten en un octómero de 4 proteínas histónicas diferentes. Cuando el ADN se enrolla dos veces alrededor de un nucleosoma, la ARN Polimerasa II no puede acceder a él para su transcripción. FACT elimina dos de las histonas del nucleosoma inmediatamente antes que la ARN Polimerasa, aflojando el empaque para que la ARN Polimerasa II pueda continuar con la transcripción. FACT también vuelve a ensamblar el nucleosoma inmediatamente detrás de la ARN polimerasa devolviendo las histonas faltantes.
Elongación
La ARN polimerasa II es un complejo de 12 subunidades proteicas. Las subunidades específicas dentro de la proteína permiten que la ARN Polimerasa II actúe como su propia helicasa, abrazadera deslizante, proteína de unión al ADN de cadena única, así como llevar a cabo otras funciones. En consecuencia, la ARN Polimerasa II no necesita tantas proteínas accesorias para catalizar la síntesis de nuevas hebras de ARN durante la elongación de transcripción como lo hace la ADN Polimerasa para catalizar la síntesis de nuevas hebras de ADN durante la elongación de replicación.
Sin embargo, la ARN Polimerasa II necesita una gran colección de proteínas accesorias para iniciar la transcripción en promotores de genes, pero una vez que el ADN de doble cadena en la región de inicio de la transcripción se ha desenrollado, la ARN Polimerasa II se ha posicionado en el nucleótido de iniciación +1, y ha comenzado a catalizar la nueva síntesis de cadenas de ARN, la ARN Polimerasa II despeja o «escapa» de la región promotora y deja atrás la mayoría de las proteínas de iniciación de la transcripción.
Todas las ARN polimerasas viajan a lo largo de la cadena de ADN de la plantilla en la dirección 3′ a 5′ y catalizan la síntesis de nuevas cadenas de ARN en la dirección 5′ a 3′, agregando nuevos nucleótidos al extremo 3′ de la cadena de ARN en crecimiento.
Las ARN polimerasas desenrollan el ADN de doble cadena delante de ellas y permiten que el ADN desenrollado detrás de ellas se rebobine. Como resultado, la síntesis de hebras de ARN se produce en una burbuja de transcripción de aproximadamente 25 pares base de ADN desenrollados. Solo unos 8 nucleótidos de ARN recién sintetizado permanecen emparejados con el ADN patrón. El resto de las moléculas de ARN se desprenden de la plantilla para permitir que el ADN detrás de ella se rebobine.
Las ARN polimerasas usan la cadena de ADN debajo de ellas como una plantilla para dirigir qué nucleótido agregar al extremo 3′ de la cadena de ARN en crecimiento en cada punto de la secuencia. La ARN polimerasa viaja a lo largo de la plantilla de ADN un nucleótido a la vez. Cualquier nucleótido de ARN que sea capaz de emparejarse con el nucleótido modelo por debajo de la ARN polimerasa es el siguiente nucleótido que se agregará. Una vez que se ha catalizado la adición de un nuevo nucleótido al extremo 3′ de la cadena en crecimiento, la ARN Polimerasa se mueve al siguiente nucleótido de ADN en la plantilla debajo de él. Este proceso continúa hasta que se produce la terminación de la transcripción.
Terminación
La terminación de la transcripción es diferente para las tres ARN polimerasas eucariotas diferentes.
Los genes del ARNr ribosómico transcritos por la ARN polimerasa I contienen una secuencia específica de pares base (11 pb de largo en humanos; 18 pb en ratones) que es reconocida por una proteína de terminación llamada TTF-1 (Factor de Terminación de Transcripción para ARN Polimerasa I.) Esta proteína se une al ADN en su secuencia de reconocimiento y bloquea la transcripción adicional, causando que la ARN Polimerasa I se desacople de la hebra de ADN plantilla y libere su ARN recién sintetizado.
Los genes codificadores de proteínas, ARN estructural y ARN regulador transcritos por ARN Polimerse II carecen de señales o secuencias específicas que dirijan a la ARN Polimerasa II a terminar en ubicaciones específicas. La ARN polimerasa II puede continuar transcribiendo ARN en cualquier lugar, desde unos pocos pa hasta miles de pa más allá del extremo real del gen. Sin embargo, la transcripción se escinde en un sitio interno antes de que la ARN polimerasa II termine de transcribirse. Esto libera la porción aguas arriba de la transcripción, que servirá como el ARN inicial antes del procesamiento posterior (el pre-ARNm en el caso de los genes codificadores de proteínas.) Este sitio de escisión se considera el «extremo» del gen. El resto de la transcripción es digerida por una 5′-exonucleasa (llamada Xrn2 en humanos) mientras todavía está siendo transcrita por la ARN Polimerasa II. Cuando la 5 ‘- exonuleasa «alcanza» a la ARN Polimerasa II al digerir todo el ARN saliente, ayuda a desenganchar la polimerasa de su hebra de plantilla de ADN, terminando finalmente esa ronda de transcripción.
En el caso de genes codificadores de proteínas, el sitio de escisión que determina el «final» del pre-ARNm emergente ocurre entre una secuencia AAUAAA aguas arriba y una secuencia rica en GU aguas abajo separada por unos 40-60 nucleótidos en el ARN emergente. Una vez que ambas secuencias han sido transcritas, una proteína llamada CPSF en humanos se une a la secuencia AAUAAA y una proteína llamada CstF en humanos se une a la secuencia rica en GU. Estas dos proteínas forman la base de un complejo proteico complicado que se forma en esta región antes de que la CPSF escinda el naciente pre-ARNm en un sitio 10-30 nucleótidos aguas abajo del sitio AAUAAA. La enzima Poli(A) polimerasa que cataliza la adición de una cola poli-A de 3′ en el pre-ARNm es parte del complejo que se forma con CPSF y CstF.
Terminación de transcripción por ARN Polimerasa II en un gen codificador de proteínas.: La ARN polimerasa II no tiene señales específicas que terminen su transcripción. En el caso de genes codificadores de proteínas, un complejo proteico se unirá a dos ubicaciones en el pre-ARNm en crecimiento una vez que la ARN Polimerasa se haya transcrito más allá del extremo del gen. CPSF en el complejo enlazará una secuencia AAUAAA, y CstF en el complejo enlazará una secuencia rica en GU (figura superior). CPSF en el complejo escindirá el pre-ARNm en un sitio entre las dos secuencias enlazadas, liberando el pre-ARNm (figura central). La poli (A) polimerasa es una parte del mismo complejo y comenzará a agregar una cola poli-A al pre-ARNm. Al mismo tiempo, la proteína Xrn2, que es una exonucleasa, ataca el extremo 5′ de la cadena de ARN todavía asociada con la ARN Polimerasa. Xrn2 comenzará a digerir la porción no liberada del ARN recién sintetizado hasta que Xrn2 alcance la ARN Polimerasa, donde ayuda a desplazar la ARN Polimerasa de la cadena de ADN plantilla. Esto termina la transcripción en algún lugar aleatorio aguas abajo del extremo verdadero del gen (figura inferior).
Los genes ARNt, ARNr 5S y ARN estructural transcritos por la ARN Polimerasa III tienen una señal de terminación no totalmente comprendida. Los ARN transcritos por ARN Polimerasa III tienen un tramo corto de cuatro a siete U en su extremo 3′. Esto de alguna manera desencadena la ARN Polimerasa III para liberar el ARN naciente y desconectarse de la cadena de ADN plantilla.