Tema 22 - Replicación y transcripción del DNA
(Biosíntesis de ácidos nucleicos)

Flujo de información génica. Características generales de la replicación: etapas y enzimas implicadas.
Proceso de transcripción. RNA polimerasas. Modificaciones postranscripcionales.

Flujo de la información genética

La información está en la secuencia.

Flujo de información: DNA RNA proteína ("dogma central de la genética molecular")

Fig. 14.1

Replicación

Reacción global de síntesis de DNA: sustratos, productos, enzima, cofactores, molde, cebador.

Mecanismo de la reacción. (Web 11.3)

Enzima: polimerasa de DNA (DNApol). Todas las polimerasas (de DNA, de RNA) añaden nucleótidos al extremo 3’ de la cadena.

Sentido de elongación de la cadena: de 5' hacia 3'; crecimiento siempre por el extremo 3'.

Conceptos de molde y cebador.

• Las DNApol no inician, las RNApol sí.
• Ninguna polimerasa trabaja sin molde.

Esquemas animados en Biomodel.

Cada molécula hija tiene una hebra original y otra nueva (replicación semiconservadora)

Orígenes de replicación: uno en procariotas, muchos en eucariotas.
Proteínas iniciadoras: reconocen secuencias y abren la doble hélice. (Web 11.6)

Conceptos de burbuja y horquilla de replicación. (Web 11.2)

Replicación avanza en los dos sentidos y se replican las dos hebras.

El problema de replicar ambas hebras antiparalelas no habiendo polimerasa que sintetice de 3’ a 5’. Replicación semidiscontinua, una hebra en “fragmentos de Okazaki”.
      Vídeo de explicación (3min 44s)

Hebra adelantada (líder) y hebra retardada (retrasada) (Web 11.8)

Otras proteínas necesarias para la replicación: Tabla 17.02 Fig. 17.08 Fig. 17.10

• Proteínas iniciadoras, complejo de reconocimiento del origen
  • reconocen las secuencias de los orígenes, se unen al DNA, lo abren.
• Helicasa

  separa las dos hebras y va avanzando (avance de la horquilla). Consume ATP. Hexamérica, en forma de anillo imagen y vídeo (basta con los primeros 10 segundos)

• Proteínas ligantes de DNA monocatenario
  • estabilizan evitando el reemparejamiento
  • (SSB en bacterias, RPA en eucariotas)
• Topoisomerasas
  • liberan tensión de superenrollamiento (vídeos)
  • (girasa en bacterias)
• Primasa
  • sintetiza los cebadores (oligorribonucleótidos, RNA)
• Ligasa
  • une extremos adyacentes de la hebra nueva (fragmentos)

Las DNApol tienen varias actividades enzimáticas

• actividad polimerasa: siempre de 5’ a 3’
  • todas; elongación
  • usan los 5’-NTP, unen al OH 3’
• actividad 3’-exonucleasa
  • degrada de 3’ hacia 5’ :: separa el último nucleótido
  • las principales en la elongación (pol I, pol III, pol δ)
  • función importante: corregir errores inmediatamente
  • actividad "correctora de pruebas" Fig. 17.12
• actividad 5’-exonucleasa
  • degrada de 5’ hacia 3’ :: separa el primer nucleótido
  • sólo pol I – función especial: eliminar cebadores Fig. 17.13
  • en bacterias: DNApol I
    en eucariotas: proteínas independientes de la polimerasa (nucleasas)

DNApol I: 3 actividades enzimáticas en una sola proteína.
En polimerasas eucarióticas nunca 3, sólo 2 actividades. (Web 11.4)

DNA ligasa Fig. 17.14

• Cierra o sella las "mellas" (forma el enlace covalente fosfodiéster que falta)
• Une los fragmentos de Okazaki.
• Une los tramos replicados a partir de cada origen de replicación.

Terminación de la replicación:

• Procariotas: dos moléculas circulares Fig. 17.4
  • Algunas proteínas se unen a secuencias terminadoras y detienen a las DNApol.
  • Topoisomerasas ayudan a separar las dos moléculas bicatenarias.
• Eucariotas: dos moléculas lineales
  • No se puede llegar hasta el extremo (telómeros). (Web 11.11)
  • Secuencias repetitivas, siempre la misma: “secuencias teloméricas”: TTAGGG
    
    5’···TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG 3’
         ||||||||||||||||||
    3’···AATCCCAATCCCAATCCC 5’
  • Telomerasa: una ribozima Fig. 17.15
    • parte proteica (hTR)
    • parte RNA (hTRT) con secuencia CCCUAA que hace de molde. (Web 11.12)
  • La longitud de los telómeros determina el número de veces que se puede dividir la célula.
  • La actividad telomerasa determina la longitud de los telómeros.
  • Relación con envejecimiento y con cáncer.

Transcripción

Repaso previo: estructura de los distintos tipos de RNA p.97-99. p.579-584. Biomodel-1

Reacción global de síntesis de RNA: sustratos, productos, enzima, cofactores, molde.

Mecanismo de la reacción. (Web 17.2)

Enzima: polimerasa de RNA (RNApol). Todas las polimerasas (de DNA, de RNA) añaden nucleótidos al extremo 3’ de la cadena.

Sentido de elongación de la cadena: de 5' hacia 3'; crecimiento siempre por el extremo 3'. Fig. 17-6

• Las RNApol inician sin cebador
• El molde es DNA.

Esquemas animados en Biomodel.

La molécula de RNA tiene una sola hebra, nueva.

Inicio de transcripción: uno para cada gen.
Factores de transcripción: proteínas que reconocen secuencias promotoras, abren la doble hélice, colocan a la polimerasa.

Burbuja y horquilla de transcripción. (Web 17.5 y 17.6)

Transcripción avanza en un solo sentido y se transcribe sólo un segmento de una de las dos hebras del DNA. Comienza en circunstancias definidas para cada gen. Fig. 18-1

Concepto de gen: región del DNA necesaria para sintetizar un “producto génico” (proteína o RNA)

• Producto génico: la molécula funcional codificada en un gen, que es producto de su expresión.
• Proteínas
  • necesitan transcripción y traducción; además maduraciones postranscripcional y postraduccional
  • tienen estructura 3D característica y función
• RNA
  • necesitan transcripción y además maduración postranscripcional
  • tienen estructura 3D característica y función
  • ribosómico (rRNA)
  • transferente (tRNA)
  • nucleares pequeños (snRNA)
  • citoplásmicos pequeños (scRNA)
  • microRNA (miRNA), RNA interferentes (siRNA, iRNA)
  • RNA pequeños reguladores (ribointerruptores)

Las RNA polimerasas:

• Inician, sin cebador, con molde DNA. Sin actividad correctora.
• Son proteínas grandes, con varias subunidades.
• Procariotas: una sola, transcribe todos los genes.
• Eucariotas: especializadas para cada tipo de gen: Tabla 18-1
  • RNApol I: gen grande de rRNA y genes de algunos RNA pequeños
  • RNApol II: genes de proteínas y genes de algunos RNA pequeños
  • RNApol III: gen pequeño de rRNA, genes de tRNA y otros RNA pequeños

     

Regiones componentes de un gen Fig. 18-2

• Regiones promotoras
  • Definen el punto de inicio de la transcripción de un gen.
  • Marcan la eficacia con la que se transcribirá cada gen.
  • Con secuencias características.
    • procarióticos: en −10 (“caja TATA” bacteriana) y “caja” en −35
    • promotor basal eucariótico: “caja TATA” eucariótica en −25
    • y otros promotores
  • A ellas se unen proteínas (factores de transcripción) que colocan a la RNApol, abren la hélice y estimulan la acción de la pol (o la frenan).
• Regiones codificantes
  • se transcriben y de su secuencia depende la del producto génico
• Regiones no codificantes
  • algunas se transcriben, pero no aportarán información para el producto génico final
• Regiones de terminación
• Numeración:
  • +1 el primer nt transcrito
  • −1 el anterior
  • <0 “secuencia arriba”, sentido 5’, región no transcrita
  • >0 “secuencia abajo”, sentido 3’, región transcrita

El proceso de transcripción en procariotas y eucariotas. Fig. 18-3 y 18-5

• “Burbuja” de transcripción; 1 horquilla que avanza
• Renaturalización del DNA
• Iniciación, elongación, terminación
• Procariotas: subunidad σ permite a la pol colocarse en el origen (promotor basal)
• Eucariotas:
  • Muchos más factores de transcripción, regulación más compleja
  • Los FT se unen:
    • a secuencias promotoras (basal y otras)
    • a otros FT
    • a la RNApol
  • Tras el inicio muchos se separan de la polimerasa (para la elongación)

Modificaciones postranscripcionales

o "maduración" de los RNA

Maduración del RNA procariótico

• Los mRNA son funcionales
  • se usan para la traducción tan pronto como se han transcrito (o al tiempo)
  • Un mRNA transcrito puede codificar varias proteínas: Fig. 18-6b
    • RNA policistrónico
    • Los genes forman un operón (bajo un solo control de la transcripción
• Los tRNA y rRNA sufren algunas modificaciones:
  • división en varias moléculas, eliminación de fragmentos, adición de algún nt a los extremos, adición de sustituyentes a algunas bases (p.ej. metilación)

Maduración del RNA eucariótico

• Todos los RNA “transcritos primarios” son formas precursoras, no son funcionales hasta que no “maduren”
• Los pre-tRNA y pre-rRNA deben madurar en el núcleo
  • modificaciones similares a las de procariotas
• Los pre-mRNA no salen del núcleo hasta que no se completa su maduración Fig. 18-6a
  • Adición al extremo 5’: “caperuza” Fig. 18-7a
    • caperuza de guanosina ; 7-metil-guanosina-5’-Ⓟ-Ⓟ-Ⓟ-5’-···
  • Corte en el extremo 3’ y elongación con poli(A): “cola” Fig. 18-7
    • Antes de añadir la cola se corta el transcrito primario en una secuencia característica y se pierde su segmento 3’-terminal
    • cola de poliadenilato ; ···3’-Ⓟ-5’-adenosina-3’-Ⓟ-5’-adenosina-3’-Ⓟ-5’-adenosina-3’-Ⓟ-5’-adenosina-···
    • La cola poli(A) es característica de los mRNA eucarióticos; aplicación para purificarlos por afinidad
  • Eliminación de segmentos internos: corte de intrones y empalme de los exones == “ayuste” Fig. 18-8 (animación en Biomodel) (Web 19.1)
    • catalizado por snRNP; forman el ayustosoma, que es una ribozima
    • snRNP = ribonucleoproteínas nucleares pequeñas = un snRNA + varias proteínas
  • Algunas consecuencias de los intrones:
    • Casi todos los genes tienen intrones; en promedio: 7-8 intrones en un gen humano; 363 intrones en el gen de la titina humana (281 kb)
    • Los intrones suelen ser la parte mayoritaria del gen; ej.: gen de dihidrofolato reductasa de mamíferos, 6 exones que suman 2 kb y 5 intrones que suman 29 kb
    • exón promedio: 150 nt; intrón promedio: 3000 nt
    • Gran diferencia entre el tamaño de un gen y el tamaño de su mRNA
    • La presencia de intrones permite que un gen pueda codificar proteínas alternativas; se estima que hay ayuste alternativo en 60% de los genes humanos.

-(fin)-