Transcripción bacteriana

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La transcripción bacteriana es el proceso en el cual un segmento de ADN bacteriano se copia en una cadena recién sintetizada de ARN mensajero (ARNm) con el uso de la enzima ARN polimerasa .

El proceso ocurre en tres pasos principales: iniciación, elongación y terminación; y el resultado es una cadena de ARNm que es complementaria a una sola cadena de ADN. Generalmente, la región transcrita representa más de un gen. ^[1] De hecho, muchos genes procariotas ocurren en operones , que son una serie de genes que trabajan juntos para codificar la misma proteína o producto génico y están controlados por un solo promotor . ^[2] La ARN polimerasa bacteriana está formada por cuatro subunidades y cuando se une una quinta subunidad, llamada factor sigma (factor σ), la polimerasa puede reconocer secuencias de unión específicas en el ADN, llamadas promotores . ^[3] La unión del factor σ al promotor es el primer paso en la iniciación. Una vez que el factor σ se libera de la polimerasa, continúa la elongación. ^[4] La polimerasa continúa por el ADN bicatenario, desenrollándolo y sintetizando la nueva cadena de ARNm hasta que llega a un sitio de terminación. Hay dos mecanismos de terminación que se analizan con más detalle a continuación. La terminación es necesaria en sitios específicos para que se produzca la expresión genética adecuada. ^[5] La expresión genética determina la cantidad de producto génico, como la proteína, que produce el gen. ^[2] La transcripción la lleva a cabo la ARN polimerasa , pero su especificidad está controlada por proteínas de unión al ADN específicas de la secuencia llamadas factores de transcripción . Los factores de transcripción funcionan para reconocer secuencias de ADN específicas y, en función de las necesidades de las células, promueven o inhiben la transcripción adicional. ^[6] De manera similar a otros taxones , las bacterias experimentan ráfagas de transcripción . ^{[7] : 125  [8] [9] [10] [11] [12] [13]} El trabajo del equipo de Jones en Jones et al. 2014 explica algunas de las causas subyacentes de las ráfagas y otra variabilidad, incluida la estabilidad del ARNm resultante, ^{[7] : 125} la fuerza de la promoción codificada en el promotor relevante ^[9] y la duración de la transcripción debido a la fuerza del sitio de unión del TF. ^{[9] [10] [11] [12] [13]} También encontraron que los TF bacterianos permanecen demasiado brevemente como para que las características de unión de los TF expliquen la transcripción sostenida de ráfagas. ^[8]

La transcripción bacteriana difiere de la transcripción eucariota en varios aspectos. En las bacterias, la transcripción y la traducción pueden ocurrir simultáneamente en el citoplasma de la célula, mientras que en los eucariotas la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma. ^[14] Solo existe un tipo de ARN polimerasa bacteriana, mientras que los eucariotas tienen tres tipos. ^[2] Las bacterias tienen un factor σ que detecta y se une a los sitios promotores, pero los eucariotas no necesitan un factor σ. En cambio, los eucariotas tienen factores de transcripción que permiten el reconocimiento y la unión de los sitios promotores. ^[2]

En general, la transcripción en las bacterias es un proceso altamente regulado que se controla mediante la integración de muchas señales en un momento dado. Las bacterias dependen en gran medida de la transcripción y la traducción para generar proteínas que las ayuden a responder específicamente a su entorno. ^[4]

La ARN polimerasa se compone de una estructura central y una holoenzima. La enzima central contiene las propiedades catalíticas de la ARN polimerasa y está formada por subunidades ββ′α2ω. Esta secuencia se conserva en todas las especies bacterianas. La holoenzima se compone de un componente específico conocido como factor sigma (factor σ). El factor sigma funciona ayudando al reconocimiento del promotor, la colocación correcta de la ARN polimerasa y el inicio del desenrollado en el sitio de inicio. Una vez que el factor sigma realiza su función requerida, se disocia, mientras que la porción catalítica permanece en el ADN y continúa la transcripción. ^[4] Además, la ARN polimerasa contiene un ion Mg+ central que ayuda a la enzima con sus propiedades catalíticas. La ARN polimerasa funciona catalizando el ataque nucleofílico del 3' OH del ARN al fosfato alfa de una molécula NTP complementaria para crear una cadena creciente de ARN a partir de la cadena molde de ADN. Además, la ARN polimerasa también muestra actividades de exonucleasa, lo que significa que si se detecta un apareamiento de bases inadecuado, puede cortar las bases incorrectas y reemplazarlas por las adecuadas y correctas. ^[15]

La iniciación de la transcripción requiere regiones promotoras, que son secuencias de consenso de nucleótidos específicos que le indican al factor σ de la ARN polimerasa dónde unirse al ADN. ^[1] Los promotores suelen estar ubicados a una distancia de 15 a 19 bases y se encuentran más comúnmente aguas arriba de los genes que controlan. ^{[2] [1]} La ARN polimerasa está formada por 4 subunidades, que incluyen dos alfas, una beta y una beta prima (α, α, β y β'). Una quinta subunidad, sigma (llamada factor σ), solo está presente durante la iniciación y se desprende antes de la elongación. Cada subunidad desempeña un papel en la iniciación de la transcripción, y el factor σ debe estar presente para que se produzca la iniciación. Cuando todo el factor σ está presente, la ARN polimerasa está en su forma activa y se denomina holoenzima. Cuando el factor σ se desprende, está en forma de polimerasa central. ^{[4] [1]} El factor σ reconoce las secuencias promotoras en las regiones -35 y -10 y la transcripción comienza en el sitio de inicio (+1). La secuencia de la región -10 es TATAAT y la secuencia de la región -35 es TTGACA. ^[1]

• El factor σ se une a la región promotora -35. En este punto, la holoenzima se denomina complejo cerrado porque el ADN sigue siendo bicatenario (conectado por enlaces de hidrógeno). ^[4]
• Una vez que el factor σ se une, las subunidades restantes de la polimerasa se adhieren al sitio. La alta concentración de enlaces adenina-timina en la región -10 facilita el desenrollado del ADN. En este punto, la holoenzima se denomina complejo abierto . ^[16] Este complejo abierto también se denomina burbuja de transcripción . ^[14] Solo se transcribe una hebra de ADN, llamada hebra molde (también llamada hebra no codificante o hebra sin sentido/antisentido). ^[2]
• Comienza la transcripción y se producen secuencias cortas de nucleótidos " abortadas " de aproximadamente 10 pares de bases de longitud. Estas secuencias cortas son fragmentos no funcionales de ARN que se producen y luego se liberan. ^[1] Generalmente, esta secuencia de nucleótidos consta de unos doce pares de bases y contribuye a la estabilidad de la ARN polimerasa para que pueda continuar a lo largo de la cadena de ADN. ^[15]
• El factor σ es necesario para iniciar la transcripción, pero no para continuar transcribiendo el ADN. El factor σ se disocia de la enzima central y se produce la elongación. Esto señala el final de la fase de iniciación y la holoenzima se encuentra ahora en forma de polimerasa central. ^[4]

La región promotora es un regulador fundamental de la transcripción. Las regiones promotoras regulan la transcripción de todos los genes dentro de las bacterias. Como resultado de su participación, la secuencia de pares de bases dentro de la región promotora es significativa; cuanto más similar sea la región promotora a la secuencia consenso, más estrechamente podrá unirse la ARN polimerasa. Esta unión contribuye a la estabilidad de la etapa de elongación de la transcripción y, en general, da como resultado un funcionamiento más eficiente. Además, la ARN polimerasa y los factores σ tienen un suministro limitado dentro de cualquier célula bacteriana dada. En consecuencia, la unión del factor σ al promotor se ve afectada por estas limitaciones. Todas las regiones promotoras contienen secuencias que se consideran no consenso y esto ayuda a distribuir los factores σ en la totalidad del genoma. ^[17]

Durante la elongación, la ARN polimerasa se desliza por el ADN bicatenario, desenrollándolo y transcribiendo (copiando) su secuencia de nucleótidos en ARN recién sintetizado. El movimiento del complejo ARN-ADN es esencial para el mecanismo catalítico de la ARN polimerasa. Además, la ARN polimerasa aumenta la estabilidad general de este proceso al actuar como un enlace entre las cadenas de ARN y ADN. ^[18] Los nuevos nucleótidos que son complementarios a la cadena molde de ADN se agregan al extremo 3' de la cadena de ARN. ^[4] La cadena de ARN recién formada es prácticamente idéntica a la cadena codificante de ADN (cadena sentido o cadena no molde), excepto que tiene timina que sustituye al uracilo y una cadena principal de azúcar ribosa en lugar de una cadena principal de azúcar desoxirribosa. Debido a que los trifosfatos de nucleósidos (NTP) necesitan unirse a la molécula de OH- en el extremo 3' del ARN, la transcripción siempre ocurre en la dirección 5' a 3' . Los cuatro NTP son adenosina-5'-trifosfato ( ATP ), guanósido-5'-trifosfato ( GTP ), uridina-5'-trifosfato ( UTP ) y citidina-5'-trifosfato ( CTP ). ^[16] La unión de los NTP al extremo 3' de la transcripción de ARN proporciona la energía necesaria para esta síntesis. ^[2] Los NTP también son moléculas productoras de energía que proporcionan el combustible que impulsa las reacciones químicas en la célula. ^[4]

Varias ARN polimerasas pueden estar activas a la vez, lo que significa que se pueden producir muchas cadenas de ARNm muy rápidamente. ^[2] La ARN polimerasa se mueve rápidamente por el ADN a aproximadamente 40 bases por segundo. Debido a la naturaleza rápida de este proceso, el ADN se desenrolla continuamente antes de la ARN polimerasa y luego se rebobina una vez que la ARN polimerasa avanza más. ^{[18] [1]} La polimerasa tiene un mecanismo de corrección que limita los errores a aproximadamente 1 en 10,000 nucleótidos transcritos. ^[19] La ARN polimerasa tiene menor fidelidad (precisión) y velocidad que la ADN polimerasa . ^[2] La ADN polimerasa tiene un mecanismo de corrección muy diferente que incluye la actividad de exonucleasa , que contribuye a la mayor fidelidad. La consecuencia de un error durante la síntesis de ARN suele ser inofensiva, mientras que un error en la síntesis de ADN podría ser perjudicial. ^[2]

La secuencia promotora determina la frecuencia de transcripción de su gen correspondiente. ^[1]

Para que se produzca una expresión génica adecuada, la transcripción debe detenerse en sitios específicos. Se conocen bien dos mecanismos de terminación:

• Terminación intrínseca (también llamada terminación independiente de Rho ): secuencias de nucleótidos de ADN específicas indican a la ARN polimerasa que se detenga. La secuencia es comúnmente una secuencia palindrómica que hace que la hebra forme un bucle que detiene la ARN polimerasa. ^[16] Generalmente, este tipo de terminación sigue el mismo procedimiento estándar. Se producirá una pausa debido a una secuencia de poliuridina que permite la formación de un bucle de horquilla . Este bucle de horquilla ayudará a formar un complejo atrapado, que finalmente provocará la disociación de la ARN polimerasa de la hebra de ADN molde y detendrá la transcripción. ^[15]
• Terminación dependiente de Rho: el factor ρ (factor rho) es una proteína terminadora que se adhiere a la cadena de ARN y sigue detrás de la polimerasa durante la elongación. ^[5] Una vez que la polimerasa se acerca al final del gen que está transcribiendo, encuentra una serie de nucleótidos G que hacen que se detenga. ^[1] Este estancamiento permite que el factor rho alcance a la ARN polimerasa. La proteína rho luego extrae la transcripción de ARN de la plantilla de ADN y el ARNm recién sintetizado se libera, terminando la transcripción. ^{[5] [1]} El factor Rho es un complejo proteico que también muestra actividades de helicasa (es capaz de desenrollar las cadenas de ácido nucleico). Se unirá al ADN en regiones ricas en citosina y cuando la ARN polimerasa lo encuentre, se formará un complejo atrapado que provocará la disociación de todas las moléculas involucradas y finalizará la transcripción. ^[15]

La terminación de la transcripción del ADN en las bacterias puede detenerse mediante ciertos mecanismos en los que la ARN polimerasa ignorará la secuencia terminadora hasta que se alcance la siguiente. Este fenómeno se conoce como antiterminación y lo utilizan ciertos bacteriófagos . ^[20]

• Transcripción bacteriana – animación
• Animación en vídeo que resume el proceso.