Transposones de clase I

Los transposones son elementos genéticos móviles. Es decir, son elementos genéticos que se pueden escindir del lugar del genoma en el que se encuentran y luego integrarse en otro lugar del mismo genoma. ¿Cómo lo hacen?, ¿Actúan como si tuviesen vida?. No. También aquí hay una maquinaria que reconoce dónde acaba y dónde empieza un transposón, lo separa y lo integra en otro lugar.

Diferenciamos dos tipos de transposones según al tipo de molécula que pertenece la secuencia transponible:

- Transposones de clase I: son los transposones de ADN.
- Transposones de clase II: son los transposones de ARN.

Explicaremos más detalladamente el proceso de escisión e integración de cada tipo

Transposones de clase I
Los transposones pueden contener un único gen o más de uno, pero tanto si hay uno sólo como si hay más, la proteína que han de codificar y no puede faltar es la transposasa. El resto son genes adicionales. La enzima transposasa, codificada por el transposón en sí, es la que lo escinde y lo integra.

La escisión puede ser no replicativa (1) o replicativa (2).

(1) La transposición no replicativa tiene lugar en transposones procariotas que contienen un único gen (transposones IS). En este tipo de transposición la transposasa reconoce los extremos porque son secuencias iguales pero invertidas, corta y lo libera. Con lo cual, el ADN de la célula queda roto. Es decir, es una transposición en la cual el huésped es el que ha de reparar el ADN que ha quedado dañado por rotura.

En la integración, la transposasa provoca una duplicación del ADN del huésped que rodea los extremos del transposón. Esto es debido a que, para integrar el transposón, la transposasa corta las cadenas de ADN a diferentes alturas.

Esto hace que el espacio que queda entre el transposón i el resto del ADN se deba volver a sintetizar copiando la cadena complementaria.

La secuencia terminal repetida directamente ("flanking direct repeats") se llama secuencia diana.


Debido a que el huésped (suponiendo que sea haploide) ha de poder reparar su ADN, por selección natural, se han seleccionado aquellos transposones que sólo saltan cuando la célula se está replicando. ¿Por qué? Porque en ese momento aunque salte un trozo de las dos cadenas está la otra copia -antes de la bipartición tenemos una célula con ADN duplicado- y así el huésped puede utilizar su maquinaria para copiar el trozo que falta evitando su muerte y por tanto la "muerte" del transposón.

La transposición no replicativa también tiene lugar en los transposones compuestos (Tn). Un transposón compuesto está formado por dos transposones IS que han saltado juntos unidos entre sí por un trozo del genoma del huésped debido a un error de la transposasa. Aquí, la transposasa deja una copia del transposón en su sitio con lo cual el huésped no ha de reparar después de un salto. Por tanto, tanto la célula madre como la célula hija acabarán teniendo el transposón.

Los transposones compuestos son importantes por la región de ADN huésped que contienen. Ya que, en esta región del genoma del huésped que se escinde, puede haber un gen de resistencia a un antibiótico y, si este transposón va a parar a un plásmido y es transmitido a otras bacterias se inicia así la aparición de una cepa resistente.


(2) La transposición replicativa tiene lugar en los transposones simples. Los transposones simples son transposones que codifican para dos enzimas: la transposasa y la resolvasa. Además, suelen llevarse consigo ADN del huésped también.

En la transposición replicativa, la transposasa reconoce las secuencias repetidas e invertidas del transposón y hace un corte en una cadena y un corte en la otra. No separa el transposón haciendo dobles cortes. La transposasa utilizando los extremos libres no separados del ADN del huésped, traslada todo a la zona receptora (otra parte del ADN del huésped o un plásmido), corta y liga allí los extremos del transposón que estaban sueltos. 

Como la maquinaria del huésped detecta que hay un espacio con cadena simple en vez de doble, envía a la DNA polimerasa a sintetizar el ADN que falta copiando así de nuevo el transposón. Después de la actuación de la DNA polimerasa se forma una estructura llamada cointegrado formada por la fusión de diferentes partes del ADN del huésped (supongamos que entre el cromosoma de una bacteria y su plásmido). El cointegrado es resuelto por la resolvasa. Enzima que, digamos, reestablece el orden.

Así pues, por la acción de los transposones, el genoma del huésped va incrementando. Cada vez que los genes de un transposón se expresan se aumenta la cantidad de ADN. Como ya hemos dicho, los transposones más eficientes biológicamente son aquellos transposones menos eficientes bioquímicamente hablando. Aquellos que se expresan poco y cuando lo hacen la transposasa sólo se activa cuando la célula está replicando. 

Esto es un claro caso de coevolución huésped-parásito, ya que los transposones son "peligrosos" tanto por no reparación del genoma en ser escindidos como la inserción en un lugar vital que no debe ser separado.

¿Qué lugar puede ser vital en un genoma?

Si un transposón se inserta "en medio" -se rompe la pauta de lectura- de un gen vital y esta inserción implica un cese en la expresión, por ausencia de las proteínas para las que codificaba, la célula morirá. Con lo cual es vital que ese lugar se mantenga intacto.

En otras ocasiones, la inserción se da en un lugar no vital. Y, por ello, como en este ejemplo, tenemos diferentes fenotipos -"morfologías"- viables según si la expresión del gen ha sido total o parcialmente mermada.

A pesar de no afectar a la viabilidad de las células, un individuo con inserciones en genes nunca podrá ser igual que un individuo sin ellas.

La potencial fragilidad de ser haploide es uno de los motivos por los cuales está seleccionado a favor ser diploide (tener dos o más conjuntos de cromosomas. Genes por duplicado. El de la madre y el del padre) ya que si un transposón o una mutación afecta a un gen que se encuentra en un cromosoma, aún tenemos el otro para compensar.

http://www.youtube.com/watch?v=_Ol492CLkdY

Expresión génica: producción de proteínas

Introducción: Formas de clasificar a los organismos.

Cuando mi generación se encontraba en el bachillerato nos explicaban que la diversidad terrestre se clasificaba en cinco reinos: moneras, protistas, hongos, plantas y animales. Esta es la clasificación que hizo Whittaker y era la que más peso tenía en aquella época.

Sin embargo, ahora, la clasificación que más apoyo tiene es la clasificación en tres dominios de Carl Woese.  Este sistema de tres dominios se puede explicar como una escisión de las moneras (bacterias) en dos grandes dominios: Bacteria y Archaea y una inclusión del resto de reinos - protistas, hongos, plantas y animales- en el tercer y último dominio: Eucarya.

¿Por qué ahora tiene más peso la segunda clasificación? Se ha visto que entre los microorganismos que se agrupaban dentro de "bacterias" o "moneras" había claramente dos grupos cuyas diferencias estructurales sólo se pueden explicar viéndolos como grupos evolutivamente separados.

Así pues, tenemos tres ramas: dos procariotas y una eucariota.

¿Cuáles son las diferencias más significativas entre procariotas y eucariotas?

- Los eucariotas tienen un núcleo celular que alberga todo el ADN de la célula, en cambio los procariotas carecen de esta estructura. Por ello, el material genético en procariotas se encuentra suelto en el citoplasma.
- Los eucariotas tienen más de un cromosoma formado por ADN de doble cadena, lineal y compactado. Los procariotas sólo tienen un cromosoma que normalmente es un ADN de doble cadena y circular. Menos compactado.
- Los eucariotas tienen orgánulos y los procariotas no.
- Los eucariotas tienen muchos orígenes de replicación y los procariotas en cambio, sólo tienen uno.
- Los genes en eucariotas se encuentran "cortados", fragmentados, y se requiere un proceso de eliminación de las partes "sin información" (intrones) y de unión de las que sí la contienen (exones). En cambio, en procariotas los genes se encuentran en su molécula de ADN enteros.


Centrémonos en el fenómeno de la producción de proteínas.

En una molécula de ADN de un organismo eucariota, un cromosoma eucariota, tenemos muchísimos genes. Cada uno de esos genes no se diferencia del resto del ADN por su morfología, sino que la maquinaria de la célula sabe que tiene que leer ciertas zonas gracias a que delante de un gen siempre hay una secuencia concreta denominada promotor.

Es decir, todo se basa en la lectura y la síntesis de cadenas complementarias. Lo que indica a la maquinaria que debe empezar a leer y luego a sintetizar es, simplificándolo mucho, el promotor. ¿Cómo es esto?. Bien. Como ya dijimos en una entrada anterior, las dos cadenas de ADN son complementarias entre sí. La complementariedad se halla en las bases nitrogenadas.

Una Adenina "va" con una Timina y una Guanina con una Citosina. Esto en el ADN. Para sintetizar proteínas se requieren dos pasos: la transcripción y la traducción.

La maquinaria de la célula cuando "encuentra" un promotor digamos que se activa y comienza a sintetizar una cadena complementaria a un trozo de todo el ADN que contiene esa célula. Sólo hará un trozo porque el ADN contiene las señales necesarias que le indicarán a la maquinaria no sólo dónde "empezar a copiar en otro lenguaje", sino cuándo parar.

Se podría pensar que a partir de la lectura de ese gen que acabamos de describir lo que se sintetiza es una proteína... Pero no.

No se puede formar una proteína a partir de ADN sin un paso intermedio. A partir de ADN se forma una molécula de ARN.

Por tanto, la producción de una proteína consta de dos pasos: transcripción y traducción.

- La transcripción es la formación de ARN a partir de ADN. La maquinaria, al leer el gen, sintetiza una molécula de ARN complementaria a la secuencia que ha leído.

- La traducción es la formación de una proteína a partir del ARN "maduro". ARN sin intrones en eucariotas.

Por tanto: ADN -> ARN -> Proteínas

Cabe destacar que algunos ARN tienen función propia y no son traducidos a proteínas*.

ARN y ADN son muy similares estructural y bioquímicamente. La diferencia estriba en que el ARN está formado por una única hebra, una única cadena, mientras que, en su estado más natural, el ADN es una doble hélice (una espiral). De manera adicional, el ARN es relativamente inestable en comparación con el ADN, degradándose más rápidamente.

Así que, aunque el ARN puede haber funcionado como la primera molécula de almacenamiento de información, hubo una presión evolutiva que condujo al desarrollo de una molécula de almacenaje más estable: el ADN.

A pesar de esta presión evolutiva, la molécula de ARN no desapareció.

*La molécula de ARN sigue siendo necesaria para la formación de proteínas y es importante en algunas ocasiones como molécula en sí. Véase ARNt, ARNr...


Como ya dijimos, las únicas diferencias entre ARN y ADN son el tipo de azúcar que forma el esqueleto azúcar fosfato y una base nitrogenada: el ARN nunca contendrá Timina. La base complementaria a la Adenina en el ARN es el Uracilo.

Volvamos a la producción de proteínas.

El proceso es diferente dependiendo del tipo de célula. Si es procariota o eucariota. 

Explicaremos el proceso que tiene lugar en procariotas ya que todavía no hemos explicado de forma adecuada lo que son los intrones y los exones.

1) TRANSCRIPCIÓN
La enzima que necesitamos para llevar a cabo la transcripción en procariotas es la RNA polimerasa III. La RNA polimerasa para poder empezar a transcribir necesita tener una cadena molde de ADN, un promotor y nucleótidos.

La transcripción se separa en tres etapas: Iniciación, elongación y terminación.

1.a) Iniciación

Tiene lugar el reconocimiento del promotor y la unión al ADN por parte de la RNA polimerasa junto con otros factores. El promotor es reconocido por tener una secuencia de bases nitrogenadas concretas (una combinación de bases concreta. La secuencia más frecuente es TTGGACA).

En este punto, tenemos una RNA polimerasa unida a una doble cadena de ADN; La RNA polimerasa es "liberada" y comienza a leer. Cuando la RNA polimerasa lee otra secuencia en el ADN, ésta inicia su apertura o separación, quedando unida a una cadena de ADN simple, desenrollada, que contiene -más adelante- la información necesaria para formar una proteína. Más adelante, nuestra RNA polimerasa encontrará otra secuencia que le indicará que debe iniciar la transcripción. La síntesis de una molécula utilizando nucleótidos de ARN y copiando la secuencia que se le expone en el ADN. Es decir, hará una copia de un trozo de la cadena de ADN a la que está unida en ARN.

La etapa de la iniciación sólo abarca hasta que la RNA polimerasa sintetiza 9 nucleótidos. Más allá nos encontraríamos en la siguiente etapa.

¿Por qué nueve nucleótidos? Porque hasta que la molécula de ARN en proceso de síntesis no alcanza esta longitud es probable que tengan lugar iniciaciones abortivas. Abortos. La RNA polimerasa no consigue sintetizar más porque se desengancha o "cae".

1. b) Elongación

Formación del resto de la cadena de ARN

1. c) Terminación

El gen -en realidad es una unidad transcripcional en este caso pero no complicaremos más las cosas- contiene a su término unas secuencias seguidas llamadas terminadores. Cuando los terminadores son transcritos por la RNA polimerasa, llega un momento en que por homología de secuencia (atracciones eléctricas podríamos denominarlo) la cadena de ARN sintetizada se pliega en esa zona adquiriendo en la parte final una estructura secundaria que desemboca en la terminación de la transcripción. Ya sea de forma intrínseca (el cambio de forma desestabiliza a la RNA polimerasa) o rho dependiente (el cambio de forma hace que la RNA polimerasa transcriba de forma más lenta y por ello sea alcanzada por una proteína denominada rho cuya actividad separa la RNA polimerasa del ADN).

http://www.youtube.com/watch?v=SMtWvDbfHLo

Transcripción en eucariotas explicada de forma sencilla: http://www.youtube.com/watch?v=CWLgALHiIvI

En resumen, la RNA polimerasa detecta cual de las dos hebras es la que tiene la información y dónde empieza y acaba el gen obteniendo como resultado un ARN con función propia o un ARN que será luego traducido (ARN mensajero).

2) TRADUCCIÓN
Los ribosomas, unos complejos -orgánulos no membranosos- formados por ARN y proteínas, son los encargados de leer el ARN mensajero. En procariotas están compuestos por una subunidad grande denominada subunidad 50S y una subunidad pequeña denominada subunidad 30S.

La forma de lectura en este caso es por tripletes (codones). Es decir, tres combinaciones de bases nitrogenadas concretas corresponden para el ribosoma a un aminoácido concreto. La unión de muchos aminoácidos conformará nuestra proteína.

Según el triplete que haya en el ARNm el ribosoma colocará un aminoácido u otro. Según la combinación de aminoácidos que tengamos obtendremos una proteína u otra. Existen 64 combinaciones posibles de tripletes (hay 4 bases diferentes y se leen de tres en tres. Por tanto 4³ combinaciones). A estas 64 combinaciones posibles es a lo que se llama código genético.

En el citoplasma, las subunidades que forman parte de un ribosoma activo se hallan separadas. Sólo encontraremos las dos subunidades juntas cuando un ARNm va a ser traducido. En el citoplasma encontraremos también los aminoácidos, necesarios para construir una proteína. Pero estos monómeros no están solos, están asociados a otro tipo de ARN: el ARN de transferencia.

El ARN de transferencia es un tipo de ARN con función propia y con estructura tridimensional. Se dice, que tiene "cuatro brazos". Uno de ellos está asociado a un aminoácido y el opuesto tiene un triplete complementario a uno de los tripletes representados en el código genético. Así pues, por ejemplo un ARN de transferencia asociado al aminoácido fenilalanina (Phe) tiene en el brazo opuesto (anticodon) el triplete AAA.

Con lo cual, cuando el ribosoma lee el ARNm al pasar éste entre las dos subunidades no es que asocie tripletes a aminoácidos, simplemente, como un niño, prueba qué piezas pueden encajar en ese agujero. Y por complementariedad, al igual que lo que hacía la DNA polimerasa y la RNA polimerasa, el ribosoma acaba incorporándo el aminoácido correcto en la posición correcta.

Máquinas.

Maquinaria celular.

http://www.youtube.com/watch?v=FNqmh4PoMPQ

Apunte: una cadena polipeptídica viene a ser "equivalente" a proteína.