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Transcripción en procariotas
 

El mecanismo transcripcional es muy similar en organismos pertenecientes a este grupo, con excepción de las arqueabacterias. El grueso del conocimiento sobre la transcripción en procariotas ha sido el resultado de estudios en la bacteria E. coli y sus bacteriófagos.

El genoma circular único de la bacteria entérica Escherichia coli K-12, cepa MG1655, ha sido completamente secuenciado. Se reporta que el genoma tiene un tamaño de 4639221 pares de bases y se encuentra asociado con proteínas y unido a las membranas celulares formando una estructura conocida como nucloide. El 87.8% del genoma codifica para 4288 genes estructurales diferentes, casi todos en una sola copia, y organizados en unidades transcripcionales que  contienen más de un gene llamados operones. El material genético restante incluye secuencias regulatorias, secuencias IS (de inserción), restos de material de bacteriófagos y otras secuencias probablemente como restos evolutivos.

Estructura general de un operón y un promotor bacterianos

En el cromosoma, no todos los genes y operones se encuentran codificados en la misma cadena de ADN. Cuando dos genes u operones se transcriben a partir de cadenas complementarias, se dice que la transcripción es divergente. Algunos bacteriófagos presentan genes con transcripción divergente cuyas regiones de regulación se encuentran traslapadas.

Transcripción divergente de operones contiguos

ARN polimerasa en procariotas

En procariotas, la misma enzima cataliza la síntesis de todos los tipos de ARN: ARNm, ARNr y ARNt.

La ARN polimerasa en procariotas en una gran molécula. Está formada por cinco subunidades de aproximadamente 410 kilodaltons α2ββ'ω, con dos unidades α idénticas, que se une al ADN de forma inespecífica para catalizar la síntesis de ARN. Para unirse a regiones promotoras específicas, la holoenzima requiere un factor σ con el que se reduce enormemente la afinidad con regiones de ADN inespecíficas, aumentando la especificidad por regiones promotoras para formar la holoenzima de cinco subunidades α2ββ'σω (~480 kDa). La estructura de la ARN polimerasa presenta una ranura de 55 Å de longitud y una anchura 25 Å. Esta ranura permite el paso de la doble hélice de ADN que mide 20 Å. La longitud de 55 Å puede aceptar la secuencia de 18 nucleótidos.

Todas las unidades que forman la enzima funcionan conjuntamente para llevar a cabo las reacciones de transcripción. La subunidad β' participa en la unión del ADN, la subunidad βcontiene parte del centro activo y la subunidad σ está implicada principalmente en la iniciación de la transcripción, disociándose del resto de la enzima una vez iniciada la transcripción.

Las ARN polimerasas de los organismos procariontes funcionan de forma análoga, aunque alguna subunidad de la proteína difiera en su composición.

Inicio de la síntesis de la cadena de ARN

Una vez que el factor σ ha localizado un promotor específico, la unión inicial de la holoenzima de la ARN polimerasa a esta región produce la formación del llamado complejo cerrado del promotor, donde el ADN mantiene su conformación de doble hélice y la polimerasa está en contacto con las regiones - 10 y - 35. Este complejo cerrado se convierte en el complejo abierto por la disociación de los puentes de hidrógeno de las bases complementarias en una región de aproximadamente 17 pares de bases. El primer nucleósido trifosfatado se une a la subunidad β de la ARN polimerasa y a partir de ésta se polimerizan los nucleósidos siguientes.

Elongación del ARNm

La subunidad σ se desprende de la holoenzima después de sintetizar los primeros 12 nucleótidos y está disponible para iniciar la búsqueda de un nuevo promotor sobre el ADN. La elongación continúa mediante la adición de NTPs en dirección 5' a 3'. La doble hélice de ADN se desenrolla al ser leída por la ARN polimerasa y vuelve a adquirir su conformación normal una vez que la burbuja transcripcional atraviesa esa zona.

Los ARNm de procariotas casi siempre están asociados a ribosomas, ya que los ARNm contienen una región específica llamada sitio de unión a ribosomas o región Shine-Dalgarno, y se traducen simultáneamente. Si la traducción se detiene por algún motivo, la transcripción también se detiene. Por esto se dice que los procesos de transcripción y traducción se encuentran acoplados. En eucariontas esto no sucede, ya que los procesos de transcripción y traducción se encuentran separados espacial y temporalmente.

Terminación de la síntesis de ARN

La elongación del polímero naciente de ARN procede hasta que la ARN polimerasa se encuentra una secuencia en el ADN llamada terminador, que especifica la terminación de la síntesis. Dicha secuencia es transcrita en el ARNm, y la eficiencia de los distintos terminadores es variable. En E. coli existen dos mecanismos de terminación de la transcripción: uno dependiente de una proteína llamada factor ρ, y el otro mecanismo es independiente de factores proteicos.

Los terminadores independientes del factor ρ contienen dos características importantes: una secuencia simétrica rica en pares de bases G-C, algunos de los cuales aparean entre sí formando estructuras de tallo y asa, seguida por una serie de 5 o 6 residuos de adeninas. Las secuencias simétricas forman estructuras de tallo y asa como resultado de la formación intermolecular de puentes de hidrógeno entre bases complementarias. Dado que mutaciones que afectan la formación de la estructura de tallo y asa disminuyen o previenen la terminación, se sugiere que la formación in vivo de esta estructura es clave para el funcionamiento de este tipo de terminadores. También se ha visto que mutaciones en los residuos contiguos de adenina producen la inactivación del terminador. Aunque no está muy claro el mecanismo por el cual esto sucede, se considera que la formación rápida de una estructura estable de tallo y asa, por un lado desestabiliza el híbrido ADN-ARN, y por otro provoca una pausa en la traducción. La serie de adeninas a continuación de la estructura de tallo y asa presentan poca resistencia a la disociación, por lo que se produce la separación del ARN, la ARN polimerasa y el ADN, y por ende la transcripción termina.

Cuando las estructuras características están ausentes, se requiere la participación del factor proteico ρ. De las dos características presentes en los terminadores independientes de ρ no requieren la presencia de una estructura de tallo y asa al final del transcrito, salvo en contadas excepciones. Además, la secuencia de múltiples adeninas está ausente del ADN y por tanto el ARNm carece de la cola de oligo U. El factor ρ es una proteína de seis subunidades idénticas y tiene una gran afinidad por ARN de cadena sencilla. Al unirse al ARN, el factor ρ hidroliza ATP y la energía liberada le permite moverse sobre la cadena naciente de ARN hacia la burbuja transcripcional. Al romperse las interacciones débiles entre los nucleótidos del híbrido ARN: ADN, el ARNm y la ARN polimerasa se disocian del complejo. Para ese momento el ARNm está siendo traducido múltiples veces por ribosomas y la ARN polimerasa queda libre para asociarse nuevamente con el factor σanclado en un promotor y así dar inicio a una nueva ronda de transcripción.

Inicio y elongación de la transcripción

Escisión, edición o splicing de intrones en bacterias

Hace poco tiempo se consideraba que los intrones, o regiones que interrumpen los genes eran exclusivos de eucariotas, pero en bacterias se han descubierto intrones o secuencias interventivas  similares a algunas presentes en organelos de células eucariotas. Los intrones bacterianos rara vez se encuentran interrumpiendo genes, sino en regiones intergénicas; no requieren un organelo especifico para su edición (spliceosoma en eucariotas); el ARN presenta actividad autocatalítica y una estructura secundaria característica. Se han definido dos tipos de intrones bacterianos, los tipos I y los II, que difieren entre sí por algunos detalles en su mecanismo de escisión. Además, en algunos intrones se han descubierto genes que codifican para enzimas como maturasas, transcriptasas inversas y endonucleasas que les permiten reinsertarse en sitios nuevos del genoma.

En las células eucariotas las proteínas son producto de un sólo gen, mientras que en las células procariotas, una secuencia de ARNm puede transcribir varios genes, por lo que son policistrónicos

La vida media de los ARNm

Las moléculas de ARNm tienen una vida media variada, que va del orden de minutos hasta varias horas. Constantemente son degradadas por nucleasas específicas que comienzan a desactivar el ARNm a partir de su extremo 5’ y luego hacen cortes endonucleolíticos. También se han encontrado nucleasas que degradan los ARNm a partir del extremo 3’. Otras nucleasas rompen estos fragmentos de ARNm hasta el nivel de ribonucleótidos, los cuales se reutilizan en nuevas moléculas de ARN. El equilibrio entre la síntesis y la degradación, permite a las células responder rápidamente a cambios ambientales.