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Regulación por RNAs en bacterias
En bacterias existen pequeños RNAs involucrados en la regulación de la expresión de genes, algunos de estos RNAs controlan la transcripción, por ejemplo el RNA 6S de E. coli , que se une a la subunidad σ^70 de la RNA polimerasa y disminuye la transcripción de muchos promotores σ^70.
El RNA 6S se acumula en altos niveles en la fase estacionaria del crecimiento de la bacteria cuando los nutrientes comienzan a desaparecer y la célula deja de dividirse, en esta fase se produce un factor σ alternativo, σS, este compite con σ^70 y dirige a la polimerasa a expresar genes de múltiples respuestas de estress que se necesitan para sobrevivir la fase estacionaria. El RNA 6S al disminuir la transcripción de promotores σ^70 , ayuda a que la expresión cambie a promotores σS.
En años recientes, se ha focalizado la atención en moléculas de RNAs pequeños en bacterias que regulan la traducción y la degradación del RNAm.
Una clase de RNAs reguladores en bacterias, llamados sRNAs, actúan en trans en la regulación de la traducción de los genes blancos, así como lo hacen los miRNAs en eucariontes, sin embargo son más largos (80-110 nucleótidos) que los miRNAs (21-30 nt) y no se forman por procesamiento de precursores de RNAs largos de doble cadena (dsRNAs), en su lugar son codificados en su forma final por genes pequeños.
La mayoría de los sRNAs funcionan por apareamiento de bases por complementariedad de secuencias entre los RNAms blancos, dirigiendo la destrucción de los RNAms, inhibiendo la traducción e incluso en algunos casos estimulan la traducción.
La unión de un sRNA a su RNAm blanco en muchos casos es ayudada por la proteína Hfq, esta es una proteína chaperona de RNA y se necesita de su ayuda ya que generalmente la complementariedad entre el sRNA y el RNAm blanco es imperfecta y corta, por lo que la interacción es débil, Hfq facilita el apareamiento y además Hfq unida a los sRNA reguladores aumenta la estabilidad de éstos.
a) El factor σS^ de la fase estacionaria, mencionado anteriormente, es codificado por el gen rpo S de E. coli , la traducción del RNAm rpo S es estimulado por dos sRNAs: Dsr A y RprA, la activación es realizada por un cambio alternativo de apareamiento de bases: el sRNA se une a una región del RNAm que podría estar enmascarando al sitio de unión al ribosoma (a), activando la traducción.
b) El gen rpo S puede ser regulado negativamente por otro sRNA, OxyS que se aparea a RBS reprimiendo la traducción.
Otros ejemplos de regulación por RNAs en bacterias son los RNAs que actúan simplemente como antisentidos, ellos están codificados por la cadena opuesta del gen y actúan por apareamiento de bases homólogas e inhiben la expresión del RNAm producido.
Este tipo de regulación tiende a asociarse generalmente a genes que codifican productos potencialmente tóxicos y en los genes del fago λ, generalmente se dice que estos RNAs actúan en cis ya que solo actúan sobre el gen de los cuales ellos se producen.
Otro ejemplo de RNAs reguladores que actúan en cis ya que controlan la expresión de genes dentro de los RNAms en los que residen, son los riboswitches.
Los riboswitches controlan los operones metabólicos y la atenuación en los operones biosintéticos.
La RNA polimerasa inicia la transcripción en el promotor y transcribe a través de la secuencia líder antes de entrar a la secuencia codificante del gen río abajo, una vez transcrito en RNA, la región líder puede adoptar estructuras alternativas a través de patrones de apareamiento intramolecular de bases. Un rearreglo incluye un terminador transcripcional de tallo y burbuja.
a) SAM, el ligando del riboswitch se une al aptámero y estabiliza la estructura secundaria que incluye un terminador transcripcional, bajo estas circunstancias la transcripción es terminada antes de que la polimerasa tenga la oportunidad de transcribir el segmento codificante de proteína río abajo, esta forma de regulación transcripcional es también llamada atenuación.
b) En otro caso, en otro gen, un riboswitch sensible a SAM puede funcionar regulando la traducción. En este caso una estructura alternativa estabilizada por SAM unida al aptámero incluye un tallo burbuja, que aunque no es un terminador transcripcional, incluye a RBS, este cambio conformacional secuestra a RBS y bloquea a los ribosomas de iniciar la traducción.
Los riboswitch responden a un rango de metabolitos
Los operones biosintéticos de aminoácidos son controlados por atenuación.
Operón de los genes trp
En E. coli los 5 genes contiguos trp codifican para las enzimas que sintetizan el aa Triptófano. Estos genes son expresados eficientemente solamente cuando el Trp es limitante, estos genes son controlados por el represor. Incluso después de que la RNA polimerasa ha iniciado una molécula de RNAm, no siempre se completa el transcrito, la decisión de hacer el o no el transcrito completo viene dada por la atenuación. Cuando el triptófano es limitante, la polimerasa no termina antes de tiempo sino que transcribe todos los genes trp , la atenuación ocurre dependiendo de la formación de una estructura secundaria alternativa del RNA, como los riboswitchs.
Terminación de la transcripción por el atenuador trp.
b) Un ribosoma atrapado en los codones del trp, enmascara la región 1, dejando a la región 2 libre de aparearse a la región 3 , por lo que no se forma el terminador (3 y 4) y la transcripción no es atenuada.
a) Si hay suficiente triptófano y por lo tanto tRNAs cargados, para que el ribosoma pase a través de los codones trp, los ribosomas bloquean la secuencia 2 y se forma el terminador entre 3 y 4.
El operón trp es controlado por represión y atenuación, otros operones para aminoácidos como leu y his, tienen todo su control en la atenuación.
RNA como agentes de defensa en procariontes y arqueobacterias.
Aunque no es un sistema estrictamente de ejemplo de regulación (es un sistema de defensa contra virus y otros intrusos extracromosomales) el mecanismo usado es muy similar a los sistemas de RNAi en eucariontes que veremos después.
CRISPRs son un registro de infecciones pasadas y de resistencia ganada
El patrón característico de CRISPRs consiste en secuencias repetidas (cada una aproximadamente de 30 pb y altamente conservadas dentro de un agrupamiento dado) separadas por secuencias espaciadoras de longitudes similares pero de secuencias divergentes. En uno de los extremos del arreglo se encuentra la secuencia líder, generalmente rica en A-T y de longitud aproximada de 500 pb.
CRISPRs (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats)
Las secuencias espaciadoras se adquieren durante la infección
La adquisición por las células de las regiones espaciadoras de un fago determinado, confiere una sensibilidad disminuida a infecciones posteriores con el fago. La secuencia del virus que será el nuevo espaciador es llamada proto- espaciadora y es encontrada cerca de PAM (proto-spacer adjacent motif, motivo adyacente proto- espaciador), cuando un nuevo espaciador es añadido al arreglo CRISPR, es incorporado en el extremo proximal cerca de la región líder.
Algunos genes cas codifican para proteínas necesarias para el proceso de adquisición. Cas es una integrasa putativa mientras Cas2 es una ribonucleasa, en contraste a las otras proteínas Cas, Cas6 está involucrada en la expresión y procesamiento del cluster de CRISPR y Cas3 en la interferencia de la infección viral.
Un CRISPR es transcrito como un simple RNA largo, el cual es entonces procesado en especies de RNA cortos que destruyen los RNAs o DNAs invasores.
Expresión de CRISPR en E. coli. El promotor se sitúa dentro de la región líder y genera un simple transcrito de RNA llamado pre-crRNA, en este caso CRISPR está asociado a 8 genes cas los productos de los cuales forman un complejo llamado Cascada. Este complejo incluye una subunidad que esta implicada en el procesamiento del transcrito largo en crRNAs individuales cortos, cada uno de longitud de un espaciador y una secuencia repetida, los RNAs pequeños permanecen unidos al complejo Cascada y dirigen a este a los genomas de DNA del DNA invasor extraño. Cada crRNA contiene 8 nucleótidos del repetido 5’ seguido por la región espaciadora y la mayor parte del repetido siguiente, la región del repetido en los extremos 5’ y 3’ son llamadas “handles” 5’ y 3’ respectivamente y representan partes conservadas de cada crRNA y se cree son las regiones que se unen a Cascada. En este caso crRNA y Cascada se dirigen al DNA extraño y lo cortan con ayuda de Cas3.
RNAs reguladores están ampliamente distribuidos en Eucariontes.
Los RNAs reguladores en eucariontes están caracterizados por su tamaño (largos o cortos), su origen y mecanismos por los cuales son generados.
Entre el 60 y el 70% de los genes en eucariontes superiores son regulados por alguno de estos tipos de RNA, con funciones que van desde el desarrollo ( C. elegans hasta plantas Arabidopsis ) hasta la homeostasis celular y protección de las células de los virus y transposones.
Adicionalmente una forma de regulación (interferencia) ha sido adaptada como una herramienta experimental poderosa para manipular la expresión de genes en muchos organismos.
Varios tipos de RNA pequeños reprimen o silencian la expresión de los genes con homología a estos RNAs pequeños.
Dependiendo del origen y el contexto, estos RNAs pueden inhibir la traducción del RNAm, destruir el RNAm o silenciar a nivel transcripcional el promotor que dirige la expresión de un RNAm.
Estos RNAs pequeños son generados generalmente de RNAs largos de doble cadena por enzimas especiales.
Los RNAs pequeños tienen diferentes nombres dependiendo del origen:
-Aquellos producidos artificialmente o producidos in vivo a partir de dsRNAs son los típicamente llamados siRNA.
- Otro grupo es el formado por los miRNAs, estos son derivados de RNA precursores que son codificados por genes expresados en las células.
- Un tercer tipo son los piRNAs, que se expresan predominantemente en la línea germinal y tienen características distintas a los miRNAs.
