Mòdul 3: Flux de la informació genètica (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Medicina - 1º curso
Asignatura Genòmica Humana
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 13/02/2015
Descargas 36
Subido por

Vista previa del texto

Mòdul  3:  Flux  de  la  informació  genètica     El   DNA   d’una   cèl·lula   té   un   diàmetre   de   2nm,   una   longitud   de   2’18m   i   6’4·109   nucleòtids.     Entre   tota   aquesta   enorme   molècula   necessitem   indicar   en   quina   de   les   dues   cadenes  de  l’alfa-­‐hèlix  està  la  informació  útil  del  gen.  Hem  de  tenir  en  compte  els   introns,  que  són  interrupcions  freqüents  eliminades  per  un  fenomen  conegut  com   splicing.  També  existeixen  exons,  els  seus  extrems,  que  no  codifiquen  però  estan  a   l’ARN  final.     El  RNA  és  l’encarregat  de  formar  i  regular  les  proteïnes  que  són  les  molècules  que   realitzen  les  funcions  cel·lulars.       La   transcripció   és   la   síntesi   de   RNA   a   partir   de   la   cadena   motlle   de   DNA,   molt   similar  tan  químicament  com  enzimàticament  a  la  replicació.     Aquest  fenomen  es  caracteritza  per:     -­‐ La   formació   de   RNA,   és   a   dir,   la   polimerització   de   ribonucleòtids   i   no   desoxiribonucleòtids.     -­‐ La   RNA   polimerasa   no   necessita   un   primer,   comença   de   nou   la   síntesi   de   RNA.     -­‐ Es   generen   més   errors   que   en   la   replicació   ja   que   els   mecanismes   de   reparació   són   menys   efectius   (cada   104,   sabent   que   en   la   replicació   es   dóna   cada  107)   -­‐ Genera   un   nombra   variable   de   còpies   a   partir   de   regions   concretes   del   genoma   les   quals   venen   determinades   per   la   unió   de   la   RNA   polimerasa   a   seqüències  específiques  que  anomenem  promotors.       En  bacteris,  gràcies  al  factor  σ70,  són  fàcilment  detectables  aquests  promotors.                 En  els  humans  és  més  complex  ja  que  hi  ha  múltiples  seqüències  i  no  sempre  estan   en   el   promotor.   Fins   i   tot   en   la   seqüència   a   transcriure   podem   trobar   promotors   inclosos.   Actuen   en   forma   CIS   a   través   de   proteïnes   TRANS.   Hi   ha   un   factor   de   transcripció   general   GTF   que   aporta   especificitat   al   procés,   roman   en   la   seqüència   promotora   i   estableix   interaccions   amb   la   RNA   polimerasa.   A   més   a   més,   es   requereixen   altres   factors   específics   per   a   la   transcripció   TFs.   Té   una  acció  similar  a  σ70.       La  RNA   polimerasa   actua  de  5’  a  3’.  CTD  o  carboxyl  terminal  domain,  és  una  cua   formada   per   7   aminoàcids   (YSPTSPS)   que   són   reconeguts   per   proteïnes   que   intervenen   en   la   formació   del   RNA.   La   unió   d’aquestes   proteïnes   depèn   de   la   fosforil·lació  de  serina  S,  treonina  Y  i  tirosina  T.   Tenim  tres  tipus  de  RNA  polimerasa:   -­‐ I:  per  a  RNA  ribosòmic  o  rRNA   -­‐ II:  per  a  RNA  missatger  o  mRNA   -­‐ III:  per  a  RNA  de  transferència  o  ribosòmic  tRNA  o  rRNA.       Estudiarem  tres  fenòmens  del  processament  del  RNA.     El   primer   és   anomenat   capping,   un   procés   cotranscripcional   (es   dóna   al   mateix   temps   que   la   transcripció)  basat  en  l’addició  d’una  capel·lina  a  l’extrem   5’  del  mARN  de  les  cèl  eucariotes.  Aquesta  capel·lina  evita   la  degradació  del  mARN  per  nucleases,  ajuda  al  transport   i  permet  la  interacció  amb  el  ribosoma.     Està   formada   per   nucleòtids   G   que   estableixen   un   enllaç   5’-­‐5’.  No  es  reconeguda  per  les  exonucleases  i,  per  tant,  no   el   trenquen.   La   RNA   trifosfatasa,   guanililtransferasa   i   metiltransferasa   són   les   encarregades   de   col·locar   la   capel·lina  protectora,  però  només  estan  presents  en  l’inici   de  la  transcripció.  Per  tant,  al  final  els  responsables  de  les  modificacions  posteriors   del  RNA  seran  uns  enzims  diferents.       Un  altre  fenomen  és  la  poliadenilació  del  mRNA   en   eucariotes.   És   un   procés   també   cotranscripcional  basat  en  l’addició  de  d’una  cua   d’adenina   A   en   l’extrem   3’.   La   seqüència   transcrita   que   indica   poliadenilació   és   reconeguda   per   diferents   factors   (CstF   Cleavage   stimulation   Factor   i   CPSF   Cleavage   and   Polyadenilation   Specificity   Factor)   que   tallen   el   RNA  i  promouen  l’addició  de  les  adenines,  la  cua   protectora,   per   part   de   PAP   poly-­‐A   polimerasa.   Una   vegada   tallat   però   la   RNA   polimerasa   continua  funcionant.     Aquesta   seqüència   d’adenines   és   reconeguda   per   unes   altres   proteïnes   que   oferiran   estabilitat   i   protecció  contra  les  exonucleases.     Les  exonucleases  degraden  el  RNA  més  ràpid  que   la  RNA  polimerasa  el  sintetitza,  quan  l’atrapa  l’expulsa  per  col·lisió  o  li  treu  tot  el   RNA.       El   darrer   fenomen   és   el   splicing,   un   procés   post-­‐transcripcional   que   suposa   la   eliminació  dels  introns  (el  pas  de  preRNA  a  RNA).     Recordem  que  un  intró  interromp  la  transcripció  del  RNA  ja  que  no  serà  traduït  i   un  exó  és  una  seqüència  d’un  gen  que  forma  part  del  mARN  tot  i  que  en  els  exons   també  hi  ha  parts  no  traduïbles.     Les   caixes   negres   són   els   exons,   les   blanques   indiquen   els   extrems,   la   línia   contínua   són   els   introns   i   la   fletxa   encerclada  ens   indica  la  direcció.       La  selecció  pels  llocs  de  tall  la  fa  el  spliceosoma,  una  gran  estructura  formada  per   RNA  i  proteïnes.  Hi  ha  diverses  proteïnes  associades  al  RNA:     -­‐ ESE:  potenciador  el  splicing  en  l’exó   -­‐ ISE:  potenciador  el  splicing  en  l’intró   -­‐ ESS:  inhibidor  el  splicing  de  de  l’exó   -­‐ ISS:  silencia  el  splicing  de  l’intró   -­‐ SR:  reconeixen  aquestes  diferents  seqüències  i  promouen  l’addició  de  U1.       Es   poden   produir   errors   en   aquest   procés   que   derivin   en   mRNA   mal   formats.   Però   aquests   són   de   relativa   poca   importància   ja   que   difícilment   acabaran   derivant   a   una   proteïna   que   pugui   ser   perjudicial   per   a   la   cèl.   Això   es   a   causa   de   la   inestabilitat  del  mRNA  i  dels  mecanismes  de  regulació  existents  en  la  cèl  capaços   de  detectar  aquests  errors  i  eliminar-­‐los.  Però  s’ha  de  tenir  en  compte  que  tot  i  així   la  meitat  de  mutacions  patològiques  afecten  el  splicing.       Hi  ha  una  variant  del  splicing  conegut  com  splicing  alternatiu.  A  partir  d’un  gen  es   poden  codificar    diferents  versions  d’una  proteïna  amb  diferents  propietats.  Va  en   funció   del   teixit.   Hi   ha   un   cas   especial   de   splicing   alternatiu   mútuament   excloent   (es   transcriu   X   però   no   Y,   i   a   l’inrevés).   Serveix   per   augmentar   la   variabilitat   en   l’evolució.         El   procés   de   traducció,   el   pas   de   RNA   a   proteïnes,   es   basa   en   la   lectura   del   codi   genètic.  Aquest  es  caracteritza  per:   -­‐ La  lectura  de  5’  a  3’  de  triplets  de  nucleòtids  denominats  codons.     -­‐ És  co-­‐lineal:  els  triplets  no  es  solapen  i  no  hi  ha  forats.   -­‐ Només  s’usa  una  fase  de  lectura  fixa  determinada  pel  codó  d’inici  “START”   que   sempre   és   AUG   (metionina).   Tot   i   que   el   començament   en   eucariotes   sempre  és  AUG,  AUG  no  significa  sempre  el  començament.     -­‐ Els  senyals  “STOP”  venen  determinats  per  UAA,  UAG,  UGA.     -­‐ És   redundant   (hi   ha   sinonímia)   però   no   és   ambigu.   És   a   dir,   dos   codons   diferents   poden   codificar   pel   mateix   aminoàcid   però   un   sol   codó   no   pot   codificar  dos  aminoàcids  diferents.  Tenim  64  (43)  possibilitats  diferents  per   a  codificar  20  aminoàcids.     -­‐ És   quasi   universal,   alguns   bacteris   poden   usar   diferents   codons   d’iniciació   com  GUG.  A  vegades  en  els  mitocondris  hi  ha  alguna  diferència  com  podria   ser  2  possibles  codons  STOP  en  comptes  de  3.                               Podem  classificar  les  mutacions  en  funció  del  seu  efecte  en  el  missatge  genètic:         -­‐ Silencioses:   tot   i   un   canvi   de   nucleòtids   el   codó   codifica   el   mateix   aminoàcid.   Això   és   gràcies   a   la   redundància.   Podria   afectar   a   nivell   de   l’expressió   sí   el   canvi   en   la   seqüència   es   correspon   a   un   ESE   (potenciador   splicing  de  l’exó)  o  ISE  (potenciador  splicing  de  l’intró).       -­‐ Canvi   de   sentit:   provoca   el   canvi   d’un   aminoàcid   per   un   altre.   Afecta   a   la   configuració  de  la  proteïna  i,  per  tant,  a  la  seva  funció.         -­‐ Sense  sentit  o  stop:  és  la  més  greu.  El  codó  es  canvia  per  un  codó  STOP.  Hi   ha  mjor  probabilitat  de  pèrdua  de  funció  quan  més  aviat  es  dóna.         -­‐ Canvi   de   fase:  provoca  la  inserció  o  la  delecció  d’un  o  dos  aminoàcids.  No   múltiple  de  3.             Síndrome   Riley-­‐Day:   disautonomia   familiar   recessiva.   Afecta   al   desenvolupament   dels  nervis.  No  tenen  llàgrimes,  ni  senten  dolor  i  tenen  problemes  de  coordinació.     En   la   posició   6   de   l’intró   20   s’intercanvia   T-­‐>C.   No   s’uneix   U1   snRNP,   qui   reconeix   l’extrem   5’   per   iniciar   la   traducció;   si   no   s’uneix   no   el   llegim.   A   causa   d’això   s’omet   l’exó   20   que   té   74   nucleòtids   (no   múltiple   de   3)   i   es   produeixen   molts   canvis.   Es   genera  un  codó  STOP  prematur.       Els  principals  components  moleculars  de  la  traducció  són  els  següents:   -­‐ mRNA:   aporta   el   missatge   que   ha   de   ser   traduït.   Consisteix   en   una   seqüència   contigua   i   no   solapant   de   codons   que   es   denomina   ORF.   Cada   ORF   Open  Reading  Frame  codifica   una   única   proteïna   i   comença   hi   acaba   en   llocs  interns  del  mRNA.  El  ORF  queda  delimitat  per  dues  seqüències  en  els   extrems   del   mRNA   que   no   són   traduïdes   i   que   anomenem   5’   UTR   i   3’UTR   (UnTranslated  Region).     El  codó  d’inici,  en  eucariotes  AUG,  determina  el  primer  animoàcid  i  l’inici  de   l’ORF.     La  capel·lina  5’  reconeix  els  ribosomes  i  la  cua  poli-­‐A  potencia  el  reciclatge   dels  ribosomes.       -­‐ tRNA:   el   ARN   de   transferència   és   l’adaptador   que   permet   la   traducció   entre   nucleòtids  i  aminoàcids.  N’hi  ha  molts  diferents,  però  com  a  norma  general   en  l’extrem  3’  porten  associat  un  aminoàcid  que  es  correspon  a  la  seqüència   anticodó   del   tARN.   Presenta   una   estructura   secundària   en   forma   de   fulla   de   trèvol   molt   conservada.   I   una   estructura   terciària   en   forma   de   L,   amb   l’aminoàcid  en  un  extrem  i  l’anticodó  en  l’altre.         -­‐ Aminoacil-­‐tRNA   sintetases:  n’hi  ha  un  específic  per  a  cada  aminoàcid.  És   l’encarregat   d’incorporar   els   aminoàcids   als   tRNA   corresponents.   Per   tant,   han   de   ser   capaços   de   reconèixer   els   tRNA   correctes   per   a   un   determinat   aminoàcid  i  discriminar  entre  els  diferents  aminoàcids.  Interaccionen  amb   el   braç   acceptor     i   el   llaç   de   l’anticodó   del   tRNA.       En   lila   es   representa   el   ARNt   i   en   gris   l’enzim   aminoacil-­‐   ARNt  sintetasa.           -­‐ Ribosoma:   format   per   4   rRNA   i   més   de   50   proteïnes,   constituint   uns   subunitat   petita   de   40S   i   una   subunitat   gran   de   60S.   La   funció   catalítica   correspon   als   rRNA,   les   proteïnes   són   simplement   estabilitzadores   de   l’estructura  ribosòmica.     Hi   ha   tres   cavitats   referents   a   les   3   fases   de   l’addició   d’aminoàcids   a   la   traducció:     o Aminoacil  (A)   o Peptidil  (P)   o Exit  (E)     E   només   ocupa   la   subunitat   gran,   a   diferència   de   A   i   P   que   ocupen   totes   dues.   La   translocació   és   el   canvi   de   lloc   del   tRNA   entre   les   tres   diferents   zones.     En   la   subunitat   petita   hi   ha   un   canal   estret   per   on   passa   el   mRNA,   per   on   només  pot  passar  de  manera  estirada.  El  ribosoma  és  qui  es  va  desplaçant   respecte   el   RNA.   En   la   subunitat   gran   d’   A   i   P   trobem   un   centre   peptidil   transferasa  encarregat  de  la  transferència  de  pèptids.  El  pèptid  va  canviant   en  l’entrada  d’un  nou  tRNA  i  es  va  sintetitzant  de  l’extrem   amino   al   carboxi   terminal.   En   la   subunitat   petita   trobem   un  centre  descodificador  que  permet  l’aparellament  codó-­‐ anticodó.  Al  límit  superior  de  la  subunitat  gran  trobem  un   canal  de  sortida  per  al  pèptid,  només  en  permet  la  sortida   en  alfa-­‐hèlix.     La  formació  de  l’enllaç  peptídic  no  requereix  energia  però   sí   que   es   requerida   amb   anterioritat   amb   els   factors   d’iniciació,   elongació,   alliberació   i   reciclatge.   L’ús   d’energia  habilita  ordre,  homeòstasi  en  la  cèl·lula.       El  cicle  del  ribosoma:     -­‐ La   subunitat   40S   reconeix   mRNA   a   través   de   la   capel·lina   5’.   S’anirà   desplaçant   fins   trobar   el   codó   START   AUG,   en   alguns   casos   no   s’agafa   el   primer  que  apareix  sinó  el  segon  o  tercer.  Es  complementa  amb  el  tRNA   iniciador.     -­‐ S’alliberen  diferents  factors  per  a  la  unió  de  60S.     -­‐ S’inicia  l’activitat  en  busca  de  la  complementarietat  codó-­‐anticodó  que   promou   la   reacció   peptidil   transferasa.   Hi   intervé   el   factor   Ef-­‐Tu,   amb   activitat   GTPasa,   que   bloqueja   l’aminoàcid   del   tRNA   evitant   que   reaccioni.     -­‐ Té   lloc   la   translocació,   el   canvi   de   lloc   del   tRNA,   provocada   pel   factor   EF-­‐G.     -­‐ El   codó   STOP   no   es   reconegut   per   cap   tRNA   però   sí   per   factors   d’alliberació  que  tallen  l’enllaç  del  polipèptid  amb  el  tRNA.   -­‐ Els   factors   de   reciclatge   mimetitzen   un   tRNA.   Enganyen   a   EF-­‐G   provocant  la  translocació  i  habilitant  el  buidatge.       Hi   ha   antibiòtics   que   afecten   a   la   traducció,   específics   per   al   mecanisme   de   traducció   de   les   cèl   procariotes   (bacteris).   L’àcid   furídic   (actua   sobre   EFG),   kirromicina  (EF-­‐Tu),  puromicina  (centre  peptidil  transferasa)...           ...