Expresión génica: definición, etapas, regulación y importancia biológica
La expresión génica es el proceso por el que la información heredable de un gen, la secuencia de pares de bases de ADN, se convierte en un producto génico funcional, como una proteína o ARN. La idea básica es que el ADN se transcribe en ARN, que luego se traduce en proteínas. Las proteínas forman muchas de las estructuras y todas las enzimas de una célula u organismo.
La expresión génica no es un proceso lineal e inmutable: varias etapas pueden ser reguladas o afinadas para controlar cuándo, dónde y cuánto se expresa un gen. Esta regulación abarca desde el acceso al ADN hasta las modificaciones finales de la proteína y determina procesos tan importantes como la diferenciación celular y la morfogénesis. Además, los cambios en los mecanismos reguladores son una fuente importante de variación evolutiva: la alteración del momento, la localización y la cantidad de expresión génica puede modificar el desarrollo y la forma del organismo.
Etapas principales de la expresión génica
- Accesibilidad del ADN y control epigenético: la organización de la cromatina (e.g., modificar histonas, metilación del ADN) determina si los factores de transcripción y la ARN polimerasa pueden acceder a un gen.
- Transcripción: síntesis de ARN a partir del molde de ADN. En procariotas puede ocurrir de forma acoplada con la traducción; en eucariotas tiene lugar en el núcleo y es altamente regulada por promotores, enhancers y factores de transcripción.
- Procesamiento del ARN (eucariotas): incluye adición del cap 5', poliadenilación en 3' y empalme (splicing) que elimina intrones; el empalme alternativo genera múltiples isoformas de ARNm a partir de un mismo gen.
- Transporte y estabilidad del ARN: el ARNm procesado se exporta al citoplasma; su vida media y estabilidad (controladas por secuencias en el ARNm y por ARNs reguladores) influyen en la cantidad de proteína producida.
- Traducción: iniciación, elongación y terminación de la síntesis proteica sobre los ribosomas. La regulación en esta etapa (p. ej., por la disponibilidad de factores de iniciación) permite un control rápido de la producción proteica.
- Plegamiento y modificaciones posraduccionales: chaperonas, fosforilación, glicosilación, corte proteolítico y otras modificaciones determinan la actividad, localización y estabilidad de la proteína.
Mecanismos de regulación
- A nivel del ADN y la cromatina: metilación del ADN, modificaciones de histonas y remodeladores de cromatina que abren o cierran regiones génicas.
- Factores de transcripción y elementos cis-reguladores: promotores, enhancers, silencers y secuencias UTR que modulan la iniciación de la transcripción o la eficiencia de la traducción.
- ARN no codificante: microARN (miRNA), siRNA, lncRNA y otros que regulan la estabilidad del ARNm y la traducción.
- Procesamiento alternativo: variaciones en el empalme y en la poliadenilación que generan isoformas con funciones diferentes.
- Control postraduccional: modificación de proteínas, compartimentalización y degradación selectiva (p. ej., vía ubiquitina-proteasoma).
- Retroalimentación y redes génicas: circuitos de control donde productos génicos regulan su propia expresión o la de otros genes, permitiendo respuestas dinámicas y estabilidad de estados celulares.
Diferencias entre procariotas y eucariotas
- En procariotas la transcripción y traducción suelen estar acopladas y muchos genes se organizan en operones (ARN policistrónico).
- En eucariotas la compartimentalización nuclear permite procesos de procesamiento del ARN más complejos y mayor papel de la regulación epigenética y del empalme alternativo.
Medición y técnicas
La expresión génica se estudia y cuantifica mediante métodos como RT-qPCR, microarrays, RNA-seq (secuenciación de ARN), proteómica (p. ej., Western blot, espectrometría de masas) y reporteros genéticos (GFP, luciferasa). Estas técnicas permiten evaluar niveles de ARNm y proteína, localización y cambios en respuesta a estímulos.
Importancia biológica y clínica
La expresión génica controla el desarrollo, la diferenciación celular, la homeostasis y la respuesta a señales ambientales. Alteraciones en la expresión (por mutaciones en promotores o enhancers, en factores de transcripción, en mecanismos epigenéticos o en ARNs reguladores) están implicadas en numerosas enfermedades: cáncer, enfermedades metabólicas, trastornos neurodegenerativos y enfermedades hereditarias. Por ello, la regulación génica es también un objetivo clave en terapias génicas y farmacológicas.
Es importante precisar el uso de términos: la expresión de un gen puede variar mucho entre tejidos y contextos (especificidad tisular). Esto se relaciona con la especificidad de expresión y con fenómenos como el pleiotropismo, aunque no son exactamente lo mismo: el pleiotropismo describe la situación en la que un mismo gen afecta a múltiples rasgos fenotípicos.
Diagrama que muestra en qué etapas de la vía ADN-ARN-proteína se puede controlar la expresión
Epigenética
En biología, la epigenética es el estudio de los cambios heredados en el fenotipo (apariencia) o la expresión de los genes causados por mecanismos distintos a los cambios en la secuencia de ADN subyacente.
Estos cambios pueden permanecer a través de las divisiones celulares durante el resto de la vida del individuo y también pueden durar varias generaciones. Sin embargo, no hay ningún cambio en la secuencia de ADN subyacente del organismo. En cambio, los factores no genéticos hacen que los genes del organismo se comporten (se expresen) de forma diferente.
El mejor ejemplo de los cambios epigenéticos en la biología de los eucariotas es el proceso de diferenciación celular. Durante la morfogénesis, las células madre totipotentes se convierten en las distintas líneas celulares del embrión, que a su vez se convierten en células totalmente diferenciadas. En otras palabras, un solo óvulo fecundado -el cigoto- se divide y se desarrolla. Las células hijas se transforman en los numerosos tipos de células del embrión maduro. Entre ellas se encuentran las neuronas, las células musculares, el epitelio, los vasos sanguíneos, etc. Esto sucede mediante la activación de algunos genes y la inhibición de otros.
Los cambios epigenéticos son a largo plazo y suelen sobrevivir al proceso de división celular (mitosis). Los cambios se producen en la cromatina, que es una combinación del ADN y las proteínas histónicas que lo rodean en el cromosoma. Los detalles de cómo ocurre esto todavía se están resolviendo, pero es bastante seguro que la envoltura del ADN y la histona es una característica clave.
Regulación de genes
Regulación ascendente y descendente
La regulación ascendente aumenta la expresión de uno o más genes y, como resultado, de la(s) proteína(s) codificada(s) por esos genes. La regulación a la baja es un proceso que da lugar a una disminución de la expresión de genes y proteínas.
Inducción frente a represión
La regulación de los genes puede resumirse como:
- Sistemas inducibles: un sistema inducible está apagado a menos que haya presencia de alguna molécula (llamada inductor) que permita la expresión del gen.
- Sistemas reprimibles: un sistema reprimible está activado excepto en presencia de alguna molécula (llamada corepresor) que suprime la actividad del gen. Se dice que la molécula reprime la expresión.
ARN reguladores
Hay una serie de ARN que regulan los genes, es decir, que regulan el ritmo de transcripción o traducción de los genes. Los siguientes son dos ejemplos importantes
miRNA
Los micro ARN (miARN) actúan uniéndose a una enzima y bloqueando el ARNm (ARN mensajero), o acelerando su descomposición. Esto se denomina ARN de interferencia.
siRNA
Los pequeños ARN de interferencia (a veces llamados ARN silenciadores) interfieren en la expresión de un gen específico. Son moléculas de doble cadena bastante pequeñas (20/25 nucleótidos). Su descubrimiento ha provocado un aumento de la investigación biomédica y el desarrollo de fármacos.
La estructura de un gen eucariótico codificador de proteínas.
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Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la expresión genética?
R: La expresión génica es el proceso por el cual la información hereditaria de un gen se convierte en un producto funcional, como una proteína o ARN.
P: ¿Cómo se consigue la expresión génica?
R: La expresión génica se consigue mediante un proceso en el que el ADN se transcribe en ARN, que luego se traduce en proteínas.
P: ¿Qué hacen las proteínas en una célula u organismo?
R: Las proteínas forman muchas de las estructuras y todas las enzimas de una célula u organismo.
P: ¿Qué es la regulación génica?
R: La regulación génica es el proceso por el que los genes se activan y desactivan, lo que controla la diferenciación celular y la morfogénesis.
P: ¿Cómo puede servir la regulación génica como base para el cambio evolutivo?
R: La regulación génica puede servir de base para el cambio evolutivo al controlar el momento, la localización y la cantidad de expresión génica, teniendo así un profundo efecto en el desarrollo de un organismo.
P: ¿Qué es el pleiotropismo?
R: El pleiotropismo es el fenómeno de la genética en el que la expresión de un gen puede variar mucho en diferentes tejidos.
P: ¿Qué etapas de la expresión génica pueden modularse?
R: Tanto las etapas de transcripción como de traducción, así como el estado plegado final de una proteína, pueden modularse durante la expresión de un gen.
