Visión general

La expresión génica es el proceso en el que el ADN dirige la síntesis de productos funcionales, como las proteínas. Las células pueden regular la expresión génica en varias etapas. Permite a los organismos generar diferentes tipos de células y que las células se adapten a factores internos y externos.

Flujos de información genética del ADN al ARN a la proteína

Un gen es un tramo de ADN que sirve como modelo para los ARN y proteínas funcionales. Dado que el ADN se compone de nucleótidos y las proteínas consisten en aminoácidos, se requiere un mediador para convertir la información codificada en ADN en proteínas. Este mediador es el ARN mensajero (ARNm). El ARNm copia el plano del ADN mediante un proceso llamado transcripción. En las eucariotas, la transcripción tiene lugar en el núcleo mediante el emparejamiento de base complementario con la plantilla de ADN. El ARNm se procesa y transporta al citoplasma donde sirve como plantilla para la síntesis de proteínas durante la traducción. En los prokaryotes, que carecen de núcleo, los procesos de transcripción y traducción se producen en el mismo lugar y casi simultáneamente ya que el ARNm recién formado es susceptible a una rápida degradación.

La expresión génica se puede regular en cualquier etapa durante la transcripción

Cada célula de un organismo contiene el mismo ADN y, en consecuencia, el mismo conjunto de genes. Sin embargo, no todos los genes de una célula se "activan" o se usan para sintetizar proteínas. Se dice que un gen es "expresado" cuando la proteína que codifica es producida por la célula. La expresión génica está regulada para asegurar la correcta generación de proteínas en células específicas en momentos específicos. Varios mecanismos intrínsecos y extrínsecos regulan la expresión génica antes y durante la transcripción.

La estructura de la cromatina (ADN compactado y sus proteínas histonas asociadas) se puede modificar químicamente para que esté abierta o cerrada. Tales modificaciones permiten o restringen el acceso de la maquinaria transcripcional al ADN. La modificación de la cromatina es un mecanismo intrínseco empleado durante el desarrollo para formar diferentes tipos celulares (por ejemplo, neurona frente a células musculares) del mismo genoma.

Las proteínas de unión al ADN, llamadas factores de transcripción, regulan la transcripción mediante la unión a secuencias de ADN específicas cerca o dentro de las regiones codificantes de los genes. Los factores de transcripción que promueven el inicio de la transcripción se denominan activadores. Las proteínas que impiden que la maquinaria de transcripción se una al sitio de iniciación de la transcripción se denominan represores. Los activadores o represores transcripcionales responden a estímulos externos como moléculas de señalización, deficiencias nutricionales, temperatura y oxígeno.

La expresión génica puede ser regulada por la post-transcripción y la post-traducción

La expresión génica se puede regular mediante el procesamiento de ARNm post-transcripción. En los eucariotas, el ARNm transcrito se somete a empalmes y otras modificaciones que protegen los extremos de la cadena de ARN de la degradación. El empalme elimina los intrones (segmentos que no codifican proteínas) y une las regiones de codificación de proteínas llamadas exones. El empalme alternativo permite la expresión de proteínas funcionalmente diversas del mismo gen. La regulación de la expresión génica mediante empalmes alternativos desempeña un papel importante en el desarrollo de órganos, la supervivencia y la proliferación de células, y la adaptación a factores ambientales.

La expresión génica también puede alterarse regulando la traducción del ARNm en proteínas. La traducción puede ser regulada por microRNAs (ARN pequeños y no codificantes) que se unen a una secuencia de ARNm específica e inician bloques de traducción o degradan el ARNm transcrito. Además, las proteínas llamadas represores traslacionales pueden unirse al ARN e interferir con el inicio de la traducción.

Los polipéptidos traducidos se procesan para formar proteínas funcionales. La adición o eliminación de grupos químicos puede alterar la actividad, estabilidad y localización de proteínas en una célula. Por ejemplo, la adición o eliminación de grupos de fósforo (–PO₃^2-) puede activar o inactivar proteínas. Del mismo modo, la adición de grupos de ubiquitina causa degradación de proteínas. Por lo tanto, las modificaciones de proteínas post-traduccionales son la etapa final de la regulación genética.