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14.1: ¿Qué es la expresión génica?
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What is Gene Expression?
 
TRANSCRIPCIÓN

14.1: What is Gene Expression?

14.1: ¿Qué es la expresión génica?

Overview

Gene expression is the process in which DNA directs the synthesis of functional products, such as proteins. Cells can regulate gene expression at various stages. It allows organisms to generate different cell types and enables cells to adapt to internal and external factors.

Genetic Information Flows from DNA to RNA to Protein

A gene is a stretch of DNA that serves as the blueprint for functional RNAs and proteins. Since DNA is made up of nucleotides and proteins consist of amino acids, a mediator is required to convert the information that is encoded in DNA into proteins. This mediator is the messenger RNA (mRNA). mRNA copies the blueprint from DNA by a process called transcription. In eukaryotes, transcription takes place in the nucleus by complementary base-pairing with the DNA template. The mRNA is then processed and transported into the cytoplasm where it serves as a template for protein synthesis during translation. In prokaryotes, which lack a nucleus, the processes of transcription and translation occur at the same location and almost simultaneously since the newly-formed mRNA is susceptible to rapid degradation.

Gene Expression Can Be Regulated at Any Stage during Transcription

Every cell of an organism contains the same DNA, and consequently the same set of genes. However, not all genes in a cell are “turned on” or use to synthesize proteins. A gene is said to be “expressed” when the protein it encodes is produced by the cell. Gene expression is regulated to ensure proper generation of proteins in specific cells at specific times. Various intrinsic and extrinsic mechanisms regulate gene expression before and during transcription.

The structure of chromatin—compacted DNA and its associated histone proteins—can be chemically modified to be open or closed. Such modifications allow or restrict access of the transcriptional machinery to the DNA. Chromatin modification is an intrinsic mechanism employed during development to form different cell types (e.g., neuron versus muscle cell) from the same genome.

DNA-binding proteins, called transcription factors, regulate transcription by binding to specific DNA sequences near or within the coding regions of genes. Transcription factors that promote the initiation of transcription are called activators. Proteins that prevent the transcription machinery from binding to the transcription initiation site are called repressors. Transcriptional activators or repressors respond to external stimuli such as signaling molecules, nutritional deficiencies, temperature, and oxygen.

Gene Expression Can Be Post-transcriptionally and Post-translationally Regulated

Gene expression can be regulated by post-transcriptional mRNA processing. In eukaryotes, transcribed mRNA undergoes splicing and other modifications that protect the ends of the RNA strand from degradation. Splicing removes introns—segments that do not encode proteins—and joins together the protein-coding regions called exons. Alternative splicing allows for the expression of functionally diverse proteins from the same gene. Regulation of gene expression by alternative splicing plays an important role in organ development, cell survival and proliferation, and adaptation to environmental factors.

Gene expression can also be altered by regulating the translation of mRNA into proteins. Translation can be regulated by microRNAs—small, non-coding RNAs—that bind to a specific mRNA sequence and block initiation of translation or degrade the transcribed mRNA. In addition, proteins called translational repressors can bind to RNA and interfere with the initiation of translation.

Translated polypeptides undergo processing to form functional proteins. The addition or removal of chemical groups can alter the activity, stability, and localization of proteins in a cell. For instance, the addition or removal of phosphoryl groups (–PO32-) can activate or inactivate proteins. Similarly, the addition of ubiquitin groups causes protein degradation. Thus, post-translational protein modifications are the final stage of gene regulation.

Visión general

La expresión génica es el proceso en el que el ADN dirige la síntesis de productos funcionales, como proteínas. Las células pueden regular la expresión génica en varias etapas. Permite a los organismos generar diferentes tipos de células y permite 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). mRNA copia el plano del ADN mediante un proceso llamado transcripción. En 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 "encienden" 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 post-transcripción y post-traduccionalmente

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 (–PO32-) 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.


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