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14.9: Empalme de ARN
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RNA Splicing
 
TRANSCRIPCIÓN

14.9: RNA Splicing

14.9: Empalme de ARN

Overview

The process in which eukaryotic RNA is edited prior to protein translation is called splicing. It removes regions that do not code for proteins and patches the protein-coding regions together. Splicing also allows several protein variants to be expressed from a single gene and plays an essential role in development, tissue differentiation, and adaptation to environmental stress. Errors in splicing can lead to diseases such as cancer.

RNA Transcribed from Eukaryotic DNA Undergoes Several Modifications

The RNA strand transcribed from eukaryotic DNA is called the primary transcript. The primary transcripts designated to become mRNA are called precursor messenger RNA (pre-mRNA). The pre-mRNA is then processed to form mature mRNA that is suitable for protein translation. Eukaryotic pre-mRNA contains alternating sequences of exons and introns. Exons are nucleotide sequences that code for proteins whereas introns are the non-coding regions. RNA splicing is the process by which introns are removed and exons patched together.

Splicing Occurs within the Nucleus

Splicing is mediated by the spliceosome—a complex of proteins and RNA called small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs). The spliceosome recognizes specific nucleotide sequences at exon/intron boundaries. First, it binds to a GU-containing sequence at the 5’ end of the intron and to a branch point sequence containing an A towards the 3’ end of the intron. In a number of carefully-orchestrated steps, other snRNPs then bring the branch point close to the 5’ splice site. Subsequently, a chemical reaction cleaves the 5’ end of the intron from its upstream exon and attaches it to the branch point, forming a loop called a lariat. To release the lariat, the 3’ end of the upstream exon reacts with the AG-containing sequence of the intron close to the 5’ end of the downstream exon. This reaction patches the two exons together and, thus, concludes the splicing process.

Splicing Allows Expression of Several Proteins from a Single Gene

The process by which different combinations of exons in pre-mRNA are joined to form mature mRNA is called alternative splicing. Alternative splicing produces several different proteins from a single pre-mRNA transcript.

Normally, exons are joined together in the order in which they appear in a gene. However, during alternative splicing, this preferred sequence of exons may be altered. Different patterns of alternative splicing include exon skipping, alternative 5’ or 3’ splice sites, and intron retention. These patterns are guided by the length of exons or introns and the strength of splice sites. Consequently, exons that are shorter than other exons may be overlooked by the spliceosome and omitted from the mature mRNA. In contrast, introns that are significantly shorter than other introns may evade removal by the spliceosome and are retained in the mature mRNA.

The strength of splice sites is determined by sequence conservation around alternative exons; these influence the 5’ or 3’ splice sites chosen by the spliceosome. Thus, alternative splicing generates variants of mature mRNA that were copied from the same stretch of DNA.

During translation, the RNA sequence variants produce different proteins with additional or fewer amino acids, shifts in the reading frame, or a premature stop codon. This generates protein isoforms with different biological properties including function, cellular localization, and interaction with other proteins. Alternative splicing plays a vital role in gene expression, thereby controlling organ development, cell survival or proliferation, and adaptation to environmental changes.

Abnormal Splicing Can Cause Diseases

Errors in splicing may be caused by mutations in the gene itself or in the regulatory elements that control the expression of the gene. A mutation that occurs in the exon or intron sequence of a specific gene transcript is called a cis-mutation. A mutation in the splicing machinery affects several genes and is called a trans-mutation.

Errors in splicing produce aberrant protein isoforms, which may contribute to diseases, including cancer. For instance, alternative splicing of the BCL2L1 gene generates a long and short protein isoform—BCL-XL and BCL-XS, respectively—through the use of alternative 5’ splice sites. The longer BCL-XL isoform promotes cell survival and is highly expressed in several types of cancers (e.g., blood, breast, and liver cancers). Expression of the short BCL-XS isoform that promotes cell death, is suppressed in cancer.

Visión general

El proceso en el que se edita el ARN eucariota antes de la traducción de proteínas se denomina empalme. Elimina las regiones que no codifican para proteínas y parchea las regiones de codificación de proteínas. El empalme también permite expresar varias variantes proteicas a partir de un solo gen y desempeña un papel esencial en el desarrollo, la diferenciación de tejidos y la adaptación al estrés ambiental. Los errores en el empalme pueden conducir a enfermedades como el cáncer.

ARN transcrito del ADN eucariota sufre varias modificaciones

La cadena de ARN transcrita a partir del ADN eucariota se denomina transcripción primaria. Las transcripciones primarias designadas para convertirse en ARNm se denominan ARN mensajero precursor (pre-mRNA). El pre-ARNm se procesa entonces para formar ARNm maduro que es adecuado para la traducción de proteínas. El pre-MRNA eucariota contiene secuencias alternas de exones e intrones. Los exones son secuencias de nucleótidos que codifican para proteínas, mientras que los intrones son las regiones no codificantes. El empalme de ARN es el proceso por el cual se retiran los intrones y los exones se parchean juntos.

El empalme ocurre dentro del núcleo

El empalme está mediado por el empalme, un complejo de proteínas y ARN llamado pequeñas ribonucleoproteínas nucleares (snRNPs). El empalme reconoce secuencias específicas de nucleótidos en los límites de exón/intrón. En primer lugar, se une a una secuencia que contiene GU en el extremo de 5' del intrón y a una secuencia de punto de bifurcación que contiene una A hacia el extremo de 3' del intrón. En una serie de pasos cuidadosamente orquestados, otros snRNPs entonces acercan el punto de bifurcación cerca del sitio de empalme de 5'. Posteriormente, una reacción química corta el extremo de 5' del intrón de su exón ascendente y lo une al punto de rama, formando un bucle llamado lariat. Para liberar el lariat, el extremo 3' del exón ascendente reacciona con la secuencia que contiene AG del intrón cerca del extremo de 5' del exón aguas abajo. Esta reacción parchea los dos exones juntos y, por lo tanto, concluye el proceso de empalme.

El empalme permite la expresión de varias proteínas de un solo gen

El proceso por el cual se unen diferentes combinaciones de exones en pre-mRNA para formar ARNm maduro se denomina empalme alternativo. El empalme alternativo produce varias proteínas diferentes a partir de una sola transcripción previa al ARNM.

Normalmente, los exones se unen en el orden en que aparecen en un gen. Sin embargo, durante el empalme alternativo, esta secuencia preferida de exones puede ser alterada. Diferentes patrones de empalme alternativo incluyen saltos de exón, sitios de empalme alternativos de 5' o 3' y retención de intrones. Estos patrones se guían por la longitud de exones o intrones y la fuerza de los sitios de empalme. En consecuencia, los exones que son más cortos que otros exones pueden pasarse por alto por el empalme y se omiten del ARNm maduro. Por el contrario, los intrones que son significativamente más cortos que otros intrones pueden evadir la eliminación por el empalme y se conservan en el ARNm maduro.

La fuerza de los sitios de empalme está determinada por la conservación de la secuencia alrededor de exones alternativos; estos influyen en los sitios de empalme de 5' o 3' elegidos por el empalme. Por lo tanto, el empalme alternativo genera variantes de ARNm maduro que fueron copiadas del mismo tramo de ADN.

Durante la traducción, las variantes de secuencia de ARN producen diferentes proteínas con aminoácidos adicionales o menos, cambios en el marco de lectura o un codón de parada prematura. Esto genera isoformas proteicas con diferentes propiedades biológicas incluyendo la función, localización celular e interacción con otras proteínas. El empalme alternativo desempeña un papel vital en la expresión génica, controlando así el desarrollo de órganos, la supervivencia o proliferación celular y la adaptación a los cambios ambientales.

El empalme anormal puede causar enfermedades

Los errores en el empalme pueden ser causados por mutaciones en el propio gen o en los elementos reguladores que controlan la expresión del gen. Una mutación que ocurre en la secuencia de exón o cisintrón de una transcripción genética específica se denomina cis-mutación. Una mutación en la maquinaria de empalme transafecta a varios genes y se denomina transmutación.

Los errores en el empalme producen isoformas de proteínas aberrantes, que pueden contribuir a enfermedades, incluido el cáncer. Por ejemplo, el empalme alternativo del gen BCL2L1 genera una isoforma proteica larga y corta (BCL-XL y BCL-XS,respectivamente) mediante el uso de sitios alternativos de empalme de 5'. La isoforma BCL-XL más larga promueve la supervivencia celular y se expresa altamente en varios tipos de cánceres (por ejemplo, cáncer de sangre, mama y hígado). Expresión de la isoforma BCL-XS corta que promueve la muerte celular, se suprime en el cáncer.


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