Reglarea exprimării genelor la eucariote după terminarea transcrierii
După transcrierea ARN-ului, acesta trebuie procesat pentru a fi adus la o formă matură înainte de a începe traducerea. Această procesare, care are loc după ce o moleculă de ARN a fost transcrisă dar înainte de a fi tradusă într-o proteină, se numește modificare post-transcripțională. Similar etapelor epigenetică și transcripțională, etapa post-transcripțională poate fi reglată pentru a controla exprimarea genelor într-o celulă. Dacă ARN-ul nu este procesat, transportat sau tradus, atunci nici o proteină nu va fi sintetizată.
Îmbinarea ARN-ului, prima etapă a controlului post-transcripțional
În celulele eucariote, transcriptul de ARN conține adesea niște regiuni, numite introni, care nu codifică proteina și sunt îndepărtate înainte de traducere. Regiunile de ARN care codifică proteina se numesc exoni (Figura 8.7). O moleculă de ARN, după ce a fost transcrisă, dar înainte de a părăsi nucleul pentru a fi tradusă, este procesată și intronii ei sunt îndepărtați prin matisare (în engleză splicing). Matisarea se realizează cu ajutorul spliceozomilor, care sunt complexe ribonucleoproteice ce au următoarele capabilități: recunosc cele două capete ale intronului, taie transcriptul la cele două capete și aduc exonii alături pentru ligaturare.
Îmbinarea alternativă a ARN-ului
În anii 1970, au fost observate pentru prima dată gene ce prezentau o îmbinare alternativă de ARN. Îmbinarea alternativă a ARN-ului (Figura 8.7) este un mecanism care permite unei gene să producă produse proteice diferite atunci când diferite combinații de introni (și uneori exoni) sunt îndepărtate din transcript. Această îmbinare alternativă poate fi întâmplătoare, dar cel mai adesea este controlată, și acționează ca un mecanism de reglare a genelor, prin care celula folosește frecvența diferitelor alternative de îmbinare ca un mijloc de control al producției de diferite produse proteice, în diferite celule sau în diferite etape de dezvoltare.
Figura 8.7: Pre-ARNm-ul poate fi îmbinat alternativ pentru a crea diferite proteine.
În prezent se consideră ca îmbinarea alternativă este un mecanism comun de reglare a genelor eucariotelor; conform unei estimări, 70% din genele umane sunt exprimate de proteine multiple produse prin îmbinare alternativă. Deși există mai multe moduri de a îmbina alternativ bucățile de transcript ARN (Figura 8.8), ordinea originală 5′-3′ a exonilor este întotdeauna conservată. Adică, un transcript cu exonii 1 2 3 4 5 6 7 poate fi îmbinat drept 1 2 4 5 6 7 ori drept 1 2 3 6 7, dar niciodată 1 2 5 4 3 6 7.
Cum poate evolua îmbinarea alternativă? Deoarece intronii au o secvență de recunoaștere de început și una de sfârșit, este ușor să ne imaginăm mecanismul de îmbinare eșuând în încercarea de a identifica sfârșitul unui intron și identificând în schimb sfârșitul intronului următor, ceea ce duce la eliminarea a doi introni împreună cu exonul intermediar. Există mecanisme de prevenire a unui astfel de „salt” peste un exon, dar ele pot eșua din cauza mutațiilor. O astfel de „greșeală” ar produce, cel mai probabil, o proteină nefuncțională. Într-adevăr, cauza multor boli genetice este mai degrabă îmbinarea alternativă decât mutațiile dintr-o secvență de codificare.
Îmbinarea alternativă are totuși un avantaj: ea duce la o nouă proteină fără a pierde proteina originală, deschizând astfel posibilitatea de adaptare a noii variante la funcții noi. În același fel, duplicarea genelor joacă un rol important în apariția unor funcții noi, prin producerea unor gene care pot evolua fără a elimina proteina funcțională originală.
Figura 8.8: Există cinci moduri principale de îmbinare alternativă a ARN-ului.
Controlul stabilității ARN-ului
Acțiunea exonucleazelor[1] 5′ şi/sau 3′ poate deteriora moleculele de ARNm neprotejate. De aceea, înainte de a părăsi nucleul, molecula de ARNm primește două „capace” de protecție care împiedică degradarea capetelor sale în timpul călătoriei. Capacul de la capătul 5’ al catenei este compus dintr-o moleculă de trifosfat metilat de guanozină (GTP), așezată „inversat” la acel capăt al catenei, astfel încât atomii de carbon 5’ ai GTP să fie legați prin trei fosfați de nucleotida de ARNm terminală. Capacul de la capătul 3’ al catenei este compus dintr-un lanț lung de aproximativ 200 de nucleotide de adenină, cunoscut sub numele de coada poly-A. Aceste două modificări protejează capetele catenei de ARNm de atacul exonucleazelor.
Odată ce molecula de ARNm este transportată în citoplasmă, perioada ei de rezidență acolo poate fi controlată. Fiecare moleculă de ARNm are o durată de viață definită și se descompune cu o viteză specifică. Viteza ei de dezintegrare influențează cantitatea de proteine din celulă. Dacă viteza de dezintegrare crește, ARNm-ul nu va fi prezent în citoplasmă prea mult timp, reducând astfel timpul disponibil pentru traducerea sa. Dacă, însă, viteza de dezintegrare scade, molecula de ARNm va rămâne în citoplasmă mai mult timp și se poate traduce mai multă proteină. Această viteză de dezintegrare se numește stabilitatea ARN-ului. Dacă ARN-ul este stabil, atunci el se găsește în citoplasmă o perioadă mai lungă de timp.
Legarea unor proteine de catena de ARN poate influența, de asemenea, stabilitatea acesteia. Proteinele numite proteine de contact cu ARN-ului (RBP) se pot lega de regiunile de ARN exact în amonte sau în aval de regiunea de codificare a proteinei. Regiunile din ARN care nu sunt traduse în proteină se numesc regiuni netraduse (UTR). Ele nu sunt introni (care fuseseră îndepărtați în nucleu). Mai degrabă, ele sunt regiuni care reglează localizarea ARN-ului, stabilitatea sa și traducerea proteinei. Regiunea aflată imediat înaintea regiunii de codificare a proteinei se numește UTR 5′ iar regiunea aflată imediat după regiunea de codificare a proteinei se numește UTR 3′ (Figura 8.9). Legarea RBP-urilor de aceste regiuni poate mări sau poate reduce stabilitatea unei molecule de ARN, în funcție de proteina particulară care se leagă.
Figura 8.9: Proteinele de contact cu molecula de ARN. Regiunea de codificare a proteinei corespunzătoare unui ARNm procesat este flancată de regiunile netraduse (UTR) 5’ și 3’. Stabilitatea moleculei de ARN este influențată de prezența proteinelor de contact (RBP) cu ARN-ul la nivelul UTR 5’ sau la nivelul UTR 3’.
Stabilitatea ARN-ului și a microARN-ului
De molecula de ARN se mai pot lega, pe lângă RBP-urile care controlează (prin creștere ori scădere) stabilitatea ARN-ului, niște elemente numite microARN sau miARN. Elementele miARN sunt de fapt niște molecule de ARN scurte, având lungimea între 21 și 24 de nucleotide. Moleculele de miARN sunt, mai întâi, produse în nucleu sub forma unor molecule de pre-miARN mai lungi. Molecule de pre-miARN sunt apoi fărâmițate, cu ajutorul unei proteine numită Dicer, în molecule mature de miARN. Similar factorilor de transcriere și RBP-urilor, moleculele mature de miARN recunosc o anumită secvență de ARN și se leagă de ea. Moleculele de miARN se mai pot asocia cu un complex ribonucleoproteic numit complex de tăcere indusă de ARN (RISC). Componenta ARN a complexului RISC formează perechi de baze nucleotidice cu secvențele complementare de ARNm și fie împiedică traducerea, fie duce la degradarea ARNm-ului.