Gen: la unidad de almacenamiento biológica

Conocimientos previos:

• ADN
• ARN
• Edición del ARN
• Transcripción
• Traducción
• Expresión génica
• Organelos
• Eucariotas
• Procariotas

Resumen

Un gen es una región de ADN que controla una característica hereditaria, que por lo general corresponde a una proteína o un ARN. Existen genes que pueden expresan una o varias proteínas llamados monocistrónicos y policistrónicos respectivamente. Para que un gen pueda producir una proteína es necesario producir un ARN mensajero maduro y traducirlo mediante el uso del código genético. Pero, ¿que ocurre cuando nuestro organismo comete errores?, ¿estos errores siempre son perjudiciales? Cuando ocurre un error dentro de una secuencia de un gen se le llama mutación. Las mutaciones juegan un papel tanto en los procesos biológicos normales como en los anormales, incluyendo la evolución de un organismo o el desarrollo de enfermedades.

Introducción

Un gen es una región de ADN y controla una característica hereditaria, que por lo general corresponde a una molécula de una proteína o de un ARN. El gen es considerado como la unidad que almacena la información genética y la herencia, ya que, transmite información de padres a hijos. Cada organismo de reproducción sexual cuenta con dos copias de material genético, una proveniente del padre y otra de la madre; esto permite tener dos versiones distintas de un mismo gen. Los genes pueden aparecer en versiones diferentes, con pequeñas variaciones en su secuencia lo que se denomina alelos. Los alelos pueden ser dominantes o recesivos, y cuando una sola copia de un alelo hace que se manifieste un rasgo o una caracteristica en un individuo (fenotipo), el alelo se denomina dominante. Cuando son precisas las dos copias del gen, para que se manifieste su efecto, el alelo se denomina recesivo (Lewin, 2004).

Los genes se disponen a lo largo de los cromosomas y ocupan una posición especifica llamada locus. Los genes que no codifican para proteínas pueden producir ARNs funcionales, como el ARN de transferencia (ARNt) o el ARN ribosomal (ARNr). Sin embargo, para generar una proteína se requiere generar una molécula de ARN mensajero (ARNm) que posteriormente se traducirá dentro de un organelo llamado ribosoma el cual generará las proteínas. Muchos genes se encuentran constituidos por regiones codificantes llamadas exones y están rodeadas por regiones no codificantes llamadas intrones. Estas secuencias son eliminadas en un proceso llamado “splicing” del ARN. En células bacterianas este procesamiento no ocurre, pues sus genes carecen de intrones. Los nucleótidos presentes en la secuencia del ARNm provienen del gen y determinará la secuencia de aminoácidos de una proteína por medio del código genético (Alberts et al., 2014).

Código genético

El código genético es el conjunto de reglas por las cuales la información codificada en el material genético y se traduce a proteínas. Dentro del ribosoma se lleva a cabo la traducción y ahí se unen los aminoácidos en un orden que es especificado por el ARNm utilizando para esto moléculas ARN de transferencia (ARNt) las cuales llevan un aminoácido. El ARNt lee los ARNm de tres nucleótidos a la vez y coloca un aminoácido para ir formando una proteína (figura 1). En general el código genético es muy similar entre todos los organismos y se puede expresar en una tabla simple con 64 entradas (tabla 1) (Koonin & Novozhilov, 2009).

El código define la secuencia de tres de nucleótidos (codón), que especifican el aminoácido que se irá añadiendo durante la síntesis de proteínas. Cada aminoácido está codificado por uno o varios codones. La gran mayoría de los genes están codificados con exactamente el mismo código genético (ver tabla1), referido a menudo como el código genético canónico o estándar, aunque algunos códigos han evolucionado cambiando el código. Por ejemplo, en la síntesis de proteínas mitocondriales en humanos el código genético difiere del código estándar.

Tabla 1. Código genético estándar.

ARN policistrónico

La mayoría de los transcritos de los organismos eucarióticos son monocistrónicos, esto quiere decir, que contienen información para la producción de una sola proteína. Por otro lado, los ARN policistrónicos codifican más de una proteína. Estudios recientes han demostrado que ciertos organismos eucarióticos codifican genes que se encuentran organizados en grupos y se transcriben juntos como genes policistrónicos al igual que en las bacterias (Pi, Lee, & Lo, 2009).

Estructura y función 

La estructura de un gen (figura 2) está constituida por una secuencia de nucleótidos que componen varios elementos funcionales de los cuales generalmente solo una parte constituye la región que codificará una proteína. Las partes que constituyen un gen son:

• Secuencia reguladora: Una secuencia reguladora es un segmento de ácidos nucleicos capaces de aumentar o disminuir la expresión de genes específicos dentro de un organismo.
• Potenciador/silenciador : Un potenciador es una región corta de ADN que influenciado por una proteína llamada “factor transcripcional” (Ft activadores) aumentan la probabilidad de que la transcripción de un gen se produzca. Por el contrario, un silenciador es una región de ADN que se unen a un Ft represor. Cuando un Ft represor se une a la región silenciador, el ARN polimerasa interrumpe la transcripción de la secuencia de ADN a ARN. Con la transcripción bloqueada, la traducción del ARN en proteínas es imposible. Por lo tanto, los silenciadores previenen la expresión de genes a proteínas.
• Promotor: contienen secuencias específicas de ADN, como los elementos de respuesta que son secuencias cortas de ADN donde se une la ARN polimerasa con proteínas llamadas “factores transcripcionales” (Ft) que se encargan de reclutar a la ARN polimerasa y regular la expresión génica.
• Región 5’UTR: Esta región es importante para la regulación e iniciación de la transcripción a veces se traducen a un producto de proteína producto. Este producto puede regular la traducción del ARNm.
• Marco de lectura abierto (ORF): El marco de lectura abierto es la parte de un gen que contiene el potencial de ser traducido a una proteína. Un ORF es un tramo continuo de codones que contienen un codón de inicio y de paro (por lo general AUG para el inicio y UAA, UAG o UGA como codones de paro).
• Codón de Comienzo: Es el primer codón de un ARN mensajero transcrito (ARNm) traducido por un ribosoma. El codón de inicio siempre codifica para metionina en eucariotas y un Met modificado (fMet) en bacterias.
• Codón de paro: Es el codón de paro se encuentra dentro de una secuencia del ORF el cual indica la terminación de la traducción de la proteína.
• Región 3’UTR: La región 3’UTR es la sección de un gen que sigue inmediatamente a la traducción codón de terminación. Las regiones reguladoras de la región 3 ‘no traducida pueden influir poliadenilación, la eficiencia de traducción, localización, y la estabilidad del ARNm.
• Secuencia Terminador: es una sección del gen que marca el final de un gen u operón durante la transcripción. Esta secuencia regula el término de la transcripción, proporcionando señales en que liberan el ARNm del complejo transcripcional, liberando la ARN polimerasa y la maquinaria transcripcional para comenzar una transcripción de nuevos ARNm.
• Exón: un exón es cualquier parte de un gen que codifica una parte del ARNm. El término exón se refiere tanto a la secuencia de ADN dentro de un gen como a la secuencia correspondiente en las transcripciones de ARN. Durante el splincing del ARN, los intrones son eliminados y los exones se unen entre sí generando un ARN mensajero maduro. Al igual que el conjunto completo de genes para una especie constituye el genoma, todo el conjunto de los exones constituye el exoma.
• Intrón: Un intrón es cualquier secuencia de nucleótidos dentro de un gen que se elimina durante el splincing del ARN como parte del proceso de maduración del ARN. Los intrones se encuentran en los genes de la mayoría de organismos y muchos virus, y pueden estar situados en una amplia gama de genes. Los intrones no codifican productos de proteínas, pero son esenciales para la regulación de la expresión génica. Algunos intrones codifican ARN funcionales a través de procesamientos adicionales después de splincing generando moléculas de ARNs no codificantes (Alberts et al., 2014; Lewin, 2004).

Mutaciones 

Durante la división celular el ADN tiene que replicarse es decir generar una copia exacta de este material por lo cual existen elementos que regulan este proceso con extrema precisión, sin embargo, con frecuencia pueden ocurrir errores en la replicación donde surge un cambio en la secuencia original de nuestro material genético, a estos errores se le conoce como mutación. A pesar de que existen finos mecanismos de reparación celular que evitan que esto suceda, las mutaciones en un gen pueden originarse por la exposición de agentes químicos o biológicos como exposición con otros organismos como bacterias y virus que alteran la replicación del material genético. Las mutaciones pueden resultar en inserciones (se agrega uno o varios nucleótidos) o deleciones (se elimina un segmento de ADN) entre otras y pueden o no producir cambios en las características observables (fenotipo) de un organismo. Estas mutaciones además pueden ser heredadas cuando afectan a las células reproductivas. Las mutaciones juegan un papel tanto en los procesos biológicos normales como en los anormales, incluyendo: la evolución de un organismo o el desarrollo de enfermedades. A pesar de las consecuencias negativas que pueden causar algunas mutaciones, estas son esenciales para la adaptación y evolución de las especies, ya que, sin la mutación no habría cambios y sin cambio la vida no podría existir (Klug, Cummings, Spencer, & Palladino, 2013).