Las secuencias reguladoras , también llamadas secuencia-cis , forman parte del ADN no codificante (secuencias genómicas que no se traducen en proteína) y que influyen en el nivel de transcripción de los genes. Son reconocidos por factores de transcripción , llamados factor trans, que funcionan de diferentes formas, aumentando o disminuyendo la expresión del gen. Las secuencias reguladoras intervienen así al nivel del inicio de la transcripción en la regulación de la expresión de genes . Los promotores se identifican en primer lugar como los elementos esenciales para la transcripción, siendo el sitio de unión de la ARN polimerasa y de los factores de transcripción generales necesarios para la iniciación. Las regiones que modulan la transcripción se identificaron luego como potenciadoras en eucariotas. Estos últimos se localizan en su mayor parte cadena arriba del promotor, él mismo ubicado cadena arriba de la secuencia codificante . A veces incluso se colocan a gran distancia, alcanzando más de 10 kb desde el sitio de inicio de la transcripción. Por tanto, los factores de transcripción pueden inducir el plegamiento del ADN para asegurar el contacto con el complejo iniciador.
La mayoría de los genes eucariotas están bajo el control de múltiples elementos reguladores. El mismo elemento puede actuar sobre varios genes y un gen dado puede estar bajo el control de una combinación de elementos. Diferentes combinaciones de factores aseguran el control y la coordinación de todos los genes.
Las secuencias reguladoras podrían representar alrededor del 17% del genoma humano mientras que las regiones codificantes de genes ( exones ) podrían representar el 2,9% según una estimación del proyecto ENCODE cuyo objetivo es determinar las funciones de todas las partes del genoma humano. Alguna vez se consideró que las secuencias reguladoras eran parte del ADN no codificante, ya que sus funciones se entendían poco.
Es posible fusionar el ADN de las secuencias reguladoras al ADN codificante mediante un gen indicador . A continuación, se mide la expresión del gen, generalmente a través de la actividad de la proteína producida. También es posible reemplazar fragmentos de ADN ( mutaciones de escaneo de enlazador ) en un promotor, lo que permite la caracterización de los elementos involucrados en la regulación. La mutación de nucleótidos específicos permite caracterizar con precisión los motivos implicados.
En los procariotas, las principales secuencias reguladoras de los operones son los promotores y operadores.
A partir del análisis de la secuencia de diferentes regiones promotoras, se han establecido secuencias consenso, de las cuales existen varios tipos. Uno de los promotores bacterianos más conocidos consta de dos secuencias conservadas de 6 nucleótidos, separadas por 17-19 nucleótidos no conservados. Se denominan recuadros -10 (secuencia de nucleótidos: TATAAT) y -35 (secuencia de nucleótidos: TTGACA), y los dígitos representan el número de nucleótidos corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción. En general, cuanto más se acerca la secuencia al consenso, más fuerte es el promotor. El número de transcripciones generadas a partir de este promotor en un período de tiempo determinado será mayor ya que tiene una mejor afinidad por el factor sigma. De hecho, es el factor sigma el que se une específicamente al promotor del gen y atrae la ARN polimerasa al comienzo del gen. Las secuencias promotoras orientan el factor y así determinan la orientación de la polimerasa en el ADN.
Los represores o activadores que se unen a secuencias reguladoras, generalmente operadores, también pueden actuar para controlar la expresión génica. Los represores impiden la unión de la ARN polimerasa al promotor o lo inmovilizan en el sitio para que no pueda iniciar la transcripción. Los activadores aumentan la afinidad de la polimerasa por el promotor y pueden actuar alostéricamente.
Un caso bien conocido de regulación génica en procariotas es el operón lactosa en E. coli .
En eucariotas, los factores de transcripción generales, denominados colectivamente TFII, permiten la asociación de la ARN polimerasa con el promotor y el inicio de la transcripción. Un complejo mediador también forma un vínculo entre la polimerasa y los factores de transcripción vinculados a las secuencias reguladoras.
El promotor de eucariotas se compone generalmente de 2 o 3 secuencias conservadas separadas por nucleótidos no conservados. Los factores de transcripción generales reconocen estas secuencias y, en conjunto, desempeñan el mismo papel que el factor sigma en las bacterias. La formación del complejo de preiniciación se produce en la caja TATA cuando está presente. Esta es una secuencia conservada en -25 / -35 bases corriente arriba del sitio de cebado y determina el sitio de inicio de la transcripción.
Los sitios potenciadores fueron identificados por primera vez por Walter Schaffner en 1981, que estaba estudiando el promotor del virus SV40. Se encontró que estas secuencias estimulan promotores distintos a los de SV40 y que su efecto no depende de su orientación, ni de la distancia que las separa del sitio de inicio de la transcripción.
Los represores pueden actuar de varias formas. Pueden interferir con los activadores, ya sea uniéndolos directamente o uniendo sus sitios de unión. Pueden interactuar con el complejo de iniciación evitando que la polimerasa o uno de los factores generales de transcripción acceda al promotor. También pueden mantener la polimerasa al promotor utilizando un dominio de unión proteína-proteína. Pueden compactar la cromatina y hacer que los genes sean inaccesibles al reclutar histona metiltransferasa e histona desacetilasa .
ActivadoresAyudan en el reclutamiento de la polimerasa a un promotor débil (unión cooperativa) o estimulan la transcripción provocando un cambio conformacional en la ARN polimerasa o ADN del promotor ( alosteria ).
Los activadores son típicamente modulares y consisten en un dominio de unión al ADN y un dominio de activación. Los activadores de la transcripción rara vez actúan directamente sobre la ARN polimerasa. Pueden reclutar indirectamente la polimerasa en complejo con el mediador o factores generales de transcripción. Pueden reclutar factores modificadores de histonas como histona acetiltransferasa y complejos remodeladores, que alteran la cromatina para permitir el acceso a sitios de unión específicos en el ADN.
Ciertas proteínas llamadas aisladores se unen al ADN en regiones entre un promotor y su activador. Estas proteínas evitan que el activador actúe sobre un promotor, pero sin inhibir directamente uno u otro.
Gal4, un factor de transcripción en levadura, se une a la secuencia SAAG en presencia de galactosa y activa la transcripción de GAL1, un gen necesario para el metabolismo de la galactosa, hasta 1000 veces el nivel basal.
Canales de señalizaciónVarias vías de señalización se dedican en gran parte a la regulación de factores de transcripción. Una célula de mamífero típica puede expresar receptores para más de cien moléculas cuya función principal es regular la actividad de los factores de transcripción. Varias de estas vías de señalización están reguladas por la actividad del receptor quinasa, como los receptores TGFβ y el receptor tirosina quinasa (RTK).
Las hormonas liposolubles pueden influir directamente en la actividad de una familia de factores de transcripción (receptores nucleares) que producirán respuestas génicas a través de su unión a secuencias reguladoras.
Los genes transcritos de forma activa se encuentran en las áreas descondensadas de la cromatina, ya que estas regiones son más accesibles a los factores de transcripción. Esto se debe a que los factores de remodelación de los nucleosomas pueden desmembrar los nucleosomas al nivel de las secuencias reguladoras, lo que permite que los factores de transcripción alcancen la cadena de ADN. Los activadores luego evitan el bloqueo por histonas y permiten el reclutamiento de ARN polimerasa al promotor y sus factores asociados. Las regiones del promotor y el potenciador durante la transcripción tienen menos nucleosomas, lo que las hace más sensibles a la ADNasa que el resto del gen. De hecho, las secuencias reguladoras de genes transcritos activamente se denominan sitios hipersensibles a la ADNasa. La ARN polimerasa puede iniciar la transcripción del gen mientras se desmontan los nucleosomas. El poder de desmontaje de la polimerasa es posible mediante la acetilación de histonas y su unión a las proteínas no histonas HMG-14 y HMG-17. Este último restringe la unión de la histona H1 responsable de la condensación de la cromatina.
Algunos genes se mantienen en silencio mediante la metilación del ADN de su región promotora. Las secuencias metiladas son reconocidas por proteínas de unión a ADN metiladas como MeCP2. Esta proteína, a su vez, recluta histonas desacetilasas y histonas metilasas que modifican la cromatina y hacen que la región sea imposible de transcribir.
La metilación del ADN es el actor principal en el establecimiento de la impronta parental, un mecanismo por el cual la expresión de un gen dependerá del origen parental. Una de las dos copias del gen es luego silenciada por los grupos metilo. Varios genes sujetos a la impronta parental están implicados en el desarrollo y crecimiento del embrión y la placenta. Otros están involucrados en el desarrollo posnatal, con roles que afectan la lactancia materna y el metabolismo.
Los factores de transcripción, al unirse a un potenciador, ayudan a dirigir la expresión génica durante el desarrollo embrionario y la diferenciación celular. De hecho, las células eucariotas tienen una gran cantidad de factores de transcripción, ya que los genes de los organismos multicelulares se expresan de manera elaborada. Su expresión es distinta en cada tejido y en cada etapa del ciclo celular. Este es particularmente el caso de los morfógenos que actúan sobre las secuencias reguladoras de genes para inducir respuestas celulares, lo que permite formar ejes de polaridad en el embrión.
La mayoría del ADN intergénico y las porciones no codificantes de genes (intrones) no están involucradas en la capacidad reproductiva y de supervivencia. Por tanto, la conservación de sus secuencias no está sujeta a presión selectiva. De hecho, la selección natural tiende a eliminar individuos cuyo genoma porta mutaciones en las secuencias codificantes del ADN así como en las secuencias reguladoras de genes. Estos elementos están disponibles para su conservación. Al comparar el genoma de diferentes especies, como humanos y ratones, es posible determinar cuáles son estas secuencias y determinar ciertos elementos funcionales del genoma.
Al estudiar las diferencias en las secuencias de ADN y en la organización de los genes, también es posible determinar el origen genético de ciertos rasgos. En cuanto a las secuencias reguladoras, sus modificaciones pueden aumentar o disminuir la afinidad de los factores de transcripción por sus sitios. También pueden permitir la unión a nuevos factores de transcripción o restringir el acceso a los antiguos. Esto puede modificar significativamente la respuesta y el desarrollo del organismo.
Se compararon los genomas del chimpancé y el humano y se estimó que los dos genomas diferían en un 4%, o decenas de millones de diferencias. Se prestó especial atención en particular al gen FOXP2, que codifica un factor de transcripción. En realidad, la proteína humana tiene dos aminoácidos diferentes a la del chimpancé. Además, según los cálculos, las modificaciones de este gen se produjeron durante los últimos 120.000 a 200.000 años, cuando parece aparecer la especie humana. Por tanto, es interesante observar que las personas con una mutación en el gen FOXP2 sufren problemas de habla y lenguaje. Estos individuos son notablemente incapaces de garantizar el delicado movimiento de los labios y la lengua necesarios para la comunicación vocal. Por lo tanto, los cambios en el gen FOXP2 pueden haber tenido un papel importante en la evolución humana para el establecimiento del lenguaje y la comunicación verbal.