Función del gen

Temas de esta página:

• Transcripción
• Traducción
• Resumen de la función génica

Los cromosomas de nuestras células contienen una enorme cantidad de información. Se calcula que los humanos tienen alrededor de 30.000 genes. Cada gen codifica una molécula de ARN que se utiliza directamente o como guía para la formación de una proteína, como la insulina mostrada anteriormente. En general, la información en nuestras células fluye en un orden predecible desde la forma de almacenamiento de la información (ADN) a través de la forma de trabajo (ARN) hasta el producto final (proteína). También se puede encontrar más información sobre los temas de esta página en la mayoría de los libros de texto de introducción a la biología, recomendamos Campbell Biology, 11ª edición.1 Esta vía es utilizada por todos los organismos y está diagramada a continuación.

Como se muestra, el ADN se utiliza como guía o plantilla para la producción de más ADN. Este proceso, conocido como replicación, se aborda aquí.

El proceso en el que se utilizan secciones particulares de ADN (genes) para producir ARN se conoce como transcripción. Trataremos la transcripción con cierto detalle porque las alteraciones en la transcripción de ciertos genes son muy importantes en el desarrollo del cáncer.

El conjunto de genes que están «encendidos» en un momento dado es fundamental. El entorno variable en el que vivimos hace que diferentes genes deban estar «encendidos» en diferentes momentos. Por ejemplo, si una comida contiene grandes cantidades de lactosa, un azúcar que se encuentra en la leche, nuestro cuerpo responde activando (transcribiendo) los genes que conducen a la producción de enzimas que descomponen la lactosa. Si hay un azúcar o un nutriente diferente, hay que activar los genes correctos para procesarlo.

Transcripción

El objetivo de la transcripción es hacer una copia de ARN de un gen. Este ARN puede dirigir la formación de una proteína o ser utilizado directamente en la célula. Todas las células con núcleo contienen exactamente la misma información genética. Como ya se ha dicho, sólo un pequeño porcentaje de los genes se utiliza realmente para fabricar ARN en un momento dado en una célula concreta. El proceso de transcripción está muy regulado en las células normales.

• Los genes deben transcribirse en el momento correcto.
• El ARN producido a partir de un gen debe fabricarse en la cantidad correcta.
• Sólo deben transcribirse los genes necesarios.
• Apagar la transcripción es tan importante como encenderla.

Puede imaginarse esto como una sofisticada línea de producción, como la que encontraría en una fábrica. Se querría que la línea de montaje funcionara cuando se necesitara el producto y se apagara cuando ya no se necesitara.

Los cromosomas humanos contienen una enorme cantidad de información. Cada cromosoma está compuesto por un único trozo de ADN extremadamente largo compuesto por millones de nucleótidos. Un gen individual ocupa sólo un pequeño tramo de un cromosoma.

En la siguiente animación se muestra la organización del ADN en un cromosoma. El ADN está fuertemente enrollado y en bucle para ocupar menos espacio, como si se tratara de un hilo enrollado en una bobina. El cromosoma que se muestra a continuación ha sido copiado o replicado y tiene una forma característica de X. Los cromosomas tienen este aspecto antes de la división celular.

Pasos de la transcripción

Para que la transcripción funcione, debe haber alguna forma de identificar dónde debe comenzar y detenerse el proceso. Esto se consigue mediante proteínas especiales, que se unen al inicio de los genes que se van a transcribir. Estas proteínas se denominan factores de transcripción.

El proceso de transcripción se divide en varios pasos:

1. Un factor de transcripción reconoce el sitio de inicio (promotor) de un gen que va a ser transcrito.

2. La enzima que fabrica el ARN (ARN polimerasa) se une al factor de transcripción y reconoce la región de inicio.

3. La enzima avanza por el ADN haciendo una copia hasta llegar al final del gen.

4. La enzima cae y el ARN se libera. Este proceso de copia puede repetirse numerosas veces.

5. Si el ARN es uno que codifica para una proteína, saldrá del núcleo y entrará en el citosol.

Recuerda que el gen representado arriba es en realidad un tramo de nucleótidos a lo largo de una molécula de ADN (el cromosoma).

La actividad inadecuada de los factores de transcripción se ha identificado en casi todos los tipos de cáncer conocidos. Dado que estos factores son esenciales para las actividades ordenadas de una célula, un componente que se comporte mal puede tener efectos importantes para todas las demás partes de la célula. Volviendo a la analogía de la cadena de producción, un factor de transcripción que se comporte mal puede hacer que la cadena de montaje se ponga en marcha cuando no debe hacerlo, creando demasiado producto. Alternativamente, la línea podría no estar encendida cuando se necesita, provocando un déficit de un producto concreto.

Factores de transcripción

Algunos ejemplos de factores de transcripción que funcionan mal en los cánceres humanos son:

• p53 (TP53)- El gen que codifica el factor de transcripción p53 (proteína) está mutado en más de la mitad de los cánceres de cualquier tipo. La proteína que codifica el gen p53 es importante porque controla la transcripción de los genes que participan en la división de las células. Puede encontrar más información sobre el gen p53 en la sección sobre supresores tumorales.
• Rb – El producto proteico de este gen es un factor de transcripción con una función interesante. En realidad, funciona bloqueando otros factores de transcripción. De este modo, Rb impide la transcripción de genes clave necesarios para que la división celular progrese. Inicialmente descrito como un gen mutado en el retinoblastoma, un cáncer de ojo del que el gen deriva su nombre, ahora se sabe que la proteína Rb desempeña un papel en muchos tipos de cáncer diferentes. Se puede encontrar más información sobre el gen Rb en la sección de supresores tumorales.
• El receptor de estrógeno (RE) – Esta proteína se une al estrógeno que entra en la célula. El estrógeno es una hormona esteroidea (lipídica) producida por los ovarios. La combinación de proteína y hormona actúa entonces como factor de transcripción para activar los genes que permiten la división de las células objetivo. El receptor está activo en las células de los órganos reproductores femeninos, como las mamas y los ovarios. Debido a esto, el estrógeno es reconocido como un factor que potencia el crecimiento de ciertos cánceres que surgen en estos tejidos.

El mecanismo de acción del estrógeno se muestra a continuación.

La pequeña bola verde representa el estrógeno. Es una pequeña molécula hidrofóbica y entra en las células atravesando la membrana lipídica. Una vez en la célula, el estrógeno se une a su receptor (de color naranja) y el complejo se une al ADN en el núcleo provocando la transcripción de los genes.

Se han desarrollado varios fármacos para intentar bloquear la función activadora de genes del estrógeno. Un ejemplo comúnmente recetado es el tamoxifeno, un fármaco que inhibe parcialmente la actividad del estrógeno. El tamoxifeno está coloreado en rosa en la siguiente animación.

Estos fármacos deberían frenar el crecimiento de los cánceres que crecen en respuesta a la presencia de estrógenos y su receptor. Se puede encontrar más información sobre los receptores de estrógeno y el cáncer en la sección sobre tratamientos del cáncer.

La importancia de los factores de transcripción para la división de las células se ha destacado en varias ocasiones. El cáncer es el resultado de una división celular descontrolada, por lo que el siguiente proceso a tratar es la división celular. Es importante entender cómo funciona normalmente este proceso para poder apreciar lo que ocurre cuando las cosas van mal.

Traducción

Después de que el ARN mensajero (ARNm) se produzca mediante el proceso de transcripción que acabamos de describir, el ARNm se procesa en el núcleo y luego se libera al citosol.

El ARNm es entonces reconocido por las subunidades ribosómicas presentes en el citosol y el mensaje es «leído» por el ribosoma para producir una proteína. La información para la dirección de la formación de la proteína está codificada en la secuencia de nucleótidos que componen el ARNm. Los grupos de tres nucleótidos (llamados codones) son «leídos» por el ribosoma y conducen a la adición de un aminoácido concreto en el polipéptido (proteína) en crecimiento. El proceso se representa de forma esquemática en la siguiente animación.

Una vez formada la proteína, ésta adquiere su estado de plegado activo y es capaz de realizar sus funciones en la célula. El correcto plegamiento, transporte, actividad y eventual destrucción de las proteínas son procesos altamente regulados.

Los genes que controlan estos procesos suelen estar dañados y no funcionan correctamente en las células cancerosas.

Se puede encontrar más información sobre este tema en el capítulo 1 de The Biology of Cancer de Robert A. Weinberg.

Resumen de la función de los genes

El dogma central

• El ADN de nuestros cromosomas contiene genes que se transcriben en ARN.
• Hay varios tipos diferentes de ARN (ARNt, ARNm, ARNr, etc.). Están compuestos por los mismos bloques de construcción pero tienen diferentes funciones, ubicaciones y estructuras.
• El ARN mensajero (ARNm) puede traducirse en una proteína. El flujo de información estándar es:
  • ADN→ARN→Proteína
• El conjunto de genes que están «encendidos» en un momento dado es fundamental. Diferentes genes necesitan estar ‘encendidos’ en diferentes momentos dependiendo de las necesidades y funciones de cualquier célula en particular.

Transcripción

• El objetivo de la transcripción es hacer una copia de ARN de un gen.
• Los factores de transcripción se unen al punto de partida de los genes para identificar el lugar donde comienza la transcripción.
• P53, Rb, el receptor de estrógeno son factores de transcripción que funcionan mal en los cánceres.
• El proceso de transcripción se divide en varios pasos distintos:
  1. El factor de transcripción reconoce y se une al lugar de inicio de un gen (promotor).
  2. Una enzima productora de ARN (ARN polimerasa) se une al factor de transcripción.
  3. La enzima hace una copia de ARN del gen.
  4. La enzima se desprende y el ARN se libera.
  5. El ARN permanecerá en el núcleo o saldrá al citosol.

Traducción

• El objetivo de la traducción es fabricar una proteína utilizando la información codificada en el ARNm.
• El proceso de traducción se divide en varios pasos:
  1. El ARNm sale del núcleo y es reconocido y unido por las subunidades ribosómicas en el citosol.
  2. El ribosoma «lee» el ARN tres nucleótidos (un codón) a la vez.
  3. El ribosoma inserta el aminoácido correspondiente al codón en la proteína en crecimiento.
  4. El ribosoma encuentra un codón de parada y termina la síntesis de la proteína.
  5. La proteína entra en un proceso de plegado altamente regulado y obtiene una estructura completamente plegada.
• Los genes que controlan el correcto plegamiento, transporte, actividad y eventual destrucción de las proteínas suelen estar dañados o funcionar mal en el cáncer.

• 1. Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Biología de Campbell (11ª ed.). Pearson.