Un gen estructural es un gen que codifica cualquier ARN o producto proteico que no sea un factor regulador (es decir, una proteína reguladora ). Un término derivado del operón lac , los genes estructurales se consideran típicamente como aquellos que contienen secuencias de ADN correspondientes a los aminoácidos de una proteína que se producirá, siempre que dicha proteína no funcione para regular la expresión génica. Los productos de genes estructurales incluyen enzimas y proteínas estructurales. También están codificados por genes estructurales los ARN no codificantes, como los ARNr y los ARNt (pero excluyendo cualquier miARN regulatorio y ARNip ).
Colocación en el genoma
En los procariotas , los genes estructurales de función relacionada son típicamente adyacentes entre sí en una sola hebra de ADN, formando un operón . Esto permite una regulación más simple de la expresión génica, ya que un solo factor regulador puede afectar la transcripción de todos los genes asociados. Esto se ilustra mejor con el bien estudiado operón lac , en el que tres genes estructurales ( lacZ , lacY y lacA ) están todos regulados por un solo promotor y un solo operador. Los genes estructurales procariotas se transcriben en un ARNm policistrónico y posteriormente se traducen. [1]
En eucariotas , los genes estructurales no se colocan secuencialmente. En cambio, cada gen está compuesto por exones codificantes e intrones no codificantes intercalados . Las secuencias reguladoras se encuentran típicamente en regiones no codificantes aguas arriba y aguas abajo del gen. Los ARNm de genes estructurales deben empalmarse antes de la traducción para eliminar las secuencias intrónicas. Esto, a su vez, se presta al fenómeno eucariota del corte y empalme alternativo , en el que un solo ARNm de un solo gen estructural puede producir varias proteínas diferentes en función de las cuales se incluyen los exones. A pesar de la complejidad de este proceso, se estima que hasta el 94% de los genes humanos están empalmados de alguna manera. [2] Además, se producen diferentes patrones de empalme en diferentes tipos de tejido. [3]
Una excepción a este diseño en eucariotas son los genes de las proteínas histonas, que carecen por completo de intrones. [4] También son distintos los grupos de ADNr de genes estructurales, en los que las secuencias 28S, 5.8S y 18S son adyacentes, separadas por breves espaciadores transcritos internamente, y del mismo modo el ADNr 45S se encuentra en cinco lugares distintos del genoma, pero se agrupa en repeticiones adyacentes. En las eubacterias, estos genes se organizan en operones. Sin embargo, en las arqueobacterias, estos genes no son adyacentes y no presentan ningún enlace. [5]
Papel en la enfermedad humana
La identificación de la base genética del agente causante de una enfermedad puede ser un componente importante para comprender sus efectos y su propagación. La ubicación y el contenido de los genes estructurales pueden dilucidar la evolución de la virulencia, [6] así como proporcionar la información necesaria para el tratamiento. Asimismo, comprender los cambios específicos en las secuencias de genes estructurales subyacentes a una ganancia o pérdida de virulencia ayuda a comprender el mecanismo por el cual las enfermedades afectan a sus huéspedes. [7]
Por ejemplo, se descubrió que Yersinia pestis (la peste bubónica ) porta varios genes estructurales relacionados con la virulencia y la inflamación en los plásmidos. [8] Asimismo, se determinó que el gen estructural responsable del tétanos también estaba presente en un plásmido. [9] La difteria es causada por una bacteria, pero solo después de que esa bacteria ha sido infectada por un bacteriófago que lleva los genes estructurales de la toxina. [10]
En el virus del herpes simple , la secuencia del gen estructural responsable de la virulencia se encontró en dos lugares del genoma a pesar de que solo un lugar produce realmente el producto génico viral. Se planteó la hipótesis de que esto serviría como un mecanismo potencial para que las cepas recuperen la virulencia si se pierden por mutación. [11]
Comprender los cambios específicos en los genes estructurales que subyacen a una ganancia o pérdida de virulencia es un paso necesario en la formación de tratamientos específicos, así como el estudio de los posibles usos medicinales de las toxinas. [10]
Filogenética
Ya en 1974, la similitud de secuencias de ADN se reconoció como una herramienta valiosa para determinar las relaciones entre taxones. [12] Los genes estructurales en general están más altamente conservados debido a la restricción funcional, por lo que pueden resultar útiles en los exámenes de taxones más dispares. Original analiza muestras enriquecidas para genes estructurales mediante hibridación con ARNm. [13]
Los enfoques filogenéticos más recientes se centraron en genes estructurales de función conocida, conservados en diversos grados. Las secuencias de ARNr son objetivos frecuentes, ya que se conservan en todas las especies. [14] La microbiología se ha centrado específicamente en el gen 16S para determinar las diferencias de nivel de especie. [15] En taxones de orden superior, COI ahora se considera el "código de barras de la vida" y se aplica para la mayoría de las identificaciones biológicas. [dieciséis]
Debate
A pesar de la clasificación generalizada de genes como estructurales o reguladores, estas categorías no son una división absoluta. Los recientes descubrimientos genéticos ponen en tela de juicio la distinción entre genes reguladores y estructurales. [17]
La distinción entre genes reguladores y estructurales se puede atribuir al trabajo original de 1959 sobre la expresión de la proteína del operón Lac. [18] En este caso, se detectó una única proteína reguladora que afectó la transcripción de las otras proteínas que ahora se sabe que componen el operón Lac. A partir de este momento, se separaron los dos tipos de secuencias codificantes. [18]
Sin embargo, los crecientes descubrimientos de la regulación genética sugieren una mayor complejidad. La expresión de genes estructurales está regulada por numerosos factores que incluyen la epigenética (p. Ej., Metilación), ARNi y más. Los genes reguladores y estructurales pueden regularse epigenéticamente de forma idéntica, por lo que no toda la regulación está codificada por "genes reguladores". [17]
También hay ejemplos de proteínas que definitivamente no encajan en ninguna categoría, como las proteínas chaperonas . Estas proteínas ayudan en el plegamiento de otras proteínas, una función aparentemente reguladora. [19] [20] Sin embargo, estas mismas proteínas también ayudan en el movimiento de sus proteínas acompañantes a través de las membranas, [21] y ahora se han implicado en las respuestas inmunitarias (ver Hsp60 ) [22] y en la vía apoptótica (ver Hsp70 ). [23]
Más recientemente, se descubrió que los microARN se producían a partir de los espaciadores transcritos internos de genes de ARNr. [24] Por tanto, un componente interno de un gen estructural es, de hecho, regulador. También se detectaron sitios de unión para microARN dentro de secuencias codificantes de genes. Normalmente, los ARN de interferencia se dirigen a la 3'UTR, pero la inclusión de sitios de unión dentro de la secuencia de la proteína en sí permite que las transcripciones de estas proteínas regulen eficazmente los microARN dentro de la célula. Se demostró que esta interacción tiene un efecto sobre la expresión y, por lo tanto, nuevamente un gen estructural contiene un componente regulador. [25]
Referencias
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enlaces externos
- Modelo de Lac Operon
- El navegador de proteínas SGC
- Base de datos SILVA de datos de secuencia de ARNr alineados
- Base de datos de códigos de barras de la vida de especies con códigos de barras COI