Empalme de ARN y Empalme Alternativo

El empalme es el proceso que elimina los intrones de un pre-ARNm y une los exones restantes en una secuencia codificante continua. Cuando el mismo pre-ARNm puede empalmarse de más de una manera —empalme alternativo— un solo gen puede dar lugar a múltiples ARNm y proteínas distintas, expandiendo enormemente la capacidad codificante del genoma y proporcionando una capa importante de regulación génica.

Definition

El empalme de ARN es la eliminación de intrones y la ligación de exones en un pre-ARNm para formar una secuencia codificante madura; el empalme alternativo es el uso regulado de diferentes sitios de empalme para que un gen produzca múltiples isoformas de ARNm y proteínas.

Scope

Este tema cubre la química y la maquinaria del empalme de pre-ARNm por el espliceosoma, los patrones y la regulación del empalme alternativo, su contribución a la diversidad del proteoma y los intrones autoempalmables como precedentes catalíticos. Trata el empalme como un tema regulatorio y estructural dentro de la biología molecular y es de referencia-educativo, no una guía clínica.

Core questions

• ¿Cómo reconoce el espliceosoma los límites exón-intrón y cataliza la eliminación del intrón?
• ¿Cómo permite el empalme alternativo que un gen codifique muchas proteínas?
• ¿Qué señales y proteínas reguladoras controlan qué sitios de empalme se utilizan?
• ¿Cómo contribuyen los errores y la desregulación del empalme a la enfermedad?

Key concepts

• Intrones y exones
• Espliceosoma (ribonucleoproteínas nucleares pequeñas)
• Sitios de empalme 5' y 3' y punto de ramificación
• Salto de exones y elección alternativa del sitio de empalme
• Proteínas reguladoras del empalme (ej. familias SR y hnRNP)
• Diversidad de isoformas y expansión del proteoma
• Intrones autoempalmables

Key theories

ARN catalítico en el empalme

El descubrimiento de que un intrón del grupo I puede autoescindirse sin proteínas estableció que el ARN puede catalizar la química de transferencia de fosforilo del empalme, presagiando el núcleo catalítico centrado en el ARN del espliceosoma.

Mechanisms

La mayor parte del empalme de pre-ARNm es llevado a cabo por el espliceosoma, un complejo dinámico grande de ribonucleoproteínas nucleares pequeñas y proteínas que se ensambla en cada intrón, reconoce el sitio de empalme 5', el punto de ramificación y el sitio de empalme 3', y cataliza dos reacciones de transesterificación que escinden el intrón como un lazo y unen los exones flanqueantes. La elección de los sitios no es fija: las proteínas reguladoras que se unen a secuencias potenciadoras y silenciadoras sesgan la maquinaria hacia la inclusión u omisión de exones particulares, produciendo isoformas alternativas de manera específica para el tipo de célula y la etapa de desarrollo. En los genomas de vertebrados, el empalme alternativo es generalizado y una fuente importante de diversidad del transcriptoma y el proteoma. La química del empalme tiene un precedente de ARN catalítico en los intrones autoempalmables, que se eliminan a sí mismos sin el espliceosoma.

Clinical relevance

Las mutaciones que alteran los sitios de empalme o los reguladores del empalme causan o modifican muchas enfermedades genéticas y cánceres, y las moléculas moduladoras del empalme se han convertido en una estrategia terapéutica. Esta entrada presenta esa biología como antecedente educativo y no es una base para el diagnóstico o tratamiento individual.

History

El descubrimiento a finales de la década de 1970 de que los genes están divididos en exones e intrones implicó un mecanismo para eliminar los intrones, y el espliceosoma fue posteriormente caracterizado como la máquina responsable. El reconocimiento de que el empalme puede ocurrir en patrones alternativos lo transformó de un mero paso de maduración en un mecanismo regulador central, y estudios a nivel genómico mostraron más tarde cuán extensamente lo explotan los transcriptomas de vertebrados. El hallazgo anterior de intrones autoempalmables demostró que la química subyacente puede ser catalizada por ARN.

Key figures

• Phillip Sharp
• Richard Roberts
• Thomas Cech
• Adrian Krainer
• Benjamin Blencowe

Seminal works

• kruger-1982
• nilsen-2010
• barbosa-morais-2012

Frequently asked questions

¿Cuál es la diferencia entre empalme y empalme alternativo?

El empalme elimina intrones y une exones para formar un ARNm maduro; el empalme alternativo ocurre cuando el mismo pre-ARNm se empalma de más de una manera, por lo que un gen puede producir varias isoformas diferentes de ARNm y proteínas.

¿Qué máquina lleva a cabo la mayor parte del empalme de pre-ARNm?

El espliceosoma, un complejo grande de ribonucleoproteínas nucleares pequeñas y proteínas asociadas que reconoce los sitios de empalme y cataliza la eliminación de intrones.