Control transcripcional de la expresión enzimática

El control transcripcional de la expresión enzimática es la regulación de la cantidad de enzima que produce una célula ajustando la transcripción de los genes que la codifican. Al activar o desactivar los genes enzimáticos en respuesta a señales nutricionales, hormonales y de desarrollo, las células cambian la cantidad de enzima presente en horas en lugar de segundos, complementando el control rápido de la actividad por alosterismo y modificación covalente.

Definition

El control transcripcional de la expresión enzimática es la regulación de la abundancia de enzimas lograda controlando la velocidad a la que se transcriben los genes que codifican enzimas, típicamente a través de factores de transcripción que se unen a elementos reguladores del ADN y a través del estado de la cromatina de esos genes, estableciendo así la cantidad de proteína enzimática que se sintetiza.

Scope

Esta entrada cubre la lógica de la regulación de la abundancia enzimática a través de la expresión génica, incluyendo los factores de transcripción, los elementos de respuesta, el estado de la cromatina y la escala de tiempo más lenta de este control en relación con los mecanismos postraduccionales. Es un tema de referencia en la regulación enzimática y no proporciona orientación clínica o terapéutica.

Core questions

• ¿Cómo regula el metabolismo el cambio en la transcripción de un gen enzimático?
• ¿Por qué el control transcripcional es más lento que el control alostérico o covalente?
• ¿Cómo detectan los factores de transcripción el estado metabólico y ajustan la síntesis de enzimas?
• ¿Cómo influye la estructura de la cromatina en la expresión de un gen enzimático?

Key concepts

• Factores de transcripción y elementos de respuesta
• Genes enzimáticos inducibles versus constitutivos
• Control por retroalimentación de la abundancia de enzimas
• Modificación y accesibilidad de la cromatina
• Inducción hormonal y nutricional
• Escala de tiempo lenta en relación con el control postraduccional

Key theories

Transcripción de enzimas metabólicas regulada por esteroles

Brown y Goldstein demostraron que los factores de transcripción SREBP se mantienen en la membrana y se liberan por proteólisis regulada cuando los esteroles son bajos, y luego activan la transcripción de genes para enzimas sintetizadoras de colesterol y ácidos grasos, lo que ilustra el control por retroalimentación de la abundancia de enzimas a nivel de transcripción.

Mechanisms

Para cambiar la cantidad de enzima presente, las células regulan la transcripción de los genes correspondientes. Los factores de transcripción específicos de secuencia se unen a elementos reguladores del ADN cerca de un gen y reclutan o bloquean la maquinaria de transcripción, aumentando o disminuyendo la producción de ARN mensajero y, por lo tanto, de proteína enzimática. Estos factores a menudo actúan como sensores: las hormonas, los nutrientes y los metabolitos alteran su actividad, como en el sistema SREBP, donde los esteroles bajos desencadenan una proteólisis regulada que libera un factor de transcripción activo para activar las enzimas sintetizadoras de lípidos. La accesibilidad de los genes enzimáticos se rige además por las modificaciones de la cromatina, que abren o cierran regiones del ADN a la transcripción. Debido a que este control requiere la síntesis y el recambio de ARNm y proteínas, opera durante horas y ajusta los niveles de enzimas en estado estacionario para cambios sostenidos en la demanda; el control traslacional posterior añade un nivel adicional a la velocidad de síntesis de proteínas.

Clinical relevance

Muchas adaptaciones hormonales y metabólicas, y la acción de varias clases de fármacos, funcionan cambiando la transcripción de los genes enzimáticos, por lo que este control es fundamental para la bioquímica en medicina. Esta entrada describe el mecanismo como referencia y no es una base para decisiones de diagnóstico o tratamiento.

History

La síntesis regulada de enzimas se estableció por primera vez en bacterias a través de estudios de operones inducibles y represibles a mediados del siglo XX, que mostraron que la transcripción génica podía activarse en respuesta a los nutrientes. En eucariotas, el descubrimiento de factores de transcripción específicos y elementos de respuesta extendió el principio al control de las enzimas metabólicas, ejemplificado por la vía SREBP de Brown y Goldstein. El reconocimiento de la modificación de la cromatina, sintetizado por Kouzarides, añadió una capa epigenética, mientras que el trabajo sobre la iniciación de la traducción amplió la imagen de cómo se establece la abundancia de enzimas.

Key figures

• Michael Brown
• Joseph Goldstein
• Tony Kouzarides
• Nahum Sonenberg

Seminal works

• brown-goldstein-1997
• kouzarides-2007

Frequently asked questions

¿En qué se diferencia el control transcripcional del control alostérico de una enzima?

El control alostérico cambia la actividad de las moléculas enzimáticas ya presentes en cuestión de segundos, mientras que el control transcripcional cambia cuántas moléculas de enzima produce la célula, actuando durante horas.

¿Qué es una enzima inducible?

Es una enzima cuyo gen se transcribe y traduce solo cuando hay una señal específica, por lo que la célula produce la enzima cuando es necesaria en lugar de en todo momento.