Concepto de gen y regulación de la expresión genética

El material genético de una célula incluye su ADN (que en el caso de los eucariotas supone tanto el ADN nuclear como el de los orgánulos que lo poseen) y el ARN presente en la célula en un momento determinado. El conjunto de todo el ADN de la célula recibe el nombre de genoma, mientras que el conjunto del ARN presente en ella, que es una selección de este material genético, se denomina transcriptoma.

No todo el ADN de una célula sirve de molde para producir ARN, o lo que es lo mismo: existen diferencias considerables entre el genoma y el transcriptoma de la célula. La porción de ADN que no da lugar a ARN se denomina no codificante y, aunque hace algún tiempo se denominaba "ADN basura" hoy se sabe que juega importantes papeles en el funcionamiento celular. Según el número de veces que una secuencia de ADN no codificante aparece en el genoma se distinguen los siguientes tipos:

• ADN altamente repetitivo: está formado por secuencias cortas de nucleótidos que se repiten un elevado número de veces a lo largo de un fragmento de la molécula de ADN. Aparece especialmente en los centrómeros y los telómeros, por lo que se supone que juega un papel estructural.
• Los telómeros se encuentran en el extremo de los cromosomas. Son particularmente ricos en C+G, lo que hace que en ellos ambas hebras de la doble hélice se mantengan estrechamente unidas, ya que estas bases forman entre sí tres enlaces por puente de hidrógeno frente a los dos que forman A y T. Parece ser que los telómeros sirven para mantener la integridad estructural de los cromosomas, como parece desprenderse del hecho de que las células que sufren más divisiones tienen telómeros más cortos.
• Los centrómeros permiten la unión de las cromátides entre sí y con los microtúbulos del huso acromático durante la división celular.
• ADN moderadamente repetitivo, disperso a lo largo de los cromosomas.
• ADN de copia única. Una buena parte de este ADN tiene funciones relacionadas con la regulación de la expresión génica, es decir, con los procesos que determinan qué genes se expresan en un momento dado.

El ADN codificante también puede encontrarse como material genético de "copia única", en cuyo caso lleva información para proteínas, o como ADN moderadamente repetitivo, que incluye los genes que codifican para las histonas o para los ARN ribosómicos y transferentes.

En resumen, las zonas del genoma que llevan información para la síntesis de proteínas representan solo una pequeña parte del mismo, aproximadamente el 3%, lo que no significa que el resto no cumpla con importantes funciones dentro de la célula.

Existen diferencias significativas entre la organización del genoma de procariotas y de eucariotas:

PROCARIOTAS	EUCARIOTAS
Un único cromosoma (genóforo). Pueden existir, además, elementos accesorios (plásmidos).	Existen siempre varios cromosomas en el núcleo, además del genoma de los orgánulos que lo poseen
Genes dispuestos uno a continuación del otro; existe poco ADN espaciador. En ocasiones, los genes pueden estar incluso solapados.	Genes separados entre sí por largas regiones de ADN espaciador.
Casi todas las secuencias del genoma codifican o son secuencias reguladoras.	Existen muchas secuencias no codificantes, gran parte de ellas repetitivas
Los genes son continuos	Las secuencias codificantes de los genes (exones) está interrumpida por secuencias que no llegan a formar parte de las moléculas codificadas (intrones).

La información genética de los organismos está organizada en unidades llamadas genes. Actualmente se sabe que algunos genes (entendidos como fragmentos de ADN que son transcritos en el mismo proceso) codifican más de una macromolécula. Lo que sucede en esos casos es que la molécula inicialmente sintetizada es modificada para dar lugar a otras más pequeñas, como sucede en el caso de los genes que codifican para los ARN ribosómicos, o en muchos genes estructurales bacterianos. También se sabe que algunas proteínas constan de varias cadenas polipeptídicas (proteínas con estructura cuaternaria), por lo que son codificadas por más de un gen.

Por último, el conocimiento a escala molecular de los procesos relacionados con la expresión genética ha permitido saber que no toda la secuencia de nucleótidos necesaria para la formación de la macromolécula funcional resultado del gen llega a "manifestarse" en esa molécula. Dicho de otra forma, cada gen incluye secuencias de nucleótidos que son necesarias para desarrollar su función, pero que no son "visibles" en el resultado final de su expresión. Esas secuencias incluyen las zonas que dirigen la transcripción (regiones promotoras) y los intrones, fragmentos de ADN que, en los genes eucariotas, se encuentran intercalados entre las regiones que sí que van a dar lugar a la macromolécula final, a modo de "intermedios" intercalados en un programa de televisión.

La definición actual del término gen incluye una doble perspectiva:

• Desde el punto de vista funcional, un gen es la unidad mínima de información genética que puede heredarse.
• Desde el punto de vista estructural se trata de una secuencia lineal y organizada de nucleótidos que contiene la información necesaria para dar lugar a una macromolécula con función celular específica. En este concepto se incluyen tanto las proteínas como los ARN. 

Regulación de la expresión génica

Todas las células somáticas de un mismo organismo presentan, en principio, el mismo genoma. No ocurre así con las células germinales (óvulos o espermatozoides), ya que éstas son el resultado de una meiosis, de modo que solo poseen una copia de cada uno de sus genes. Sin embargo, el transcriptoma de dos células distintas puede ser diferente, en función del tejido del que forman parte y de su estado fisiológico (fase del ciclo celular en la que se encuentran, disponibilidad de nutrientes, estado del organismo que influye sobre cada una de las células...). En cada célula existe un conjunto de genes que se expresan de modo casi permanente, en las condiciones de vida habituales para ella (genes constitutivos), mientras que otros solo se expresan en ciertas condiciones, o no se expresan nunca (genes no constitutivos o facultativos). La regulación de la expresión génica incluye los mecanismos que permiten activar o detener los genes facultativos y, en ciertas condiciones, detener la expresión de los constitutivos.

El conjunto de procesos que determinan qué genes de la célula se transcriben en un momento determinado constituye la regulación genética. Los mecanismos de regulación son de extraordinaria importancia para la célula, porque le permiten tener en cada momento todas las macromoléculas que necesitan para realizar sus funciones, y solo aquellas que utilizan en cada momento, ajustando de este modo su fisiología de un modo óptimo.

En procariotas los principales mecanismos de regulación afectan a la transcripción de los genes, es decir, al proceso mediante el cual éstos son leídos para producir una molécula de ARN. En general, la unión de la ARN polimerasa al promotor (la secuencia que contiene la TATA box, justo junto al inicio de la transcripción) requiere, además, la participación de otras proteínas que también tienen capacidad para unirse al ADN en otras zonas de su secuencia, las regiones reguladoras del gen que se va a transcribir. Normalmente, en estos tipos de organismos los mecanismos de regulación actúan simultáneamente sobre un conjunto de genes cuyos productos están relacionados, porque intervienen en la misma ruta metabólica. El conjunto de elementos que intervienen en un proceso unitario de regulación de la expresión génica se denomina operón.

Cada operón incluye varias secuencias genéticas, algunas de las cuales se encuentran juntas, mientras que otras pueden estar alejadas dentro del cromosoma bacteriano:

• Los genes estructurales: se trata de la región codificante, que da lugar a las proteínas cuya síntesis se regula. Normalmente en los procariotas una única región del ADN que se transcribe de una sola vez sirve de molde para la síntesis de varias proteínas relacionadas.
• El promotor, zona del ADN donde se une la ARN polimerasa. Incluye la TATA box, y es adyacente a la región codificante.
• La región reguladora. Esta zona es el punto de unión de las proteínas reguladoras, las cuales permiten o impiden, según los casos, la unión de la ARN polimerasa al promotor y. por tanto, la transcripción del gen.
• El gen que codifica la proteína reguladora está, en realidad, fuera del operón, pero guarda relación con su funcionamiento.

La regulación de la expresión génica ocurre como respuesta a una situación fisiológica de la célula. Se desencadena como consecuencia de un estímulo, que es una molécula capaz de unirse a la proteína reguladora. Este hecho hace que dicha proteína cambie su capacidad de asociarse con el ADN, modificando en cadena la posibilidad de que la ARN polimerasa realice su trabajo.

Existen dos tipos fundamentales de operones, en función de cómo reaccionen al estímulo. Los operones inducibles, como el operón lactosa de Escherichia coli, responden a la llegada del estímulo haciendo que se inicie la transcripción de los genes regulados. Por el contrario, los operones represibles, como el operón triptófano de la misma bacteria, responden haciendo que se detenga la transcripción de esos genes.

Los eucariotas tienen un genoma y un proceso de expresión génica más complejo que los procariotas  (incluye, por ejemplo, la necesidad de que el ARN sea procesado después de su síntesis). Esto permite que existan más sistemas de control de la expresión:

• Mecanismos pre-traduccionales: afectan a la integridad del propio genoma o a la estructura del ADN. Por ejemplo, los glóbulos rojos pierden todos sus genes (es un caso extremo), mientras que en ciertas células de algunos organismos el ADN de determinados genes se multiplica más de lo normal, produciéndose en múltiples copias (amplificación génica). Otro mecanismo de control es la modificación química de ciertas bases, en concreto las citosinas de la región promotora de determinados genes, que dificultan su transcripción.
• Mecanismos transcripcionales: los eucariotas poseen también mecanismos similares a los operones de procariotas, es decir, regiones reguladoras que modifican la unión de las ARN polimerasas. En este caso, esas regiones reguladoras pueden estar lejos o cerca del promotor del gen. Además de estos mecanismos, pueden existir promotores con distintas características, o utilizarse factores de iniciación de la transcripción diferentes para distintos tipos de genes.
• Mecanismos postranscripcionales: en los organismos eucariotas puede modificarse la maduración del ARN de algunos genes de unos tejidos a otros. También puede alterarse el punto de finalización del gen, modificando el lugar donde se añade la cola poliA, o la estabilidad del ARN sintetizado.
• Mecanismos traduccionales y postraduccionales: finalmente, puede estar regulado el proceso de traducción o el ciclo de vida de la proteína sintetizada.