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FUNCIÓN HETEROCATALÍTICA DEL DNA

La manera como el RNA evolucionó para llegar a ser un intermediario entre DNA y proteína es un problema para la especulación; no es un problema que se pueda resolver por vía de la experimentación científica reproducible. En la actualidad el hecho importante es que el RNA desempeña un papel central en la expresión de los genes, no solo como mensajero directo (mRNA), sino también como suministrador de los medios para la "traducción" del mensaje (rRNA y tRNA). Este segundo hecho sí encaja perfectamente dentro de las posibilidades de entendimiento por vía de la experimentación científica.

TRANSCRIPCIÓN
Todos los RNA celulares se originan por la transcripción del DNA. Virus con RNA como material genético y que infectan células eucarióticas o células procarióticas, han evolucionado mecanismos para replicar su RNA para lo cual especifican enzimas que sintetizan RNA usando el propio RNA como molde. Esos son los dos orígenes de los RNA contemporáneos, pero en células eucarióticas ocurre otra reacción de origen viral en la que se utiliza RNA como molde para sintetizar DNA; se trata de la transcripción inversa, una reacción que con sus respectivas enzimas (la transcriptasa a la inversa también llamada retrotranscriptasa) ha evolucionado en el grupo de virus llamado retrovirus. La característica crítica de la transcripción es que un segmento de DNA se transcribe produciendo una sola molécula de RNA y de este hecho podemos derivar la noción de unidad de transcripción que puede contener ás genes.

El principal aspecto en la regulación de la expresión de los genes (y naturalmente el establecimiento del fenotipo celular) ocurre en el control de la iniciación de la transcripción. La decisión de transcribir o no un gen, decisión que se toma y se regula en el paso de iniciación, es casi siempre el evento principal y frecuentemente es el único evento en el control de la expresión de los genes. Organismos eucarióticos tienen en su armamentario bioquímico, además de la regulación de la iniciación de la transcripción, una amplia batería de eventos postrancripcionales que pueden ser reguladores. La iniciación de la transcripción es un proceso inherentemente asimétrico, ya que solo una de las dos bandas del DNA se transcribe, la banda llamada la banda con sentido o también banda codificadora, mientras que la banda complementaria que no se transcribe se le llama banda antisentido aunque no hay realmente un acuerdo al respecto de esta nomenclatura pues algunos autores utilizan la nomenclatura opuesta. El problema se origina porque el RNA que se produce por transcripción es realmente complementario a la banda con sentido y es idéntico en secuencia a la banda sin sentido.

Miles de genes tienen que ser encendidos y apagados en una manera regulada en forma temporal y espacial para producir los patrones particulares de expresión de genes en células de organismos eucarióticos multicelulares. La iniciación de la transcripción (en la iniciación) ofrece, frecuentemente, condiciones críticas para efectuar tal regulación. Parece claro que la maquinaria transcripcional es un organo celular

La transcripción incluye tres estadíos generales distinguibles en los cuales se pueden generar condiciones críticas para establecer la regulación de la expresión íos son:

Figura 1. Funciones Heterocatalíticas del DNA.

La transcripción es un proceso central del crecimiento y desarrollo, durante el cual los genes en el DNA dúplex del cromosoma son "localizados selectivamente", son "reconocidos" y son "transcritos" por las RNA polimerasas DNA-dependientes. El problema para la enzima es un problema de interacciones macromoleculares (Proteína-DNA-RNA) complejas. Para entenderlo se puede subdividir la reacción en los siguientes estadíos:

3. La localización del promotor por parte de la RNA polimerasa y el proceso de unión no deben ser una reacción bimolecular controlada por difusión. La unión de la RNA polimerasa a DNA no específico (no promotor) puede ser un elemento esencial en la localización del promotor y la RNA polimerasa unida no específicamente al DNA sufre transferencia facilitada de una región a otra del DNA y que se puede entender como compuesta por dos tipos de movimientos; deslizamientos (disociarse y reasociarse) con o sin transferencia intersegmentos.

4. Reconocimiento del promotor cerrado: La interacción polimerasa-promotor cerrado es una necesidad obvia de la acción de la RNA polimerasa, pues la formación en un solo paso del complejo polimerasa-promotor abierto es improbable, ya que en ausencia de la polimerasa el promotor es DNA de dos bandas. El reconocimiento de una secuencia específica de DNA se basa, primariamente, en interacciones complementarias e interacciones específicas de puentes de Hidrógeno. Los enfoques experimentales se han concentrado en el estudio de las secuencias importantes en el DNA. Las siguientes tres características importantes surgen de la consideración de las secuencias de promotores procarióticos:

   1. La secuencia del promotor es asimétrica: Esta asimetría refleja la asimetría inherente de la función primaria del promotor a saber, la iniciación de la síntesis en la dirección adecuada y sobre la banda adecuada.
   2. Las secuencias y el sitio de localización son conservados.

   1. La distancia, entre las posiciones más conservadas de las secuencias, es alrededor de 17pb, para resultar en el máximo de fuerza del promotor.

3. Transición del complejo polimerasa-promotor cerrado al complejo polimerasa-promotor abierto y reconocimiento de la banda que se va a transcribir: En un sentido termodinámico la RNA polimerasa es una proteína que liga tanto DNA de dos bandas (complejo polimerasa-promotor cerrado) y como DNA de una banda (complejo polimerasa-promotor abierto). La evidencia sugiere que a temperatura ambiente el complejo polimerasa- promotor abierto es la forma más estable. Un analisis cinético de los pasos involucrados en la transcripción, demuestra que el cambio de complejo polimerasa-promotor cerrado a complejo polimerasa-promotor abierto, ocurre sin que se presente la disociación de la polimerasa.
   La fuerza del promotor es la efectividad relativa de este para unir RNA polimerasa en un estado obligado (polimerasa-promotor abierto); la fuerza del promotor se mide por el número de moléculas de RNA producidas a partir de ese promotor, y está determinada por la secuencia del promotor mismo y por proteínas accesorias que pueden modular ciertas interacciones promotor-RNA polimerasa (transición promotor cerrado a promotor abierto).

4. Iniciación de la transcripción: El proceso químico de la transcripción empieza con la unión del ribonucleótido trifosfato (que va a ser el extremo 5' del RNA) al complejo polimerasa-promotor abierto, junto con la unión del segundo ribonucleótido trifosfato y la formación del primer enlace fosfodiéster.
   
   
5. Elongación del RNA (reacción con procesividad total): La iniciación de la transcrición es seguida por la reacción de elongación. La elongación incluye los siguientes pasos:

   1. Unión de ribonucleótido trifosfatos.
   2. Formación del enlace fosfodiéter (transferencia de un nucleótido al extremo 3'-OH del RNA naciente) y desplazamiento del pirofosfato.
   3. Liberación del pirofosfato.
   4. Translocación (movimiento de translación nucleóido a nucleótido) de la RNA polimerasa a lo largo del molde.

   El movimiento de la polimerasa incluye la denaturalización y renaturalización del DNA molde, formando la "burbuja de transcripción" y el desplazamiento del extremo 5' del híbrido DNA.RNA. No es claro cómo el movimiento de la RNA polimerasa se acopla al mecanismo catalítico; este acoplamiento podría realizarse a través de la formación del enlace fosfodiéster, de la liberación del pirofosfato o de la unión del siguiente ribonucleótido trifosfato.
   La síntesis de RNA por la RNA polimerasa es totalmente procesiva, es decir, una vez que empieza la fase de elongación, el complejo que se forma es muy estable (excepto en ciertas secuencias de terminación); dicho de otra manera, la procesividad se refiere a que transcripción que se empieza es transcripción que se termina.

6. Terminación de la elongación y liberación del RNA y de la polimerasa: La terminación de la transcripción incluye los siguientes eventos:

   1. Se detiene la elongación.
   2. Se libera el RNA .
   3. Se disocia la RNA polimerasa del molde.
      

La anterior discriminación de la reacción de transcripción nos indica que en forma sucesiva la enzima tiene que localizar el promotor; reconocerlo y abrirlo; reconocer la banda que se debe transcribir y reconocer el principio de la secuencia de RNA; insertar el nucleótido correcto y moverse; efectuar la síntesis con procesividad total, y por último reconocer las señales de terminación. La enzima reconoce señales reguladoras en el DNA y en el RNA ( señales en cis que pueden interpretarse como secuencias lineales o como estructuras tridimensionales) y proteínas, y moléculas pequeñas que modulan la actividad de la enzima sobre el DNA (señales en trans). El promotor es el elemento regulador central y blanco inicial de reconocimiento de la RNA polimerasa, y se define como el segmento de DNA que contiene las señales que dirigen de manera adecuada la interacción de la enzima, para que se una y se active subsecuentemente a una forma capaz de iniciar la transcripción de manera específica, a partir de un nucleótido particular establecido en la evolución de la puntuación del lenguaje genético.