L'estructura gènica és l'organització d'elements de seqüència especialitzats dins d'un gen. Els gens contenen la major part de la informació necessària perquè les cèl·lules vives sobrevisquin i es reprodueixin. En la majoria dels organismes, els gens estan formats per ADN, on la seqüència d'ADN particular determina la funció del gen. Un gen es transcriu (copia) de l'ADN a ARN, que pot ser ARN no codificant (ARNnc) amb una funció directa o un ARN missatger intermedi (ARNm) que després es tradueix a proteïna. Cadascun d'aquests passos està controlat per elements de seqüència o regions específiques dins del gen. Per tant, cada gen requereix múltiples elements de seqüència per ser funcional. Això inclou la seqüència que realment codifica la proteïna funcional o l'ARNnc, així com múltiples regions de seqüència reguladora. Aquestes regions poden ser tan curtes com uns quants parells de bases, fins a molts milers de parells de bases de llarg.
Gran part de l'estructura gènica és similar entre eucariotes i procariotes. Aquests elements comuns resulten en gran manera de l'ascendència compartida de la vida cel·lular en organismes fa més de 2.000 milions d'anys. Les diferències clau en l'estructura gènica entre eucariotes i procariotes reflecteixen la seva maquinària de transcripció i traducció divergent. Comprendre l'estructura gènica és la base per comprendre l'anotació, l'expressió i la funció gènica.
Característiques comunes Les estructures dels gens eucariotes i procariotes impliquen diversos elements de seqüència imbricats. Cada element té una funció específica en el procés de múltiples passos de l'expressió gènica. Les seqüències i les longituds d'aquests elements varien, però les mateixes funcions generals són presents a la majoria dels gens. Tot i que l'ADN és una molècula bicatenària, normalment només una de les cadenes codifica la informació que l'ARN polimerasa llegeix per produir ARNm codificant proteïnes o ARN no codificant. Aquesta cadena "sentit" o "codificant" s'executa en la direcció 5' a 3', on els números es refereixen als àtoms de carboni del sucre ribosa de la cadena principal. Per tant, el marc de lectura obert (ORF) d'un gen es representa normalment com una fletxa que indica la direcció en què es llegeix la cadena sentit.
Les seqüències reguladores es troben a les extremitats dels gens. Aquestes regions de seqüència poden estar al costat de la regió transcrita (el promotor) o separades per moltes quilobases (potenciadors i silenciadors). El promotor es troba a l'extrem 5' del gen i està compost per una seqüència promotora central i una seqüència promotora proximal. El promotor central marca el lloc d'inici de la transcripció unint-se a l'ARN polimerasa i altres proteïnes necessàries per copiar l'ADN a l'ARN. La regió promotora proximal s'uneix a factors de transcripció que modifiquen l'afinitat del promotor central per l'ARN polimerasa. Els gens poden estar regulats per múltiples seqüències potenciadores i silenciadores que modifiquen encara més l'activitat dels promotors unint-se a proteïnes activadores o repressores. Els potenciadors i silenciadors poden estar situats a distància del gen, a molts milers de parells de bases de distància. Per tant, la unió de diferents factors de transcripció regula la taxa d'inici de la transcripció en diferents moments i en diferents cèl·lules.
Els elements reguladors es poden superposar entre si, amb una secció d'ADN capaç d'interactuar amb molts activadors i repressors competidors, així com amb l'ARN polimerasa. Per exemple, algunes proteïnes repressores es poden unir al promotor central per evitar la unió de la polimerasa. Per a gens amb múltiples seqüències reguladores, la taxa de transcripció és el producte de tots els elements combinats. La unió d'activadors i repressors a múltiples seqüències reguladores té un efecte cooperatiu en la iniciació de la transcripció.
Tot i que tots els organismes utilitzen tant activadors transcripcionals com repressors, es diu que els gens eucariotes estan "desactivats per defecte", mentre que els gens procariotes estan "activats per defecte". El promotor central dels gens eucariotes normalment requereix una activació addicional per part dels elements promotors perquè es produeixi l'expressió. El promotor central dels gens procariotes, en canvi, és suficient per a una expressió forta i està regulat pels repressors.
Una capa addicional de regulació es produeix per als gens que codifiquen proteïnes després que l'ARNm s'hagi processat per preparar-lo per a la traducció a proteïna. Només la regió entre els codons d'inici i aturada codifica el producte proteic final. Les regions no traduïdes (UTR) flanquejants contenen més seqüències reguladores. L'UTR 3' conté una seqüència terminadora, que marca el punt final de la transcripció i allibera l'ARN polimerasa. L'UTR 5' s'uneix al ribosoma, que tradueix la regió codificant de proteïnes en una cadena d'aminoàcids que es pleguen per formar
el producte proteic final. En el cas dels gens per a ARN no codificants, l'ARN no es tradueix sinó que es plega per ser directament funcional. miniatura|384x384px|L'estructura d'un gen eucariota codificant proteïnes. La seqüència reguladora controla quan i on es produeix l'expressió de la regió codificant de proteïnes (vermell). Les regions promotora i potenciadora (groc) regulen la transcripció del gen en un pre-ARNm que es modifica per afegir una capa 5' i una cua poli-A (gris) i eliminar introns. Les regions no traduïdes de l'ARNm 5' i 3' (blau) regulen la traducció al producte proteic final.
Eucariotes L'estructura dels gens eucariotes inclou característiques que no es troben en els procariotes. La majoria d'aquestes es relacionen amb la modificació post-transcripcional dels pre-ARNm per produir ARNm madur llest per a la traducció en proteïnes. Els gens eucariotes solen tenir més elements reguladors per controlar l'expressió gènica en comparació amb els procariotes. Això és particularment cert en eucariotes multicel·lulars, per exemple els humans, on l'expressió gènica varia àmpliament entre els diferents teixits.
Una característica clau de l'estructura dels gens eucariotes és que els seus transcrits se subdivideixen típicament en regions d'exó i intró. Les regions d'exó es conserven a la molècula d'ARNm madura final, mentre que les regions d'intró s'empalmen (excisen) durant el processament post-transcripcional. De fet, les regions d'intró d'un gen poden ser considerablement més llargues que les regions d'exó. Un cop empalmats, els exons formen una única regió contínua que codifica proteïnes, i els límits d'empalmament no són detectables. El processament post-transcripcional eucariota també afegeix un extrem 5' a l'inici de l'ARNm i una cua de poliadenosina al final de l'ARNm. Aquestes addicions estabilitzen l'ARNm i dirigeixen el seu transport des del nucli fins al citoplasma, tot i que cap d'aquestes característiques està codificada directament a l'estructura d'un gen.
Procariotes miniatura|385x385px|L'estructura d'un operó procariòtic de gens codificants de proteïnes. La seqüència reguladora controla quan es produeix l'expressió de les múltiples regions codificants de proteïnes (vermell). Les regions promotora, operadora i potenciadora (groc) regulen la transcripció del gen en un ARNm. Les regions no traduïdes de l'ARNm (blau) regulen la traducció en els productes proteics finals. L'organització general dels gens procariotes és marcadament diferent de la dels eucariotes. La diferència més òbvia és que els ORF procariotes sovint s'agrupen en un operó policistrònic sota el control d'un conjunt compartit de seqüències reguladores. Tots aquests ORF es transcriuen al mateix ARNm i, per tant, estan coregulats i sovint tenen funcions relacionades. Cada ORF normalment té el seu propi lloc d'unió a ribosomes (RBS), de manera que els ribosomes tradueixen simultàniament els ORF del mateix ARNm. Alguns operons també mostren un acoblament traduccional, on les taxes de traducció de múltiples ORF dins d'un operó estan vinculades. Això pot passar quan el ribosoma roman unit al final d'un ORF i simplement es trasllada al següent sense necessitat d'un nou RBS. L'acoblament traduccional també s'observa quan la traducció d'un ORF afecta l'accessibilitat del següent RBS mitjançant canvis en l'estructura secundària de l'ARN. Tenir múltiples ORF en un sol ARNm només és possible en procariotes perquè la seva transcripció i traducció tenen lloc al mateix temps i a la mateixa ubicació subcel·lular.
La seqüència de l'operador al costat del promotor és el principal element regulador en els procariotes. Les proteïnes repressores unides a la seqüència de l'operador obstrueixen físicament l'enzim ARN polimerasa, impedint la transcripció. Els riboswitches són una altra seqüència reguladora important present habitualment en els UTR procariotes. Aquestes seqüències canvien entre estructures secundàries alternatives a l'ARN segons la concentració de metabòlits clau. Les estructures secundàries bloquegen o revelen regions de seqüència importants com ara els RBS. Els introns són extremadament rars en els procariotes i, per tant, no tenen un paper significatiu en la regulació gènica procariota.
Referències
Categoria:Genètica