Rexión non traducida tres prima

Fluxo de información xenética nunha célula. Primeiro, o ADN transcríbese a ARN, o cal despois tradúcese a proteína.

En xenética molecular, a rexión non traducida tres prima, xeralmente escrita 3′ UTR (do inglés 3′ Untranslated Region), é a sección dun ARN mensaxeiro que está despois do codón de terminación da tradución en dirección ao extremo 3′. Unha molécula de ARNm transcríbese a partir dunha secuencia de ADN como unha copia complementaria da mesma, e despois o ARNm é traducido a proteína nos ribosomas da célula. Varias rexións do ARNm non se traducen a proteína, como a carapucha 5′, a rexión non traducida 5', a cola poli(A) e a rexión non traducida 3′. A 3′ UTR a miúdo contén rexións reguladoras que inflúen na expresión xénica postranscricional.

Estrutura do ARNm, aproximadamente a escala para un ARNm humano.

As rexións reguladoras dentro da 3′ UTR poden influenciar a poliadenilación, eficiencia da traslación, localización, e estabilidade do ARNm. O 3′ UTR contén sitios de unión para proteínas reguladoras e para microARNs (miARN). Os miARN, ao unírense a sitios específicos na 3′ UTR, poden facer decrecer a expresión xénica de varios ARNm ao inhibiren a tradución ou causando directamente a degradación do transcrito. A 3′ UTR ten tamén rexións silenciadoras, ás cales se unen proteínas represoras que inhiben a expresión do ARNm. Moitas 3′ UTRs conteñen tamén elementos ricos en AU (AREs). Aos AREs únense proteínas que afectan á estabilidade ou á velocidade de degradación dos transcritos de forma localizada ou afectan á iniciación da tradución. Ademais, a 3′ UTR contén a secuencia AAUAAA que dirixe a adición de varios centos de residuos de AMP, formando a chamada cola poli(A) do extremo 3′ do ARNm transcrito. A esta cola únese a proteína de unión á poli(A) (PABP), contribuíndo á regulación da tradución do ARNm, á súa estbilidade, e exportación. Por exemplo, a PABP unida á cola poli(A) interacciona con proteínas asociadas co extremo 5′ do transcrito, causando unha circularización do ARNm que promove a tradución. A 3′ UTR pode tamén conter secuencias que atraen proteínas para asociar o ARNm co citoesqueleto, transportalo ao ou desde o núcleo celular, ou realizar outros tipos de localización. Contribúen á regulación da tradución non só as secuencias que se encontran na 3′ UTR, senón tamén as características físicas desta rexión, como a súa lonxitude e estrutura secundaria. Todos estes mecanismos de regulación xénica aseguran que os xenes correctos se expresen nas células correctas nos momentos apropiados.

Características físicas

A 3′ UTR dos ARNm ten unha gran variedade de funcións regulatorias que están controladas polas características físicas da rexión. Unha desas características é a lonxitude que ten a 3′ UTR, a cal no xenoma de mamíferos ten unha variación considerable. Esta rexión do transcrito de ARNm pode ter desde 60 nucleótidos a uns 4000. Como media a lonxitude da 3′ UTR en humanos é de aproximadamente 800 nucleótidos, mentres que a lonxitude media das 5′ UTRs, situadas no outro extremo do transcrito, é de só uns 200 nucleótidos. A lonxitude da 3′ UTR é significativa porque as que son máis longas están asociadas con menores niveis de expresión xénica. Unha posible explicación deste fenómeno é que as rexións máis longas teñen unha alta probabilidade de posuír máis sitios de unión para os miARN que teñen a capacidade de inhibir a tradución.

Ademais da lonxitude, a composición de nucleótidos das 3′ UTRs tamén é significativamente diferente da das 5′ UTR. A media da porcentaxe G+C dunha 5′ UTR nos vertebrados homeotermos é do 60% en comparación co 45% típico das 3′ UTRs. Isto é importante porque se observou unha correlación inversa entre a porcentaxe G+C destas rexións e a súa correspondente lonxitude. As UTRs que son pobres en GC adoitan ser máis longas que as que son ricas en GC.

As secuencias que teñen as 3′ UTR tamén teñen a capacidade de favorecer a degradación ou estabilización do transcrito de ARNm. As modificacións que controlan a estabilidade dun transcrito permiten controlar rapidamente a expresión dun xene sen alterar as velocidades de tradución. Un grupo de elementos presentas na 3′ UTR que axudan a estabilizar os transcritos de ARNm son os elementos ricos en AU (AREs). Estes elementos varían en tamaño desde as 50 ás 150 pares de bases e xeralmente conteñen moitas copias do pentanucleótido AUUUA. Os estudos iniciais indicaron que os AREs poden variar en secuencia e poden clasificarse en tres grandes clases que se diferencian no número e disposición dos motivos. Outro tipo de elementos que está presente nas rexións 5′ e 3′ UTR son os elementos de resposta ao ferro (IREs). Un IRE é unha estrutura en talo-bucle situada nos UTRs dos ARNms que codifica proteínas que interveñen no metabolismo celular do ferro. O transcrito de ARNm que contén un destes elementos pode ser degradado ou estabilizado dependendo da unión de proteínas específicas e da concentración intracelular de ferro.

Estrutura en talo-bucle dunha molécula de ARN.

As 3′ UTR tamén conteñen secuencias que sinalan que se deben facer determinadas adicións, xa sexa ao propio transcrito ou ao produto da tradución. Por exemplo, hai dous sinais de poliadenilación nas 3′ UTR que sinalan a adición da cola poli(A). Estes sinais inician a síntese da cola poli(A) a unha determinada lonxitude de 250 pares de bases. O sinal primario que se utiliza é o sinal de poliadenilación nuclear (PAS) que ten a secuencia AAUAAA e está localizado cara ao final da 3′ UTR. Porén, durante as fases iniciais do desenvolvemento pode haber no seu lugar unha poliadenilación citoplásmica e regularse a activación traducional dos ARNms maternos. O elemento que controla este proceso chámase CPE, o cal é rico en AU e está localizado na 3′ UTR. O CPE xeralmente ten a estrutura UUUUUUAU e está a unhas 100 pares de bases do PAS nuclear. Outra adición específica que é sinalada pola 3′ UTR é a incorporación de selenocisteína en codóns UGA dos ARNms que codifican selenoproteínas. Normalmente o codón UGA indica o final da tradución (codón de finalización), pero neste caso unha estrutura en talo-bucle conservada chamada elemento SECIS (secuencia de inserción de selenocisteína) causa que o UGA indique a inserción de selenocisteína.

Papel na expresión xénica

A 3′ UTR xoga un papel crucial na expresión xénica ao influír na localización na célula, estabilidade, exportación, e eficiencia da tradución dos ARNm. Contén varias secuencias implicadas na expresión xénica, como elementos de resposta aos microARN (MREs), elementos ricos en AU (AREs), e a cola poli(A). Ademais, as características estruturais da 3′ UTR e o uso da poliadenilación alternativa xogan un papel na expresión xénica.

O papel do miARN na regulación xénica.

Elementos de resposta aos microARN

A 3′ UTR con frecuencia contén elementos de resposta aos microARNs (MREs), as cales son secuencias ás cales se unen os miARN. Os miARNs son moléculas de ARN curtas, non codificantes con capacidade de unirse a transcritos de ARNm para regular a súa expresión. Un mecanismo de miARN implica un apareamento de bases parcial dunha secuencia 5′ dun miARN cun MRE situado na 3′ UTR dun ARNm; esta unión causa despois a represión traducional. Outro mecanismo implica que haxa un apareamento de bases perfecto do miARN cun MRE, o cal seguidamente promove a degradación do transcrito de ARNm. Os MREs supoñen aproximadamente a metade dos motivos que se encontran na 3′ UTR. A interacción entre os miARNs e os MREs permite a expresión xénica diferencial en diferentes tecidos e estadios do desenvolvemento.

Elementos ricos en AU

As 3′ UTR, ademais de conteren MREs, tamén a miúdo conteñen elementos ricos en AU (AREs), que teñen unha lonxitude de 50 a 150 pares de bases e xeralmente inclúen moitas copias da secuencia AUUUA. As proteínas de unión aos AREs (ARE-BPs) únense aos elementos ricos en AU dunha maneira dependente do tipo de tecido, tipo celular, temporalización, localización celular e condicións do ambiente celular. En resposta a diferentes sinais intracelulares ou extracelulares, os ARE-BPs poden promover a degrdación do ARNm, afectar á estabilidade do ARNm, ou activar a tradución. Este mecanismo de regulación xénica está implicado no crecemento celular, diferenciación celular, e adaptación a estímulos externos. Xa que logo, actúa sobre transcritos que codifican citocinas, factores de crecemento, supresores de tumores, protooncoxenes, ciclinas, encimas, factores de transcrición, receptores, e proteínas de membrana.

Cola poli(A)

Circularización do transcrito de ARNm mediada por proteínas que interaccionan coa carapucha 5′ e a cola poli(A).

A cola poli(A) contén sitios de unión para as proteínas de unión á poli(A) (PABPs). Estas proteínas cooperan con outros factores para afectar á exportación, estabilidade, degradación, e tradución dun ARNm. As PABPs que se unen á cola poli(A) poden tamén interacciónar con proteínas, como factores de iniciación da tradución, que se unen á carapucha 5′ do ARNm. Esta interacción causa a circularización do transcrito, o cal seguidamente promove a iniciación da tradución. Ademais, permite unha tradución eficiente ao causar a reciclaxe dos ribosomas. Mentres que a presenza da cola poli(A) xeralmente axuda a activar a tradución, a súa ausencia ou eliminación xeralmente orixina a degradación do ARNm mediada por exonucleases. A propia poliadenilación está regulada por secuencias situadas na 3′ UTR do transcrito. Estas secuencias inclúen elementos de poliadenilación citoplasmáticos (CPE), que son secuencias ricas en uridina que contribúen á activación ou represión da poliadenilación. As proteínas de unión aos elementos de poliadenilación citoplasmáticos (CPEB) únense aos CPEs en conxunción cunha variedade doutras proteínas para orixinar diferentes respostas.

Características estruturais

Aínda que as secuencias que constitúen a 3′ UTR contribúen moito á expresión xénica, as características estruturais da 3′ UTR tamén desempeñan un importante papel. En xeral, a maior lonxitude das 3′ UTRs correspóndese con taxas de expresión máis baixas, xa que a miúdo conteñen máis miARN e sitios de unión a proteínas que están implicados na inhibición da tradución. Os transcritos humanos posúen 3′ UTRs que son como media dúas veces máis longas que as doutros mamíferos. Esta trendencia reflicte o alto nivel de complexidade da regulación xenética humana. Ademais da lonxitude, a estrutura secundaria da 3′ UTR ten tamén funcións reguladoras. Certos factores proteícos poden axudar ou alterar o pregamento da rexión en diversas estruturas secundarias. A estrutura máis común é un talo-bucle, que proporciona un armazón para a unión de proteínas de unión ao ARN e ARNs non codificantes que inflúen na expresión do transcrito.

A poliadenilación alternativa orixina transcritos con diferentes 3′ UTRs.

Poliadenilación alternativa

Outro mecanismo no que está implicada a estrutura da 3′ UTR denomínase poliadenilación alternativa (APA), a cal ten como resultado a formación de isoformas do ARNm que difiren nas súas 3′ UTRs. Este mecanismo é especialmente útil en organismos complexos xa que proporciona un medio de expresar a mesma proteína pero en diferentes cantidades e localizacións. Utilízano aproximadamente a metade dos xenes humanos. A poliadenilación alternativa pode orixinarse a partir da presenza de moitos sitios de poliadenilación ou exóns terminais mutuamente exclusivos. Como isto pode afectar á presenza de sitios de unión aos miARN e a proteínas, a poliadenilación alternativa pode causar a expresión diferencial dos transcritos de miARN ao influír na súa estabilidade, exportación ao citoplasma, e eficiencia da tradución.

Métodos de estudo

Os científicos utilizan varios métodos para estudar as complexas estruturas e funcións das 3′ UTR. Mesmo se unha determinada 3′ UTR dun ARNm está presente nun tecido, os efectos de localización, vida media funcional, eficiencia traducional, e elementos que actúan en trans deben ser determinados para comprender a funcionalidade completa da 3′ UTR. As aproximacións computacionais, principalmente por análise de secuencia, mostraron a existencia de AREs en aproximadamente do 5 ao 8% dos 3′ UTR humanos e a presenza dun ou máis dianas para miARNs en ata o 60% ou máis das 3′ UTRs humanas. Certos programas informáticos poden comparar rapidamente millóns de secuencias á vez para atopar semellanzas entre varios 3′ UTRs en todo un xenoma. Utilizáronse aproximacións experimentais para definir secuencias que se asocian con proteínas de unión ao ARN específicas; por exemplo, melloras recentes nas técnicas de secuenciación e de entrelazado (cross-linking) permitiron poder facer un mapado detallado dos sitios de unión a proteínas dun transcrito. As mutacións específicas de sitio inducidas, como por exemplo aquelas que afectan ao codón de terminación, sinal de poliadenilación, ou estrutura secundaria da 3′ UTR, poden mostrar como rexións mutadas poden causar unha desregulación da tradución e enfermidades. Este tipo de métodos de amplo transcrito deberían mellorar o noso coñecemento dos elementos cis e factores trans reguladores das 3′ UTRs.

Enfermidades

Doenzas causadas por diferentes mutacións na 3′ UTR

As mutacións 3′ UTR poden ter moitas consecuencias porque unha mutación pode ser responsable da alteración da expresión de moitos xenes. Transcricionalmente, unha mutación pode afectar soamente ao alelo e os xenes que están fisicamente ligados. Porén, como as proteínas de unión á 3′ UTR tamén funcionan no procesamento e exportación nuclear de ARNm, unha mutación pode tamén afectar a outros xenes non relacionados. A desregulación das proteínas de unión aos AREs (AUBPs) debido a mutacións nas rexións ricas en AU poden orixinar doenzas como tumoroxénese (cancro), tumores malignos hematopoéticos, e leucemioxénese. O aumento do número de repeticións do trinucleótido (CTG) na 3’ UTR no xene da proteína quinase da distrofia miotónica (DMPK) causa a distrofia miotónica. Unha inserción de 3 quilobases retrotransposal de secuencias repetidas en tándem na 3′ UTR do xene da proteína fukutina está ligada á distrofia muscular conxénita de tipo Fukuyama. Elementos da 3′ UTR tamén foron asociados á leucemia mieloide aguda humana, á alfa-talasemia, ao neuroblastoma, á queratinopatía, á aniridia, á síndrome IPEX, e a defectos cardíacos conxénitos. As poucas enfermidades mediadas por UTR que foron xa identificadas son soamente unha mostra das que seguramente se descubrirán.

Desenvolvementos futuros

Malia a comprensión xeral que se ten actualmente do funcionamento das 3′ UTRs, aínda quedan varias cousas por saber. Como os ARNm xeralmente conteñen varios elementos de control solapados, con frecuencia é difícil especificar a identidade e función de cada elemento do 3′ UTR, e determinar os factores reguladores que se poden unir a estes sitios. Adicionalmente, cada 3′ UTR contén moitos elementos ricos en AU alternativos e sinais de fosforilación. Estes elementos que actúan en cis ou trans, xunto cos miARNs, ofrecen unhas ilimitadas posibilidades de control nun só ARNm. As investigacións futuras co uso crecente de secuenciación profunda baseada no perfil ribosómico seguramente revelarán máis detalles regulatorios e novos elementos de control e AUBPs. Ademais, o destino último dun transcrito depende das vías de transdución de sinais que o afectan, polo que as investigacións futuras nesta área parecen prometedoras.

Véxase tamén

Outros artigos

• Rexión non traducida cinco prima
• UTR
• UTRome

Bibliografía

• Mazumder B, Seshadri V, Fox PL (2003). "Translational control by the 3′-UTR: the ends specify the means". Trends Biochem. Sci. 28 (2): 91–8. PMID 12575997. doi:10.1016/S0968-0004(03)00002-1. 

Ligazóns externas

• Breve introdución aos elementos reguladores do ARNm
• UTResource Análise de 3′ UTRs
• UTRome.org As 3′ UTRs en nematodos
• Medical Subject Heading: 3′ Untranslated Regions