ADN ribosómico

El ADN ribosómico ( ADNr ) consta de un grupo de genes que codifican ARN ribosómico y elementos reguladores relacionados, y se encuentra ampliamente distribuido en una configuración similar en todos los dominios de la vida. El ADN ribosómico codifica el ARN ribosómico no codificante , elementos estructurales integrales en el ensamblaje de los ribosomas , cuya importancia lo convierte en la sección de ARN más abundante que se encuentra en las células de los eucariotas . ^{[ 1 ]} Además, estos segmentos incluyen secciones reguladoras , como un promotor específico para la ARN polimerasa I , así como segmentos espaciadores tanto transcritos como no transcritos .

Debido a su gran importancia en el ensamblaje de los ribosomas para la biosíntesis de proteínas , los genes del ADNr suelen estar altamente conservados en la evolución molecular . El número de copias puede variar considerablemente entre especies. ^{[ 1 ]} El ADN ribosómico se utiliza ampliamente en estudios filogenéticos . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El ADN ribosómico incluye todos los genes que codifican las moléculas de ARN ribosómico estructural no codificante . En todos los dominios de la vida, estas son las secuencias estructurales de la subunidad pequeña ( ARNr 16S o 18S ) y la subunidad grande ( ARNr 23S o 28S ). El ensamblaje de esta última también incluye el ARNr 5S , así como el ARNr 5.8S adicional en eucariotas.

Los genes rDNA suelen estar presentes en múltiples copias en el genoma, donde se organizan en grupos ligados en la mayoría de las especies, separados por un espaciador transcrito interno (ITS) y precedidos por el espaciador transcrito externo (ETS) . El ARNr 5S también está ligado a esta región de rDNA en procariotas , mientras que se encuentra en regiones repetitivas separadas en la mayoría de los eucariotas . ^{[ 4 ]} Se transcriben juntos a un ARN precursor que luego se procesa para producir cantidades iguales de cada ARNr.

Eucariotas

El grupo de genes 45S rDNA de los eucariotas consta de los genes para el ARNr 18S , 5.8S y 28S , separados por los espaciadores ITS-1 e ITS-2 . El genoma activo de los eucariotas contiene varios cientos de copias de la unidad transcripcional policistrónica de rDNA como repeticiones en tándem , organizadas en regiones organizadoras del nucléolo (NOR) , ^{[ 4 ]} que a su vez pueden estar presentes en múltiples loci del genoma. ^{[ 14 ]}

De forma similar a la estructura de los procariotas, el ARNr 5S se une al grupo de ADNr en los Saccharomycetes ^{[ 14 ]} , como Saccharomyces cerevisiae . ^{[ 4 ]} Sin embargo, la mayoría de los eucariotas portan el gen del ARNr 5S en repeticiones génicas separadas en diferentes loci del genoma. ^{[ 14 ] [ 4 ]} El ADNr 5S también está presente en repeticiones en tándem independientes, como en Drosophila . ^{[ 14 ]}

Dado que las regiones de ADN repetitivo a menudo experimentan eventos de recombinación, las repeticiones de ADNr poseen muchos mecanismos reguladores que impiden que el ADN sufra mutaciones, manteniendo así el ADNr conservado. ^{[ 1 ]}

En el núcleo, las regiones organizadoras del nucléolo dan origen al nucléolo , donde las regiones de ADNr del cromosoma forman bucles cromosómicos expandidos, accesibles para la transcripción del ARNr . En el ADNr, las repeticiones en tándem se encuentran principalmente en el nucléolo; pero el ADNr heterocromático se encuentra fuera del nucléolo. Sin embargo, el ADNr transcripcionalmente activo reside dentro del propio nucléolo. ^{[ 1 ]}

Humanos

El genoma humano contiene un total de 560 copias ^{[ 4 ]} de la unidad transcripcional del ADNr 45S, distribuidas en cinco cromosomas con regiones organizadoras del nucléolo . Los grupos de repeticiones se localizan en los cromosomas acrocéntricos 13 ( RNR1 ), 14 ( RNR2 ), 15 ( RNR3 ), 21 ( RNR4 ) y 22 ( RNR5 ). ^{[ 15 ]}

El ADN ribosómico 5S humano se encuentra en el cromosoma 1. Hay 17 copias en el genoma de referencia humano, en los loci codificados como RNA5S1 a RNA5S17 . ^{[ 16 ]} Un genoma humano haploide promedio tiene en realidad 98 copias de 5S. ^{[ 17 ]}

Ciliados

En los ciliados , la presencia de un micronúcleo generativo junto al macronúcleo vegetativo permite la reducción de los genes de ADNr en la línea germinal. El número exacto de copias en el genoma central del micronúcleo varía desde varias copias en Paramecium ^{[ 18 ]} hasta una sola copia en Tetrahymena thermophila ^{[ 4 ]} y otras especies de Tetrahymena . Durante la formación del macronúcleo , las regiones que contienen los grupos de genes de ADNr se amplifican, aumentando drásticamente la cantidad de plantillas disponibles para la transcripción hasta varios miles de copias. En algunos géneros de ciliados, como Tetrahymena o el género hipotrico Oxytricha ^{[ 18 ]} , la fragmentación extensa del ADN amplificado conduce a la formación de microcromosomas, centrados en la unidad transcripcional de ADNr ^{[ 18 ]} . Se han descrito procesos similares en Glaucoma chattoni y, en menor medida, en Paramecium ^{[ 18 ]} .

En el gran conjunto de ADNr, los polimorfismos entre las unidades repetidas de ADNr son muy bajos, lo que indica que los conjuntos en tándem de ADNr están evolucionando a través de la evolución concertada . ^{[ 14 ]} Sin embargo, el mecanismo de evolución concertada es imperfecto, de modo que los polimorfismos entre repeticiones dentro de un individuo pueden ocurrir en niveles significativos y pueden confundir los análisis filogenéticos para organismos estrechamente relacionados. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Se compararon entre sí las secuencias repetidas en tándem 5S de varias especies de Drosophila ; el resultado reveló que las inserciones y deleciones ocurrían con frecuencia entre especies y a menudo estaban flanqueadas por secuencias conservadas. ^{[ 21 ]} Podrían ocurrir por deslizamiento de la cadena recién sintetizada durante la replicación del ADN o por conversión génica. ^{[ 21 ]}

Los tractos de transcripción del ADNr tienen una baja tasa de polimorfismo entre especies, lo que permite la comparación interespecífica para dilucidar la relación filogenética usando solo unos pocos especímenes. Las regiones codificantes del ADNr están altamente conservadas entre especies, pero las regiones ITS son variables debido a inserciones, deleciones y mutaciones puntuales. Entre especies distantes como humanos y ranas, la comparación de secuencias en los tractos ITS no es apropiada. ^{[ 22 ]} Las secuencias conservadas en las regiones codificantes del ADNr permiten comparaciones de especies distantes, incluso entre levadura y humanos. El ARNr 5.8S humano tiene un 75% de identidad con el ARNr 5.8S de levadura. ^{[ 23 ]} En casos de especies hermanas, la comparación del segmento de ADNr que incluye los tractos ITS entre especies y el análisis filogenético se realizan satisfactoriamente. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Las diferentes regiones codificantes de las repeticiones del ADNr generalmente muestran tasas evolutivas distintas. Como resultado, este ADN puede proporcionar información filogenética de especies pertenecientes a amplios niveles sistemáticos. ^{[ 2 ]}

Un fragmento de ADNr de levadura que contiene el gen 5S, ADN espaciador no transcrito y parte del gen 25S (versión de levadura del 28S) tiene actividad estimuladora de recombinación mitótica de acción cis localizada. ^{[ 26 ]} Este fragmento de ADN contiene un punto caliente de recombinación mitótica , denominado HOT1. HOT1 expresa actividad estimuladora de recombinación cuando se inserta en nuevas ubicaciones del genoma de la levadura . HOT1 incluye un promotor de transcripción de la ARN polimerasa I (PolI) que cataliza la transcripción del gen del ARNr ribosómico 35S (versión de levadura del 45S). En un mutante defectuoso de PolI, la actividad estimuladora de recombinación del punto caliente HOT1 se anula. El nivel de transcripción de PolI en HOT1 parece determinar el nivel de recombinación . ^{[ 27 ]}

Las enfermedades pueden estar asociadas con mutaciones del ADN, donde el ADN puede expandirse, como en la enfermedad de Huntington , o perderse debido a mutaciones por deleción. Lo mismo ocurre con las mutaciones que se producen en las repeticiones del ADNr; se ha descubierto que si los genes asociados con la síntesis de ribosomas se alteran o mutan, pueden dar lugar a diversas enfermedades relacionadas con el esqueleto o la médula ósea. Asimismo, cualquier daño o alteración en las enzimas que protegen las repeticiones en tándem del ADNr puede resultar en una menor síntesis de ribosomas, lo que también conlleva otros defectos celulares. Las enfermedades neurológicas también pueden surgir de mutaciones en las repeticiones en tándem del ADNr, como el síndrome de Bloom , que se produce cuando el número de repeticiones en tándem aumenta casi cien veces en comparación con el número normal. Diversos tipos de cáncer también pueden originarse a partir de mutaciones en las repeticiones en tándem del ADN ribosómico. Las líneas celulares pueden volverse malignas debido a una reorganización de las repeticiones en tándem o a una expansión de las repeticiones en el ADNr. ^{[ 28 ]}