Xene estrutural

Un xene estrutural é un xene que codifica algún produto de ARN ou proteína que non é un factor regulador (como unha proteína reguladora ou ARN regulador). O termo deriva do descubrimento do operón lac, no que os xenes estruturais considerábanse aqueles que contiñan secuencias de ADN correspondentes aos aminoácidos dunha proteína producida na célula que non funcionaba regulando a expresión xénica. Os produtos dos xenes estruturais poden ser encimas e proteínas estruturais. Tamén son codificados por xenes estruturais os ARN non codificantes, como os ARNr e os ARNt (pero exclúense os ARN reguladores como o microARN e o ARN interferente pequeno).

Situación no xenoma

En procariotas os xenes estruturais de funcións relacionadas están normalmente un a carón do outro nunha soa febra de ADN, formando un operón. Isto permite unha regulación máis simple da expresión xénica, xa que un só factor regulador pode afectar a transcrición de todos os xenes asociados. Isto ilústrase mellor co ben estudado operón lac, no cal tres xenes estruturais (lacZ, lacY e lacA) son regulados por un só promotor e un só operador. Os xenes estruturais procariotas transcríbense formando un ARNm policistrónico e seguidamente son traducidos.^[1]

En eucariotas os xenes estruturais non están situados secuencialmente. Cada xene está composto de exóns codificantes e intróns non codificantes intercalados. As secuencias reguladoras atópanse tipicamente en rexións non codificantes situadas augas arriba ou abaixo do xene. Os ARNm dos xenes estruturais deben sufrir un proceso de empalme antes da súa tradución para eliminar as secuencias intrónicas. Isto, á súa vez, motiva o fenómeno eucariota do empalme alternativo, no cal un só ARNm procedente dun só xene estrutural pode producir varias proteínas diferentes segundo que exóns se inclúan. Malia a complexidade deste proceso, estímase que ata o 94% dos xenes humanos son empalmados dalgunha maneira.^[2] Ademais, ocorren diferentes padróns de empalme en tipos de tecidos diferentes.^[3]

Unha excepción a esta disposición en eucariotas son os xenes das proteínas histonas, que carecen completamente de intróns.^[4] Tamén son peculiares os xenes das agrupacións ou clusters do ADNr, nos cales as secuencias codificantes dos ARNr de 28S, 5,8S e de 18S están adxacentes, separados por curtos espazadores transcritos internamente, e igualmente o ADNr de 45S aparece en cinco sitios distintos do xenoma, pero está agrupado formando repeticións contiguas. En bacterias estes xenes están organizados en operóns. Porén en arqueas estes xenes non están adxacentes e non mostran ningún ligamento.^[5]

Papel en doenzas humanas

A identificación da base xenética do axente causante dunha doenza pode ser un compoñente importante para comprender os seus efectos e espallamento. A localización e contido de xenes estruturais pode servir para determinar a evolución da virulencia,^[6] así como proporciona a información que cómpre para o tratamento. Igualmente, comprender os cambios específicos nas secuencias dos xenes estruturais que subxacen nun aumento ou diminución da virulencia axuda a comprender o mecanismo polo cal as doenzas infecciosas afectan os hóspedes.^[7]

Por exemplo, Yersinia pestis (axente da peste bubónica) porta varios xenes estruturais relacionados coa virulencia e a inflamación situados en plásmidos.^[8] De igual xeito, o xene estrutural responsable do tétano está situado nun plásmido.^[9] A difteria é causada por unha bacteria, pero só despois de que esa bacteria foi infectada por un virus bacteriófago que porta os xenes estruturais para a toxina.^[10]

No virus herpes simplex a secuencia do xene estrutural responsable da virulencia atopouse en dúas localizacións no xenoma a pesar de que só unha das localizacións produce o produto xénico viral. Isto hipotetizouse que serve como un mecanismo potencial para que as cepas recuperen a virulencia se a perden por unha mutación.^[11]

Comprender os cambios específicos en xenes estruturais que afectan a virulencia é un paso necesario no establecemento de tratamentos específicos, así como no estudo de posibles usos medicinais de toxinas.^[10]

Filoxenética

Xa en 1974 a similitude nas secuencias de ADN era recoñecida como unha valiosa feramenta para determinar as relacións entre taxons.^[12] Os xenes estruturais en xeral están máis conservados debido a restricións funcionais e así poden ser útiles en estudos de taxons máis separados. As análises orixinais enriquecen as mostras de xenes estruturais por hibridación do ARNm.^[13]

Estratexias de estudos filoxenéticos máis recentes centráronse en xenes estruturais de función coñecida, conservados en diversos graos. As secuencias dos ARNr son frecuentes dianas nestes estudos, xa que están conservados en todas as especies.^[14] En microbioloxía estudáronse especificamente os xenes de ARNr de 16S para determinar as diferenzas a nivel de especies.^[15] En taxons de maior orde, a secuencia da COI é agora considerada o “código de barras da vida” e é aplicada para a maioría das identificacións biolóxicas.^[16]

Debate

Malia o amplo uso que ten clasificar os xenes en estruturais ou reguladores, estas categorías non son unha división absoluta. Recentes descubrimentos xenéticos poñen en cuestión a distinción estrita entre xenes reguladores e estruturais.^[17]

A distinción entre xenes reguladores e estruturais pode atribuírse ao traballo orixinal de 1959 sobre a expresión de proteínas no operón lac.^[18] Neste exemplo, unha soa proteína reguladora afecta a transcrición doutras proteínas que agora se sabe compoñen o operón lac. De aí en adiante distinguíronse os dous tipos de secuencias codificacdoras, estruturais e reguladoras.^[18]

Porén, os crecentes descubrimentos sobre a regulacón de xenes suxiren unha maior complexidade. A expresión de xenes estruturais é regulada por numerosos factores, como a epixenética (por exemplo por metilación), interferencia de ARN e outros. Os xenes reguladores e estruturais poden ser regulados epixeneticamente de forma idéntica, polo que non toda a regulación depende de “xenes reguladores”.^[17]

Hai tamén exemplos de proteínas que non se axustan ben a ningunha das categorías, como as proteínas chaperonas. Estas proteínas axudan ao pregamento doutras proteínas, un papel aparentemente regulador.^[19][20] Porén, estas mesmas proteínas tamén axudan ao movemento das proteínas chaperonadas a través das membranas,^[21] e foron agora implicadas en respostas inmunes (ver Hsp60) ^[22] e na vía apoptótica (ver Hsp70).^[23]

Máis recentemente, atopouse que se producían microARNs a partir de espazadores transcritos de xenes de ARNr.^[24] Así, un compoñente interno dun xene estrutural é, de feito, regulador. Os sitios de unión dos microARNs foron tamén detectados dentro de secuencias codificantes de xenes. Tipicamente, os ARNs interferentes teñen como diana a 3’ UTR, pero a inclusión dos sitios de unión dentro da secuencia da propia proteína permite que os transcritos destas proteínas regulen os microARNs dentro da célula. Demostrouse que esta interacción ten un efecto na expresión e así unha vez máis un xene estrutural contén un compoñente regulador.^[25]