Uso de Codones y Organización del Citoplasma de la Célula
Debido a que el código genético es redundante, las secuencias de codificación exhiben patrones de uso de codones altamente variables. Si no hubiera sesgo, todos los codones para un aminoácido dado deberían usarse más o menos por igual. Los genes de B. subtilis se han dividido en tres clases sobre la base de su sesgo de uso de codones. Una clase comprende la mayor parte de las proteínas, otra está compuesta por genes que se expresan a un alto nivel durante el crecimiento exponencial, y una tercera clase, con codones ricos en A+T, corresponde a porciones del genoma que se han intercambiado horizontalmente. ¿Cuál es la fuente de tales sesgos? Se esperaría que las mutaciones aleatorias hubieran suavizado cualquier diferencia, pero este no es el caso. También hay efectos sistemáticos del contexto, con algunas secuencias de ADN favorecidas o seleccionadas en contra.
El citoplasma de una célula no es un tubo de ensayo pequeño. Una de las características más desconcertantes de la organización del citoplasma es que se adapta a la presencia de una molécula en forma de hilo muy largo, el ADN, que se transcribe para generar una multitud de hilos de ARN que generalmente son tan largos como la longitud de toda la célula. Si las moléculas de ARNm se dejaran libres en el citoplasma, surgirían todo tipo de estructuras anudadas. Por lo tanto, deben existir algunos principios organizativos que impidan que las moléculas de ARNm y el ADN se enreden. Varios modelos, apoyados por experimentos, postulan una disposición donde las regiones transcritas están presentes en la superficie de un cromoide, de tal manera que la ARN polimerasa no tiene que circunscribir la doble hélice durante la transcripción. La compartimentación es importante incluso para moléculas pequeñas, a pesar de que pueden difundirse rápidamente. En una célula de B. subtilis que crece exponencialmente en medio rico, los ribosomas ocupan más del 15% del volumen de la célula. Por lo tanto, el citoplasma es un entramado de ribosomas, en el que las tasas de difusión local de moléculas pequeñas, así como de macromoléculas, son relativamente lentas. En la misma línea, la concentración de proteína calculada de la célula es ca. 100-200 mg ml-1, una concentración muy alta.
La maquinaria traslacional requiere un conjunto apropiado de factores de elongación, aminoacil-ARNt sintetasas y ARNt. Contando el número de moléculas de ARNt adyacentes a un ribosoma dado, se conceptualiza un número pequeño y finito de moléculas. Como consecuencia, un ribosoma traductor es un atractor que actúa sobre un grupo limitado de moléculas de ARNt. Esta situación proporciona una forma de presión selectiva, cuyo resultado sería la adaptación del sesgo de uso de codones del mensaje traducido en función de su posición dentro del citoplasma. Si el sesgo de uso de codones cambiara de ARNm a ARNm, estas moléculas diferentes no verían los mismos ribosomas durante el ciclo de vida. En particular, si dos genes tuvieran patrones de uso de codones muy diferentes, esto predeciría que los ARNM correspondientes no se forman dentro del mismo sector del citoplasma.
Cuando los hilos de ARNm están emergiendo del ADN, se enganchan por la red de ribosomas, y se trincan de un ribosoma al siguiente, como un hilo en una máquina de trefilado (tenga en cuenta que esto es exactamente opuesto a la visión de la traducción presentada en los libros de texto, donde se supone que los ribosomas viajan a lo largo de moléculas de ARNm fijas). En este proceso, las proteínas nacientes se sintetizan en cada ribosoma y se propagan por todo el citoplasma mediante la difusión lineal de la molécula de ARNm de un ribosoma al siguiente. Sin embargo, cuando el ARNm se desactiva del ADN, el complejo de transcripción a veces debe romperse. El ARNm roto es probable que sea una molécula peligrosa porque, si se traduce, produciría una proteína truncada. Tales fragmentos de proteínas son a menudo tóxicos, porque pueden alterar la arquitectura de complejos de multisubunidades (esto explica por qué muchos mutantes sin sentido son dominantes negativos, en lugar de recesivos). Existe un proceso que hace frente a este tipo de accidente en B. subtilis. Cuando una molécula de ARNm terminada prematuramente llega a su fin, el ribosoma deja de traducirse, no se disocia y espera. Un ARN especializado, tmRNA, que se pliega y procesa en su extremo 3′ como un ARNt y se carga con alanina, entra, inserta su alanina en el extremo C del polipéptido naciente, luego reemplaza el ARNm dentro de un ribosoma, donde se traduce como ASFNQNVALAA. Esta cola es una etiqueta de proteína que luego se usa para dirigirla a un complejo proteolítico (ClpA, ClpX), donde se degrada.
La organización de la red de ribosomas, acoplada a la organización de la superficie de transcripción del cromoide, asegura que las moléculas de ARNm se traduzcan paralelas entre sí, de tal manera que no formen nudos. Los operones policístrónicos aseguran que las proteínas que tienen funciones relacionadas se coexpresan localmente, permitiendo la canalización de los intermedios de la vía correspondientes. De esta manera, la estructura de las moléculas de ARNm se acopla a su destino en la célula y a su función en la compartimentación. Los genes traducidos secuencialmente en operones están conectados fisiológica y estructuralmente. Esto también es cierto para los ARNm que se traducen paralelos entre sí, lo que sugiere que varias ARN polimerasas participan en el proceso de transcripción simultáneamente, en yugo como animales de tiro. De hecho, si hay correlación de función y / o localización en una dimensión, existe una restricción similar en las direcciones ortogonales. Debido a que los ribosomas atraen moléculas de ARNt, provocan un acoplamiento local entre estas moléculas y los codones que se traducen. Esto predice que un ribosoma dado traduciría preferentemente ARNM con patrones similares de uso de codones. Como consecuencia, a medida que uno se aleja de un ribosoma fuertemente sesgado, habría cada vez menos disponibilidad de los ARNt más sesgados. Esto crea una presión de selección para un gradiente de uso de codones a medida que uno se aleja de los mensajes y ribosomas más sesgados, anidando transcripciones alrededor del núcleo central, formadas por transcripciones de genes altamente sesgados. Finalmente, la síntesis de ribosomas crea una fuerza repulsiva que empuja las hebras de ADN unas de otras, en particular de las regiones cercanas al origen de la replicación. Juntos, estos procesos resultan en un gen gradiente a lo largo del cromosoma, que es un elemento importante de la arquitectura de la célula.