Empalme alternativo

Qué es el empalme alternativo

Cuando una célula eucariota transcribe un gen, obtiene un ARN precursor (pre-ARNm) que contiene tanto exones como intrones. Antes de que ese transcrito pueda traducirse en una proteína, los intrones se eliminan y los exones se unen entre sí mediante un proceso de corte y empalme catalizado por el espliceosoma. En el empalme constitutivo, todos los intrones se retiran y todos los exones se conservan en el orden en que aparecen en el gen. El resultado es un único ARN mensajero por gen.

En el empalme alternativo, sin embargo, la maquinaria de corte y empalme selecciona distintas combinaciones de exones según señales reguladoras que varían con el tipo celular, el momento del desarrollo o las condiciones fisiológicas. Un mismo pre-ARNm puede así dar lugar a dos, diez o incluso miles de mensajeros maduros diferentes. El gen DSCAM de Drosophila ostenta uno de los récords documentados: más de 38 000 variantes de empalme a partir de un solo locus.

Contexto histórico del descubrimiento

El fenómeno se observó por primera vez en 1977, al estudiar el adenovirus. Richard Roberts y Phillip Sharp, de manera independiente, descubrieron que los transcritos de este virus contenían segmentos no contiguos del ADN genómico, lo que obligaba a postular un mecanismo de corte y reunión del ARN. Ambos recibieron por ello el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1993. Walter Gilbert, que en 1978 acuñó los términos exon e intron, fue quien articuló la idea de que la fragmentación de los genes permitiría generar diversidad proteica a partir de un repertorio génico limitado.

Modalidades de empalme alternativo

Se reconocen varias formas, y en la práctica muchas de ellas coexisten dentro del mismo gen.

Omisión de exón (exon skipping). Un exón que normalmente se incluiría en el mensajero maduro se salta, junto con sus intrones flanqueantes. Es la modalidad más frecuente en el genoma humano y la que más contribuye a la diversidad del proteoma.

Retención de intrón. Un intrón que debería eliminarse permanece en el ARNm maduro. Puede introducir un codón de terminación prematuro o alterar el marco de lectura, lo que a veces se utiliza como mecanismo regulador para degradar transcritos no deseados.

Sitios donador o aceptor alternativos. El corte se produce en una posición ligeramente distinta dentro de la frontera exón-intrón, de modo que el exón resultante es unos pocos nucleótidos más largo o más corto que en la variante constitutiva. Estas diferencias, aparentemente pequeñas, pueden modificar la función de la proteína final.

Exones mutuamente excluyentes. De un par de exones, el espliceosoma incluye uno u otro, pero nunca ambos a la vez. El gen del receptor de la fibronectina, por ejemplo, emplea este mecanismo para generar isoformas con afinidades de unión distintas.

Regulación del proceso

La decisión sobre qué exones se incluyen depende de una red de señales en el propio ARN (elementos cis) y de proteínas reguladoras (trans) que se unen a ellas. Las proteínas SR (ricas en serina y arginina) suelen favorecer la inclusión de un exón, mientras que las ribonucleoproteínas heterogéneas nucleares (hnRNP) tienden a promover su exclusión. Cada tejido expresa proporciones distintas de estos factores, lo que explica por qué un mismo gen puede producir proteínas con funciones opuestas en células diferentes.

Relevancia clínica

Se calcula que entre el 15 y el 60 % de las enfermedades genéticas humanas implican mutaciones que afectan al empalme. Una mutación en un sitio donador o aceptor puede provocar la omisión de un exón, la retención de un intrón o la activación de un sitio críptico que normalmente no se utiliza. La atrofia muscular espinal, causada por la exclusión del exón 7 del gen SMN2, es quizá el ejemplo más conocido. El desarrollo de oligonucleótidos antisentido capaces de redirigir el patrón de empalme (nusinersén fue el primero en aprobarse) ha abierto una vía terapéutica nueva para varias enfermedades de origen génico. No todos los defectos de empalme se heredan: mutaciones somáticas que alteran el empalme se detectan con frecuencia en tumores sólidos y hematológicos.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la expresión «empalme alternativo»?

«Empalme» traduce el inglés splicing, un término que los biólogos moleculares tomaron prestado de la jerga de marineros y electricistas, donde significaba unir dos cabos o cables cortados. «Alternativo» indica que la unión de los exones no sigue siempre el mismo patrón.

¿Es lo mismo empalme alternativo que empalme alternativo del ARN?

Sí. La expresión «empalme alternativo del ARN» simplemente explicita que el proceso ocurre sobre moléculas de ARN precursor. En la práctica, «empalme alternativo» y «empalme alternativo del ARN» se usan de manera intercambiable en la literatura en español.

¿Todos los organismos emplean empalme alternativo?

Es predominante en eucariotas, cuyo ADN contiene intrones. Las bacterias, que en general carecen de intrones, no utilizan este mecanismo. Se ha descrito empalme alternativo en algunos virus y en arqueas, pero su frecuencia y complejidad son muy inferiores a las observadas en animales y plantas.

¿Puede un solo gen producir realmente miles de proteínas?

Puede, aunque no es lo habitual. La mayoría de los genes humanos generan entre dos y una docena de isoformas. Casos como el gen DSCAM de la mosca del vinagre, con decenas de miles de combinaciones posibles, son poco frecuentes y suelen tener funciones muy especializadas (en ese caso, la identidad neuronal individual).

Referencias

1. National Human Genome Research Institute (NHGRI). Alternative Splicing. Talking Glossary of Genomic and Genetic Terms.
2. Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU. ¿Cómo dirigen los genes la producción de proteínas? MedlinePlus en español.
3. Real Academia Nacional de Medicina de España. Diccionario de términos médicos. Entrada: «corte y empalme alternativo».
4. Artemaki PI, Kontos CK. Alternative Splicing in Human Physiology and Disease. Genes. 2022;13(10):1820.