miniatura|300px|dereita|Fluxo da información xenética. Os xenes exprésanse ao ser transcritos a ARN, e este transcrito pode despois traducirse a proteínas. A expresión xénica é o proceso por medio do cal a información dun xene se utiliza para sintetizar un produto xénico funcional. Estes produtos son moitas veces proteínas, pero tamén existen xenes que non codifican proteínas, como os xenes dos ARN ribosómicos, ARN transferentes ou ARN nucleares pequenos, nos que o produto sintetizado é un ARN funcional. O proceso de expresión xénica utilízano todas as formas de vida coñecidas: eucariotas (tanto os unicelulares coma os pluricelulares), procariotas (bacterias e arqueas), para xerar as macromoléculas necesarias para a vida. Poden modularse varias fases do proceso da expresión xénica, como a transcrición, o splicing de ARN, a tradución, e a modificación postraducional dunha proteína. A regulación da expresión xénica dálle á célula o control sobre a súa estrutura e funcións, e é a base para a diferenciación celular, morfoxénese e a versatilidade e adaptabilidade dun organismo. A regulación xénica pode tamén servir como substrato para o cambio evolutivo, xa que o control do momento, localización, e cantidade de expresión dun xene pode ter un profundo efecto nas funcións (accións) do xene na célula ou nun organismo pluricelular.
En xenética, a expresión xénica é o nivel máis fundamental no que o xenotipo orixina o fenotipo. O código xenético do ADN é "interpretado" por medio da expresión xénica, e as propiedades da expresión dan lugar ao fenotipo do organismo. Os fenotipos a miúdo exprésanse pola síntese de proteínas que controlan a forma do organismo, ou que actúan como encimas que catalizan vías metabólicas específicas características de cada organismo.
Mecanismo Transcrición miniatura|400px|ARN polimerase movéndose ao longo dun tramo de ADN deixando atrás o ARN recentemente sintetizado. O proceso de transcrición lévao a cabo a ARN polimerase (RNAP), que utiliza o ADN (en negro) como un molde e produce ARN (azul).
Un xene é un tramo de ADN que codifica información. O ADN xenómico consta de dúas cadeas antiparalelas e complementarias en bases nitroxenadas, cada unha cos seus extremos 5' e 3'. Con respecto a un xene, as dúas cadeas poden denominarse "cadea molde," que serve como molde para a produción do transcrito de ARN, e a "cadea codificante," que inclúe a versión do ADN igual á do transcrito de ARN (pero con T en vez de U). A produción de copias de ARN a partir do ADN chámase transcrición xenética, e realízaa a ARN polimerase, que engade un por un nucleótidos de ARN á cadea de ARN en crecemento. Este ARN é complementario da cadea molde 3' → 5' de ADN, a cal é complementaria da cadea codificante 5' → 3' do ADN. Por tanto, a cadea de ARN 5' → 3' resultante é idéntica á cadea codificante coa excepción de que a timina (T) está substituída por uracilo (U) no ARN. Unha cadea codificante de ADN coa secuencia "ATG" pasará indirectamente a súa información ao ARN ao facerse a transcrición da cadea non codificante (ou molde) como "AUG" no ARN.
A transcrición en procariotas lévaa a cabo un só tipo de ARN polimerase, que necesita unha secuencia de ADN chamada caixa de Pribnow e o factor sigma (σ) para empezar a transcrición. Nos eucariotas, a transcrición realízana tres tipos de ARN polimerases, cada unha das cales necesita unha secuencia especial no ADN chamada promotor e un conxunto de proteínas de unión ao ADN (factores de transcrición) para iniciar o proceso. A ARN polimerase I é a responsable da transcrición dos xenes do ARN ribosómico (ARNr). A ARN polimerase II (Pol II) transcribe todos os xenes codificantes de proteínas e tamén algúns non codificantes (como os dos ARN nucleares pequenos, ARN nucleolares pequenos ou ARN non codificantes longos). A Pol II inclúe un dominio C-terminal (CTD) que é rico en residuos de serina. Cando estes residuos son fosforilados, o dominio C-terminal únese a varios factores proteicos que promoven a maduración e modificación do transcrito. A ARN polimerase III transcribe os xenes dos ARNr 5S, os ARN transferentes (ARNt), e algúns pequenos ARNs non codificantes (como o 7SK). A transcrición remata cando a polimerase encontra unha secuencia chamada terminador.
Procesamento do ARN
A transcrición en procariotas de xenes que codifican proteínas orixina ARNm que está listo para a súa tradución a proteínas, pero a transcrición nos eucariotas dá lugar a un transcrito primario de ARN (o ARNm precursor ou pre-ARNm), o cal primeiro sofre unha serie de modificacións para transformarse no ARNm que será traducido.
Estas modificacións inclúen a modificación do extremo 5' (proceso chamado capping), que consiste nun conxunto de reaccións encimáticas que engaden 7-metilguanosina (m7G) no extremo 5' do pre-ARNm, o que o protexe da degradación por exonucleases. Esta "carapucha" m7G (ou 5'-cap) únese despois a un complexo de unión á carapucha heterodímero (CBC20/CBC80), que axuda á exportación do ARNm ao citoplasma e ademais protexe ao ARN de perder a carapucha.
Outra modificación afecta ao extremo 3', que é clivado e poliadenilado. Ten lugar se está presente no pre-ARNm a secuencia sinal de poliadenilación (5'- AAUAAA-3'), que se encontra xeralmente entre a secuencia codificadora da proteína e o terminador do xene. Primeiro clívase (córtase) o pre-ARNm e despois engádense unha serie de ~200 bases adeninas (A) para formar a cola poli(A), que protexe o ARN da degradación. Á cola poli(A) únense moitas proteínas de unión á poli(A) (PABP) necesarias para a exportación do ARNm e a reiniciación da tradución.
dereita|miniatura|350px|Procesamento do ARNm para formar o ARNm maduro. Ilustración simplificada dos exóns e intróns dun pre-ARNm e a formación do ARNm maduro por splicing. Os UTRs non son partes codificantes de exóns e están situadas nos extremos do ARNm. Unha modificación moi importante do pre-ARNm eucariótico é o splicing do ARN. A maioría dos pre-ARNm eucarióticos consisten en segmentos alternantes codificantes e non codificantes chamados exóns e intróns. Durante o proceso de splicing, un complexo ARN-proteína catalítico chamado espliceosoma, cataliza dúas reaccións de transesterificación, as cales eliminan un intrón e libérano en forma dunha estrutura con forma de lazo ou bucle chamada lariat, e despois empalman xuntos os exóns veciños que limitaban co intrón eliminado. En certos casos, algúns intróns ou exóns poden ser eliminados ou retidos no ARNm maduro. Isto chámase splicing alternativo, e dá lugar a unha serie de transcritos diferentes orixinados todos a partir dun só xene. Como estes transcritos poden ser traducidos potencialmente a diferentes proteínas, o splicing aumenta a complexidade da expresión xénica eucariótica.
O procesamento do ARN pode ser unha vantaxe evolutiva feita posible grazas á existencia do núcleo nos eucariotas. Nos procariotas a transcrición e tradución ocorren á vez mentres que nos eucariotas a membrana nuclear separa os dous procesos dando tempo a que se produza o procesamento do ARN.
Maduración do ARN non codificante Na maioría dos organismos os xenes de ARN non codificante (ARNnc) transcríbense como precursores que sofren un procesamento ulterior. No caso do ARN ribosómico (ARNr), transcríbense a miúdo como un pre-ARNr que contén un ou máis ARNr; o pre-ARNr é clivado e modificado (por 2′-O-metilación e formación de pseudouridina) en sitios específicos por aproximadamente 150 especies de ARN nucleolares pequenos diferentes ou snoRNAs. Os snoRNAs asócianse con proteínas, formando ribonucleoproteínas (snoRNPs). Dese complexo, a parte formada polo snoRNA únese por complementariedade de bases co ARN diana e así sitúa a modificación no sitio preciso, e a parte formada pola proteína realiza a reacción catalítica. En eucariotas, certa snoRNP, chamada RNase MRP cliva o pre-ARNr de 45S nos ARNr de 28S, 5,8S, e 18S. O ARNr e os factores de procesamento do ARN forman grandes agregados que constitúen o nucléolo.
No caso do ARN transferente (ARNt), por exemplo, a secuencia 5' é eliminada pola RNase P, e o extremo 3' é eliminado polo encima tRNase Z e unha nucleotidil transferase engade unha cola 3' CCA (non codificada no ADN molde). No caso do micro ARN (miRNA), estes son primeiro transcritos como pri-miRNA cunha carapucha (cap) e unha cola poli-A e procesados para formar no núcleo celular estruturas de talo-lazo curtas de 70 nucleótidos chamadas pre-miRNA polos encimas Drosha e Pasha. Despois da súa exportación, son despois procesadas a miRNAs maduros no citoplasma ao interaccionaren coa enconuclease Dicer, a cal tamén inicia a formación do complexo RISC, composto pola proteína Argonauta.
Os propios ARN nucleares pequenos e ARN nucleolares pequenos sofren tamén unha serie de modificacións antes de que formen parte de complexos ribonucleoproteicos funcionais. Isto faise no nucleoplasma ou en estruturas especializadas chamadas corpos de Cajal. As súas bases son metiladas ou pseudouridiniladas por un grupo de ARNs pequenos específicos dos corpos de Cajal (scaRNAs), que son estruturalmente similares aos ARN nucleolares pequenos.
Exportación do ARN Nos eucariotas a maioría dos ARN maduros deben ser exportados ao citoplasma desde o núcleo da célula. Aínda que algúns ARNs funcionan no núcleo, moitos ARNs son transportados a través dos poros nucleares ao citosol. Entre os exportados están todos os tipos de ARN que están implicados na síntese de proteínas. Nalgúns casos os ARNs son transportados adicionalmente a partes específicas do citoplasma, como as sinapses; son remolcados ata alí por proteínas motoras que se unen por medio de proteínas de enlace a secuencias específicas (chamadas "códigos cremalleira" ou zipcodes) do ARN.
Tradución 300px|miniatura|dereita|Ribosoma traducindo un ARNm a unha cadea de aminoácidos (proteína). Durante a tradución, o ARNt cargado cun aminoácido entra no ribosoma e alíñase co triplete correcto do ARNm. O ribosoma despois engade aminoácidos á cadea proteica en crecemento.
Para algúns ARN (o ARN non codificante) o ARN maduro é o produto xénico final. No caso do ARN mensaxeiro o ARN é simplemente un transportador de información que codifica para a síntese dunha ou máis proteínas. O ARNm que leva a secuencia dunha soa proteína (común en eucariotas) é monocistrónico, e o que leva as secuencias de varias proteínas (común en procariotas) denomínase policistrónico.
Cada ARNm consta de tres partes: rexión non traducida 5' (5'UTR), rexión codificante da proteína (ou marco de lectura aberto, ORF) e rexión non traducida 3' (3'UTR). A rexión codificante leva a información para a síntese de proteínas codificada no código xenético en forma de tripletes de nucleótidos. Cada triplete de nucleótidos dunha rexión codificante chámase codón e corresponde cun sitio de unión complementario dun triplete anticodón situado no ARN transferente. Os ARNs transferentes coa mesma secuencia anticodón sempre levan o mesmo aminoácido. Os aminoácidos son despois unidos en cadea no ribosoma de acordo coa orde dos tripletes da rexión codificante. O ribosoma axuda ao ARN transferente a unirse ao ARN mensaxeiro, toma o aminoácido de cada ARN transferente e produce unha proteína aínda sen estrutura, que sae del. Cada molécula de ARNm tradúcese moitas veces orixinando moitas copias da mesma proteína, como media unhas 900 nos mamíferos.