Genes monocistrónicos, policistrónicos y genes en tándem
La replicación del ADN ya sea para generar una copia de material genético o para la síntesis de proteínas es uno de los procesos que más energía gastan de toda la célula. Es por eso que no es raro que se hayan intentado encontrar soluciones o pequeños parques para disminuir la energía que se emplea. Una de las formas más eficientes de mejorar todo el sistema es no teniendo que hacer tantas copias o evitando que el sistema de control tenga que ir gen por gen controlando y modulando su expresión. En eucariotas este tipo de estrategias han sido abolidas, los grandes genomas eucariotas contienen gran cantidad de ADN sin función protéica, solo un 5% del genoma aproximadamente codifica proteínas. En cambio las bacterias y los virus necesitan ahorrar cada molécula de energía posible, puesto que en ellos cada célula es un individuo y no tiene la ayuda de las células de su entorno.
Una de las mejores estrategias para aumentar la eficiencia del sistema es que los genes que codifican proteínas de un mismo proceso o ruta metabólica estén contenidos todos en la misma región cromosómica. De esta manera la activación de tan solo una región permite activar todo un sistema. A veces son copias de un mismo gen que se encuentran una detrás de la otra. En estas ocasiones se dice que están en tándem. Los genes en tándem permiten que la polimerasa que los copiará no tenga que irse muy lejos para seguir trabajando. Sin embargo, en eucariotas los genes en tándem forman cada uno su propio ARN mensajero. Aunque se han descrito algunas formaciones que podrían ser de origen policistrónico y que con el tiempo se hubieran unido para formar una enzima de mayor tamaño o que se hubiesen separado en diferentes genes. En este aspecto las bacterias y los virus han mantenido un sistema mucho más eficiente.
Los genes policistrónicos son grupos de genes codificantes que se transcribirán a una única molécula de ARN mensajero. Esta única molécula será traducida por los ribosomas y dará diferentes proteínas que por lo general actúan de forma compenetrada. De esta manera el organismo se asegura que las proteínas de cada uno de los componentes de un sistema o ruta se sinteticen en las mismas proporciones. En genética se emplea el nombre de cistrón para referirse a una unidad de material genético que dará lugar a una proteína. Como estas estructuras propias de bacterias darán lugar a varias proteínas se les denomina policistrónicos. En contraposición el ARN mensajero monocistrónico dará lugar a una sola proteína. Lee más sobre lo que es un cistrón aquí.
Un gen policistrónico tendrá varias secuencias de iniciación de la traducción (el triplete que codifica para metionina, AUG). Si bien la ARN polimerasa haría una sola hebra de ARN cuando leyese ese ADN, cuando llegase al ribosoma la maquinaria de traducción sería capaz de diferenciar los diferentes marcos de lectura (ORF) y tomar los AUG como origen de proteínas diferentes, que evidentemente están separadas por secuencias de terminación. Los cuales se encuentran repetidos varias veces seguidas para asegurar que las proteínas se separan. En este aspecto se han encontrado genes policistrónicos cuyos marcos de lectura estaban solapados (la misma cadena leída en diferentes tripletes daba proteínas funcionales diferentes), estos genes pueden presentar una única secuencia de terminación para todas las proteínas.