2 regulación de expresión génica eucariotas (definitivo)

Regulación de la expresión génica en células eucariotas



Universidad de Carabobo Núcleo Aragua Facultad de Ciencias de la Salud

Escuela de Medicina Dr. Witremundo Torrealba Departamento de Bioquímica y Fisiología.

Docente:• Fabiola Sarcolira

Bachilleres:• Rincones Nixa• Trejo Javier• Trocel Naian• Valera Pierina

Regulación de la expresión génica

en células eucariotas

Abril 2015Abril, 2015


ContenidoOBJETIVO: Explicar las principales formas de regulación genética en los organismos eucariotas a. Control Pre-transcripcional. Remodelado de la cromatina,

acetilaciones y desacetilaciones. Metilaciones.

b. Control Transcripcional. Mediación de hormonas esteroides. Segundos mensajeros. Secuencias silenciadoras. Secuencias potenciadoras (enhancers).

c. Control Post-transcripcional. Procesamiento alternativo del ARNm. Regulación de la estabilidad del ARNm. Reagrupamiento y amplificación de genes. Edición o corrección del ARNm.

d. Control Traduccional. Mecanismos alternativos.

e. Control Post-Traduccional. Ubiquitinación. Proteosoma.


Expresión Génica

Proceso completo por el cual se decodifica la información codificada en un gen para formar una proteína.

Regulación de la expresión génica

Se le conoce a la regulación de la síntesis de macromoléculas, es decir, de proteínas que conforman un gen; de acuerdo a las necesidades de las células.

Procariotas• Control de la transcripción,

traduciéndose todo mensaje transcrito en proteínas.

• Responde al ambiente nutricional y físico.

Eucariotas• Esta al servicio de la

especialización celular.• Algunos genes no responden a

cambios fisiológicos.


La cantidad de una determinada proteína puede regularse en

distintos niveles

Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición


Control Pre-

Transcripcional


Control Pre-Transcripcional

Independientemente del estado de la maquinaria intrínseca de la transcripción (ARN polimerasa) y sus factores de transcripción; la disponibilidad del gen para ser transcrito depende de otros factores como son: estructura de la cromatina y grado de metilación del ADN

Control Epigenéti

co

Cromatina

ADNProteína

s Histonas

Proteínas No Histonas

Esquemas extraídos de The Medical Biochemistry .


Cromatina

Eucromatina(Transcripcionalmente

Activa)

Heterocromatina(Transcripcionalmente

Inactiva)


Estructura de la cromatina no permanente.

Remodelado de la Cromatin

a

Se ejerce fundamentalme

nte sobre la estructura del nucleosoma

Esquema extraído de The Medical Biochemistry .



Modificación covalente de determinados residuos de aminoácidos de las histonas.

ACETILACION DESACETILACION Histonas

La acetilación disminuye la carga positiva de las

histonas y su interacción electrostática con el ADN.

Residuos de Lys




Complejos enzimáticos encargados de acetilar/desacetilar las histonas

Acetiltransferasas de Histonas (HAT)

Desacetilasas de Histonas (HDAC)

HAT nucleares

HAT citosólicas

La acetilación del nucleosoma es crítica para la interacción del nucleosoma con

otras proteínas..

Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.



Modificación covalente de grupos metilo en las bases.

METILACION

De los procesos de metilación se encarga una ADN metiltransferasa o metilasa.El proceso de desmetilación lo cataliza una desmetilasa que reconoce la secuencia CpGm

Residuos de Citosina del extremo 5´




METILACION

Residuos de Citosina del extremo 5´




CROMATINA HISTONA ADNNo condensada

(transcripcionalmente activa)

Acetilada No metilado

Condensada (transcripcionalment

e inactiva)

Desacetilada Metilado

<<El efecto final de la remodelación de la

cromatina consiste en aumentar la

accesibilidad y en marcar un segmento de la cromatina para facilitar la unión y la

actividad de los factores de

transcripción que regulan la expresión del gen o de genes

que allí se encuentran>>




ACTIVACIÓN TRANSCRIPCIONAL

- ADN Hipometilado - Histona Hiperacetilada

REPRESIÓN TRANSCRIPCIONAL

- ADN Hipermetilado - Histona Hipoacetilada

REMODELADO DE LA CROMATINA



Control Transcripcional



Determina la frecuencia o velocidad de inicio de transcripción mediante la accesibilidad de los sitios de inicio, la disponibilidad de los factores de transcripción y la eficacia de los promotores.

Presencia de factores de

transcripción activos

Proteinas activadoras

Proteinas coactivadoras

Principal mecanismo de la regulación de la transcripción

Factores que lo estimulan:• Mediación de Hormonas

esteroideas.• Segundos mensajeros• Secuencias potenciadoras y

silenciadorasElementos cis-trans



MEDIACION DE HORMONAS ESTEROIDES

Interacción con receptores intracelulares.

No se unen a receptores de

membrana plasmática.

Interacción directa de señales moleculares con la modulación de proteínas reguladoras

La unión hormonal provoca

cambios en la conformación de la proteína

receptora.

El complejo hormona receptor puede tanto potenciar como suprimir la expresión de los genes adyacentes.

Esquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud.



Activación de genes tras

interacciones de hormonas

hidrofílicas con receptores de membrana.

SEGUNDOS MENSAJEROS

Son biomoléculas pequeñas e iones cuyas concentraciones cambian como respuesta a un estimulo y dan lugar a la transmisión de una señal hasta generar algún tipo de respuesta final.

AMPc Fosforilación de

proteína nuclear

Activación de

expresión de genes

Esquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud.



SECUENCIAS SILENCIADORAS Y POTENCIADORAS

La expresión de algunos genes sufre una regulación aun mas compleja, que depende de secuencias situadas a

gran distancia del punto de inicio.

Esto ocurre especialmente para los genes inducibles, aquellos que no expresan continuamente en la célula.

En general se les llama secuencias promotoras distales, por encontrarse alejadas del origen o también, de acuerdo con su función.

¿PROMOTOR?


Estas secuencias promotoras son muy variadas y especificas para cada gen. De acuerdo a ello se clasifican

en dos tipos:

POTENCIADORES ( ENHANCERS): Pueden

aumentar mucho la velocidad de inicio de transcripción.

SILENCIADORES O INHIBIDORES (SILENCERS): Tienen el efecto

opuesto, factores de transcripción que se unen a ellos y compiten con la acción de los específicos de los

promotores potenciadores y proximales.




Control Post-

Transcripcional


Control Post-Transcripcional

GENES EUCARIÓTICOS

Unidades de transcripción

sencillas

El transcrito primario sólo puede sufrir un procesamiento único

Unidades de transcripción complejas

A partir de un mismo transcrito primario se puedan formar

diferentes moléculas de ARNm

Dando lugar a varias proteínas relacionadas, pero diferentes

SEÑALES DE POLIADENILACIÓN



Splicing Alternativo

Regulación de la estabilidad del

ARNm

Reagrupamiento y amplificación de

genes

Edición o corrección del

ARNm

Esquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud..



El ARN mensajero primario es la transcripción literal de ADN a ARN.

SPLICING ALTERNATIVO

Es un proceso de edición post-transcripcional que se produce tras la obtención del ARNm primario.

Los ARNs de algunos genes tienen patrones de splicing,

cuando un solo gen da lugar a más de una secuencia.

En los genes de eucariotas no todo el ADN que se transcribe en el mensajero primario va a

ser traducido.

Distintas Isoformas

Intrones y Exones




SPLICING ALTERNATIVO

Permite que en un mismo gen pueda estar codificada la información necesaria para sintetizar distintas proteínas.

Se obtienen varias secuencias de ARN mensajero maduro

dependiendo de cuáles sean los exones que se

combinen.

Mecanismo de Splicing Alternativo

Originar distintas isoformas

Funcionales de una misma

proteína.




REGULACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL ARNm

La regulación de la estabilidad de las moléculas de ARNm es otra variante que puede afectar a la cantidad de proteína sintetizada por

una célula.

La modificación de la duración de la vida de los mensajeros es un factor importante en la regulación de la expresión de algunos genes

Ciertas hormonas pueden afectar

dicha estabilidad

La estabilización de los mRNAs de oncogenes.




Regulación de la estabilidad de los mensajeros de Histonas: Fuera de las divisiones celulares, la duración de vida de los mensajeros de histonas es muy débil para poderse estimar. Durante la división, su duración de vida es de alrededor de 15 a 60 minutos.

Núcleo de histonas

Horquilla ARNm

Si la replicación del DNA está bloqueada por inhibidores, la duración de vida de los mensajeros de histona se derrumba

La delección de la horquilla en el extremo 3’ conlleva una estabilización de los mensajeros y su acoplamiento a un mensajero estable lo desestabiliza.





Una región rica en AU en la porción 3' del mensajero pudiera ser la diana para la fijación de una proteína que pudiera provocar un acortamiento de la cola poli A.

Los mRNAs de las histonas no son poliadenilados, pero la estructura en horquilla que poseen en 3' pudiera interactuar con el ribosoma al cual se asocia una actividad 3' exonucleásica susceptible de destruir el RNA.

La cual juega un importante rol estabilizador en los

mensajeros.

En la región codificadora y en el extremo 5' no traducido también pueden existir estructuras y regiones que determinan la estabilidad de los mensajeros.




REAGRUPAMIENTO Y AMPLIFICACIÓN DE GENES

Aunque la organización del genoma es relativamente estable, existe una pequeña fracción del mismo que puede sufrir

cambios.

Estos procesos son mas comunes en las células eucariotas

inferiores que en las animales.

En las levaduras se producen translocaciones de copias de genes

desde posiciones silenciosas a posiciones activas.

Mediante el cambio del gen que se encuentra en la posición activa por

una copia de otro gen, se puede activar un gen y silenciar otro

Célula de levadura




REAGRUPAMIENTO Y AMPLIFICACIÓN DE GENES

En las células animales, la reorganización de secuencias génicas es un acontecimiento muy poco frecuente, con la excepción del sistema inmunitario.

En cada linfocito B tiene lugar una recombinación

somática en la que se selecciona una de las

diferentes secuencias de cada tipo

Reagrupamiento único de secuencias, originando la

síntesis de una inmunoglobulina

específica.

La organización de los genes o secuencias que codifican las inmunoglobulinas es diferente en los linfocitos B, que en las células germinales o en el resto de las

células somáticas del organismo. Molécula de Ig



Control Post-TranscripcionalREAGRUPAMIENTO Y AMPLIFICACIÓN DE GENES

En las células animales también se ha observado el fenómeno de amplificación

de determinados genes.

Como respuesta a una presión exógena.

Las células en cultivo se hacen resistentes a

determinados inhibidores enzimáticos.

Amplificando el número de copias del gen que codifica la

enzima afectada por el inhibidor.• El metotrexato (inhibidor de

dihidrofolato reductasa, DHFR), induce la amplificación del gen de DHFR.

• El DFMO (un inhibidor de ornitina descarboxilasa, ODC), produce la amplificación del gen de ODC.




EDICIÓN O CORRECIÓN DEL ARNm

Se ha comprobado que un mismo gen puede dar lugar a dos proteínas de diferente tamaño en tejidos diferentes, en función de un cambio en una sola base de la secuencia nucleotídica del ARNm.

La proteína sintetizada (apolipoproteína B-48) utilizando este ARNm modificado tiene un tamaño menor (2152 aminoácidos), pero una secuencia similar a la mitad N-terminal de la apolipoproteína B-100 hepática.

Un triplete interno del ARNm de la apolipoproteína B-100, que en el hígado da lugar a una cadena polipeptídica de 4536 residuos, es modificado enzimáticamente en el intestino, transformándose el triplete CAA , codificador de lisina, en un triplete de terminación (UAA),



EDICIÓN O CORRECIÓN DEL ARNmEsquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología

Molecular para Ciencias de la Salud..

Editado o corregido de ARNm. a) Determinadas bases de ciertas moléculas de ARNm son desaminadas enzimáticamente, con la consiguiente transformación en otras bases. b)Ejemplo del editado del ARNm de la apolipoproteina B.


Control Traduccional



Existen genes que se regulan tanto en

las etapas de transcripción como

de traducción, estando implicada esta última en el ajuste preciso en

los niveles de proteínas celulares

1• Fosforilación de factores de inicio de la

traducción.

2• Unión de proteínas represoras al ARNm.

3• Impedimento en interacción entre eIF4E y

eIF4G.

4• Regulación de expresión génica dirigida

por ARN.

Modulación de la frecuencia de la traducción celular en respuesta a las necesidades bajo diferentes condiciones

ambientales.

Iniciación, etapa

limitante.

Complejo de preiniciación.

Estructuras secundarias

en ARNm



FOSFORILACIÓN DE FACTORES DE INICIO DE LA TRADUCCIÓNForma fosforilada es menos activa y causa

depresión general en la traducción celular.Ej. Síntesis de Hb.

Velocidad de traducción ARNm

- [Hemo].

Interfiere en reutilización de

eIF-2

Activación de “Inhibidor

Controlado por Hemo”.

No se añade Met inicial.

Afecta a traducción de

todos los ARNms de la célula.




Proteína específica + 5´-ARNm = Represión de traducción

UNIÓN DE PROTEÍNAS REPRESORAS AL ARNm.

Fe = Núcleo Fe – S

Sin interacción con ARNm

Proteínas Reguladoras

de Hierro (IRP) + 5´ ARNMm

Fe = elevada afinidad por Horquilla – ARNm IRE

EJ. Ferritin

a




Proteína específica + 3´-ARNm = Protección ARNm – vida media ARNm

UNIÓN DE PROTEÍNAS REPRESORAS AL ARNm.

Fe = IRP + ARNm

Motivos IRE 5´Síntesis.

Protección frente a

degradación

Ej. Receptor de

Transferrina

Fe = IRP inactiva ante

ARNmMotivos IRE 5

´Síntesis.

Degradación ARNm Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e

Ingeniería Genética .



IMPEDIMENTO EN INTERACCIÓN ENTRE eIF4E - eIF4G.

Impedimento o disminución de traducción. Represores de traducción.

Crecimiento celular lento = limitación de

traducción

Crecimiento celular aumenta =

inactivación de proteínas unión.

Complejo de iniciación.

Subunidad ribosómica 40S

Región 3ńo traducida (3ÚTR)

Gen

Casquete 5´

Cola de Poli (A) 3

´

Subunidad ribosómica 40S

Proteína de unión a Poli (A)

3´

Casquete 5´

Región 3ńo traducida (3ÚTR)

Esquemas extraídos de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición.



REGULACIÓN DE EXPRESIÓN GÉNICA DIRIGIDA POR ARN.

Ej. Reticulocito

s.

eIF2 se une al ARNt-Met

Ribosoma (P).

eIF2 reciclado por eIF2B.

Destrucción de núcleo celular =

Hb.

ARNm citoplasma (antes de pérdida

nuclear) = Reposición de Hb.

Fe traducción de ARNm globina se reprime.

HCR (Represor controlado por

Hemina) – Proteína quinasa.

eIF2 inestable,

no participa en

traducción.

Interacción del ARN bajo ciertas condiciones interrumpe/reprime la traducción.

Eritrocito Reticulocitos.Esquema extraído de The Medical

Biochemistry .



REGULACIÓN DE EXPRESIÓN GÉNICA DIRIGIDA POR ARN.Silenciamiento de genes por interferencia de

ARN ARN-micro

Interacción con ARNm = silenciamiento

genes.

Control del desarrollo temporal.

ARNst (pequeños

temporales).

Corte de precursores del

ARNmi por endonucleasas.

(RISC).

Unión a ARNm diana.

Complementariedad Parcial o Casi

Perfecta.

Precursor

ARN Dúplex

ARNm silenciado

Degradación

Inhibición de la traducción Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica

5ª Edición


Control Post -

Traduccional


Control Post-Traduccional

VÍA UBIQUITINA - PROTEOSOMA

Procesos degradativos de

proteínas.

Control de las modificaciones post traduccionales que sufren las

proteínas.

Sin intervención

de lisosomas.

UBIQUITINA

Señalización

PROTEOSOMA

Degradador

CICLO DE LA UBIQUITINA Y DEGRADACIÓN PROTEICA

DESCONJUGACIÓN

CONJUGACIÓN

DEGRADACIÓN




UBIQUITINA (Globular – Rígida – Estable)

UBIQUITINA

UBIQUITINA

UBIQUITINA

Proteína Diana

Proteína Diana

La repetición del ciclo conduce a la fijación de más

ubiquitina

Ubicua

Citoplasma

Núcleo

Marcador Selectivo

de Degradació

n

Reacción en

cascada

3 Enzimas

E2Conjugadora de Ubiquitina

E3Ubiquitina

Ligasa

E1Activadora

de Ubiquitina

Enlace Isopeptídico = Beso de la Muerte

Señales:- Residuos

Amino terminal

- Secuencias PEST

(Pro,Glu,Ser,Thr)

Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición



UBIQUITINA

Desubiquitinasas Hidrólisis enlace Gly

- Lys

Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética .



PROTEOSOMA (Complejo Proteico – Proteososma 26S)

Enlace Isopeptídico = Beso de la Muerte

Proteína Sustrato

La Poliubiquitina unida a la proteína interacciona con el proteasomaPartícula

Reguladora 19S

Proteasoma CompletoPartícula Núcleo 20S

PROTEASOMA 20S -Cilíndrica-28 Subunidades -Núcleo Catalítico

COMPLEJO 19S -17 – 20 Subunidades-Partícula Reguladora-Actividad ATPasa-Reconoce Conjugados Proteína -Poliubiquitina

Isopeptidasa - desnaturaliza

-Subunidades: α y β(centro activo) -Proteólisis Secuenciales

Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición.



PROTEOSOMA

Control del ciclo celular, metabolismo, procesamiento de información genética y colaboración con enzimas

proteolíticas.

Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética .


- David L. Nelson, M. M. (2007). Lehninger - Principios de Bioquímica,

5ta Edición. New York, Basingstoke: Omega

- Thomas M. Devlin. Bioquímica: Libro de texto con aplicaciones

clínicas. 4ª Ed . Editorial Reverté, S.A. 2004.

- Lozano, J.A., Galindo J.D., Garcia-Borron, J.C., Garcia-Liarte, Penafiel,

R. y Solano, F. Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la

Salud. Mc Graw–Hill-Interamericana. 2005.

- Luque, J., Herráez, A. Biología Molecular e Ingeniería Genética.

Editorial Harcout. 2001.- King, M. W. (02/2015). The medical biochemistrypage. Recuperado

el 20 de 02 de 2015, de themedicalbiochemistrypage.org

BIBLIOGRAFÍA


!Muchas Gracias por su atención¡

2 regulación de expresión génica eucariotas (definitivo)

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