UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGAUNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGAFACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICASFACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS BIOLÓGICASDEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA MOLECULAR Y BIOINFORMÁTICACENTRO DE INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA MOLECULAR Y BIOINFORMÁTICA

La expresión génicaLa expresión génica• Proceso por medio del cual todos los Proceso por medio del cual todos los

organismos procariotes y eucariotes organismos procariotes y eucariotes transforman la información codificada en los transforman la información codificada en los ácidos nucleicos en las proteínas necesarias ácidos nucleicos en las proteínas necesarias para su desarrollo y funcionamientopara su desarrollo y funcionamiento..

• Pero no todos los genes se expresan al mismo Pero no todos los genes se expresan al mismo tiempo ni en todas las células. Hay sólo un tiempo ni en todas las células. Hay sólo un grupo de genes que se expresan en todas las grupo de genes que se expresan en todas las células del organismo y codifican para células del organismo y codifican para proteínas que son esenciales para el proteínas que son esenciales para el funcionamiento general de las células y son funcionamiento general de las células y son conocidos como "housekeeping genes".conocidos como "housekeeping genes".

• El resto de los genes se expresan o no en los El resto de los genes se expresan o no en los diferentes tipos de células, dependiendo de la diferentes tipos de células, dependiendo de la función de la célula en un tejido particular.función de la célula en un tejido particular.

• También existe especificidad temporal, esto También existe especificidad temporal, esto quiere decir que los diferentes genes en una quiere decir que los diferentes genes en una célula se encienden o se apagan en diferentes célula se encienden o se apagan en diferentes momentos de la vida de un organismo. momentos de la vida de un organismo. Además, la regulación de los genes varía Además, la regulación de los genes varía según las funciones de éstossegún las funciones de éstos

¿Cómo controlar la expresión génica?• Mientras que las células procariotas transcriben casi todos sus Mientras que las células procariotas transcriben casi todos sus

genes, las células eucariotas eligen qué genes transcribir. Cada genes, las células eucariotas eligen qué genes transcribir. Cada tipo celular eucariota expresa sólo una fracción de los genes que tipo celular eucariota expresa sólo una fracción de los genes que tiene, alrededor del 20%. Es decir, sólo el 20% de los genes que tiene, alrededor del 20%. Es decir, sólo el 20% de los genes que contiene el ADN se transcribe en ARN y luego se traduce en contiene el ADN se transcribe en ARN y luego se traduce en proteínasproteínas..

• Las células regulan, entonces, la expresión de sus genes mediante Las células regulan, entonces, la expresión de sus genes mediante diferentes procesos, pero la forma más eficiente y usual es por diferentes procesos, pero la forma más eficiente y usual es por medio del control transcripcional, por el cual la célula puede medio del control transcripcional, por el cual la célula puede aumentar y disminuir la cantidad de ARN transcripto.aumentar y disminuir la cantidad de ARN transcripto.

• Procesos de control de la expresión génica.Procesos de control de la expresión génica.Controles transcripcionalesControles transcripcionalesControles postranscripcionalesControles postranscripcionalesControles postraduccionales Controles postraduccionales

Controles transcripcionalesControles transcripcionales• Por medio de la regulación del inicio de la transcripción se puede elegir Por medio de la regulación del inicio de la transcripción se puede elegir

qué genes “encender” (activar) o “apagar” (inhibir) en un momento qué genes “encender” (activar) o “apagar” (inhibir) en un momento determinado, así como también regular la cantidad de ARNm producido.determinado, así como también regular la cantidad de ARNm producido.

• Esto se logra a través de mecanismos muy diferentes, discutiremos dos Esto se logra a través de mecanismos muy diferentes, discutiremos dos de ellos:de ellos:

• El primero implica mantener apagados ciertos genes, en determinados El primero implica mantener apagados ciertos genes, en determinados tipos celulares, hay regiones de ADN que están siempre apagadas y tipos celulares, hay regiones de ADN que están siempre apagadas y cuyos genes no se transcriben nunca. cuyos genes no se transcriben nunca.

• El segundo involucra el uso de regiones regulatorias, ubicadas en la El segundo involucra el uso de regiones regulatorias, ubicadas en la secuencia anterior al inicio de la transcripción. Estas secuencias secuencia anterior al inicio de la transcripción. Estas secuencias permiten la unión de factores de transcripción que pueden facilitar o permiten la unión de factores de transcripción que pueden facilitar o impedir la unión de la ARN polimerasa al promotor, regulando de esta impedir la unión de la ARN polimerasa al promotor, regulando de esta manera la cantidad de mensajeros producidos. Como ya vimos, para que manera la cantidad de mensajeros producidos. Como ya vimos, para que la transcripción ocurra es necesario que la ARN polimerasa se una al la transcripción ocurra es necesario que la ARN polimerasa se una al promotor del gen. Esta unión puede regularse utilizando ciertas promotor del gen. Esta unión puede regularse utilizando ciertas proteínas, denominadas proteínas, denominadas factores de transcripciónfactores de transcripción, que se unen a , que se unen a secuencias específicas cercanas al promotor y pueden facilitar o impedir secuencias específicas cercanas al promotor y pueden facilitar o impedir la transcripción. Esta es una manera de regular la cantidad de moléculas la transcripción. Esta es una manera de regular la cantidad de moléculas de ARN que se transcriben.de ARN que se transcriben.

Controles postranscripcionalesControles postranscripcionales• Mecanismos de corte y empalme (del inglés, Mecanismos de corte y empalme (del inglés, SplicingSplicing). ). Mediante el splicing, los Mediante el splicing, los

intrones –secuencias no codificantes- son eliminados del pre-ARNm y los exones son intrones –secuencias no codificantes- son eliminados del pre-ARNm y los exones son unidos: el ARNm maduro está formado sólo por exones. unidos: el ARNm maduro está formado sólo por exones. En ciertos casos, pueden quedar entre las secuencias de exones algunos intrones que En ciertos casos, pueden quedar entre las secuencias de exones algunos intrones que son utilizados como molde en la traducción. Esto se denomina splicing alternativo y son utilizados como molde en la traducción. Esto se denomina splicing alternativo y en teoría puede generar proteínas diferentes, de manera proporcional al número de en teoría puede generar proteínas diferentes, de manera proporcional al número de intrones que contenga el gen.intrones que contenga el gen.

• Edición del ARN. Edición del ARN. En algunos casos, la secuencia del ARNm es modificada luego de ser En algunos casos, la secuencia del ARNm es modificada luego de ser transcripta. Los cambios incluyen la inserción de nucleótidos en regiones específicas, transcripta. Los cambios incluyen la inserción de nucleótidos en regiones específicas, lo que motiva un corrimiento en el marco de lectura y genera la expresión de lo que motiva un corrimiento en el marco de lectura y genera la expresión de proteínas muy diferentes.proteínas muy diferentes.

• Transporte del ARNm al citoplasma. Transporte del ARNm al citoplasma. Para poder ser transportado, el ARNm debe Para poder ser transportado, el ARNm debe haber sido procesado correctamente; de lo contrario es degradado en el núcleo.haber sido procesado correctamente; de lo contrario es degradado en el núcleo.

• Iniciación de la síntesis proteica. Iniciación de la síntesis proteica. El ARNm contiene en sus extremos secuencias que El ARNm contiene en sus extremos secuencias que no son traducidas y que sirven para regular la traducción (5’ UTR y 3’ UTR, del inglés no son traducidas y que sirven para regular la traducción (5’ UTR y 3’ UTR, del inglés untraslated regionsuntraslated regions). Si esas secuencias son bloqueadas, el ARN no es reconocido por ). Si esas secuencias son bloqueadas, el ARN no es reconocido por el ribosoma y no se puede traducir el mensajero. el ribosoma y no se puede traducir el mensajero. Por otro lado, las secuencias que flanquean el codón inicial (AUG) son determinantes. Por otro lado, las secuencias que flanquean el codón inicial (AUG) son determinantes. Si el ribosoma se “saltea” el primer AUG, comenzará la traducción en el segundo Si el ribosoma se “saltea” el primer AUG, comenzará la traducción en el segundo codón produciendo una proteína con menos aminoácidos y/o secuencia diferente.codón produciendo una proteína con menos aminoácidos y/o secuencia diferente.

Controles postranscripcionalesControles postranscripcionales

• Estabilidad del ARNm.Estabilidad del ARNm. La vida media de un ARNm está determinada La vida media de un ARNm está determinada principalmente por la longitud de la cola poliA. Una vez en el citoplasma, la principalmente por la longitud de la cola poliA. Una vez en el citoplasma, la secuencia comienza a acortarse; cuando se hace demasiado corta el secuencia comienza a acortarse; cuando se hace demasiado corta el mensajero es degradado. mensajero es degradado.

• Eliminación de ARNm con errores. Eliminación de ARNm con errores. Los ribosomas –junto con otras proteínas- Los ribosomas –junto con otras proteínas- son capaces de detectar codones de terminación en lugares erróneos de la son capaces de detectar codones de terminación en lugares erróneos de la secuencia del mensajero (generados por algún error previo en el splicing o secuencia del mensajero (generados por algún error previo en el splicing o por mutaciones). ¿Cómo lo hacen? Reconociendo las secuencias de unión por mutaciones). ¿Cómo lo hacen? Reconociendo las secuencias de unión entre los exones. Si el mensajero es adecuado, todos los lugares de unión entre los exones. Si el mensajero es adecuado, todos los lugares de unión entre los exones deberían encontrarse antes del codón de terminación. Si entre los exones deberían encontrarse antes del codón de terminación. Si esto no ocurre, el ARNm fallado es degradado. esto no ocurre, el ARNm fallado es degradado.

• ARN de interferencia.ARN de interferencia. Cuando una célula humana es infectada por un virus Cuando una célula humana es infectada por un virus que fabrica una doble cadena de ARN, ciertas enzimas lo reconocen y lo que fabrica una doble cadena de ARN, ciertas enzimas lo reconocen y lo degradan. Esto mecanismo permite la eliminación de ciertos virus y puede degradan. Esto mecanismo permite la eliminación de ciertos virus y puede ser utilizado también para regular la traducción de un mensajero: si se ser utilizado también para regular la traducción de un mensajero: si se introduce (o se transcribe en la misma célula) una cadena de ARN introduce (o se transcribe en la misma célula) una cadena de ARN complementaria a un mensajero, este no podrá ser traducido y además será complementaria a un mensajero, este no podrá ser traducido y además será detectado como foráneo y degradadodetectado como foráneo y degradado..

Controles Controles postraduccionalespostraduccionales

• Una vez sintetizadas, las proteínas pueden Una vez sintetizadas, las proteínas pueden ser modificadas mediante la unión de ser modificadas mediante la unión de distintas moléculas (grupos fosfato, distintas moléculas (grupos fosfato, adenilatos, azúcares, etcétera). Estos adenilatos, azúcares, etcétera). Estos agregados permiten regular la acción agregados permiten regular la acción proteica de manera muy rápida porque no proteica de manera muy rápida porque no dependen del proceso de síntesis. Existen dependen del proceso de síntesis. Existen además ciertas proteínas que contienen además ciertas proteínas que contienen segmentos que, bajo ciertas condiciones, se segmentos que, bajo ciertas condiciones, se activan y se separan de la molécula, que activan y se separan de la molécula, que puede cambiar su actividad. puede cambiar su actividad.

• Otro mecanismo de regulación es la Otro mecanismo de regulación es la degradación de proteínas. La vida media de degradación de proteínas. La vida media de la proteína puede ser un parámetro a regular la proteína puede ser un parámetro a regular que también actúa de manera rápida. El que también actúa de manera rápida. El sistema ubiquitina-proteosoma (que ya sistema ubiquitina-proteosoma (que ya nombramos previamente) lleva a cabo la nombramos previamente) lleva a cabo la degradación.degradación.

SISTEMA DE LA LACTOSA DE SISTEMA DE LA LACTOSA DE Escherichia coliEscherichia coli Y EL MODELO DEL OPERÓNY EL MODELO DEL OPERÓN

El ADN procariota se organiza en paquetes coherentes denominados El ADN procariota se organiza en paquetes coherentes denominados OPERONESOPERONES, en los cuales se encuentran los genes para funciones , en los cuales se encuentran los genes para funciones interrelacionadas.interrelacionadas.

Un operador: Un operador: Controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor.Controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor. Un promotor: Un promotor: Donde la ARN polimerasa reconoce el sitio de inicio de la Donde la ARN polimerasa reconoce el sitio de inicio de la

transcripción. El promotor es la secuencia de DNA en el operón reconocida transcripción. El promotor es la secuencia de DNA en el operón reconocida por la RNA polimerasa dependiente del DNA. El lugar de iniciación para la por la RNA polimerasa dependiente del DNA. El lugar de iniciación para la síntesis del RNA está situado inmediatamente tras el promotor. El gen de la síntesis del RNA está situado inmediatamente tras el promotor. El gen de la RNA polimerasa dependiente de DNA no es parte del operón, ya que la RNA RNA polimerasa dependiente de DNA no es parte del operón, ya que la RNA polimerasa transcribe todos los operones bacterianospolimerasa transcribe todos los operones bacterianos..

Un gen regulador: Un gen regulador: Controla el tiempo y velocidad de transcripción de otros Controla el tiempo y velocidad de transcripción de otros genes. El gen regulador codifica una proteína reguladora, el represor. El genes. El gen regulador codifica una proteína reguladora, el represor. El represor lac, codificado por el gen represor lac, codificado por el gen lac Ilac I, es la proteína reguladora del operón , es la proteína reguladora del operón laclac..

Un gen estructural:Un gen estructural: Codifican las enzimas relacionadas o las proteínas Codifican las enzimas relacionadas o las proteínas estructuralesestructurales

El operón contiene uno o más genes que codifican enzimas inducibles. El El operón contiene uno o más genes que codifican enzimas inducibles. El operón lactosa codifica las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa, operón lactosa codifica las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa, incluyendo ß-galactosidasa, ß-galactósido permeasa yincluyendo ß-galactosidasa, ß-galactósido permeasa yß-galactósido transacetilasa.ß-galactósido transacetilasa.

• Genes estructurales: – Gen lac z: codifica la enzima β-galactosidasa, que cataliza la reacción

de hidrólisis de la lactosa en glucosa más galactosa. – Gen lac y: codifica la proteína galactósido permeasa, cuya función es

facilitar el transporte de β-galactósidos al interior de la bacteria. – Gen lac a: codifica la enzima tiogalactósido transferasa, que cataliza la

transferencia del grupo acetil del acetil Coenzima A al 6-OH de un aceptor tiogalactósido. Este gen no está relacionado con el metabolismo de la lactosa.

  Esquema de un operón inducible

Este operón lac solo se activa cuando hay lactosa en el medio.

Muchas

Jóvenes ilustres.