Control de la Expresión Genética

en Procariotas y Eucariotas

Karina Orozco

Generalidades

ADN es el almacén de información de las células

Las células tienen la capacidad de regular o controlar la expresión de sus genes

No todos los genes se expresan simultáneamente ni al mismo nivel

Genes constitutivos: se expresan al mismo nivel independientemente de las condicionesambientales

Genes regulados: se expresan a distintos niveles (o no se expresan) dependiendo de las condiciones

Genes constitutivos y genes regulados

Ocurre en organismos procariotas y eucariotas

Los primeros estudios se hicieron en procariotas y los mecanismos son más sencillos

Algunos mecanismos son comunes y otros varían

Regulación de la expresión de los genes

Regulación de la expresión de los genes

Permite a las células adaptarse a cambios en su ambiente (i.e. disponibilidad de nutrientes)

Permite que los múltiples tipos celulares realicen diferentes actividades

Dirigen el desarrollo y la diferenciación celular

Regulación de la expresión de los genes

FIBRA MUSCULAR HEPATOCITO

El mismo genoma, pero función distinta

¿CÓMO ES POSIBLE?

MEDIANTE PATRONES DE REGULACIÓN GÉNICA

Cada segmento transcrito de ADN es llamado unidad de transcripción

En bacterias, un conjunto de genes se transcribe como una unidad de este modo, la molécula de ARNm porta información para varias proteínas distintas (policistrónico)

Regulación de la expresión de los genes

ARNm policistrónicos

ARNm policistrónicos

En eucariotas, la unidad de transcripción usualmente lleva la información de un solo gen, así que sólamente codifica para una molécula de ARN o un polipéptido (o grupo de proteínas relacionadas si el ARNm transcrito se corta y empalma en distintas maneras)

Regulación de la expresión de los genes

Niveles de Regulación génicaTranscripción (síntesis de ARNs a partir de ADN)

Maduración (modificación de los ARNs sintetizados, no es común en procariotas)

Traducción (síntesis de proteínas)

Postraducción

TranscripciónSíntesis de ARN a partir de un gen (ADN)

Ocurre en tres pasos:InicioElongaciónTerminación

La regulación se realiza principalmente a nivel del inicio (Factor sigma reconoce secuencia promotora)

Traducción

Síntesis de proteínas a partir de un ARNm

Permite la unión de aminoácidos para formar una cadena polipeptídica que será o dará lugar a una proteína

Postraducción

Modificaciones químicas posteriores a la traducción

Plegamiento adecuado

Puentes disulfuro

Añadir grupos: fosfato, acetato, lípidos o carbohidratos

REGULACIÓN EN PROCARIOTAS

OperónEs un conjunto de genes que codifican para proteínas implicadas en una determinada secuencia metabólica

Propio de procariotas

Posee:Genes estructurales (codifican las diferentes proteínas)Secuencias:

• Promotor• Región operador• Región atenuadora (algunas veces)

Cerca del operón hay un gen que codifica una proteína represora que se une al operador

ADN bacteriano

Operón Lac

Operón Trp

Regulación de la expresión de los genes estructurales

Genes que se inducen por la presencia de un sustrato que degradar

Genes que se reprimen porque hay suficiente producto

Operón LacPara utilizar lactosa como fuente de energía, las bacterias necesitan:

Galactósido permeasa (transporta el disacárido al interior de la bacteria)-galactosidasa (hidroliza enlace glucosídico)Transacetilasa (isomeriza galactosa a glucosa)

Operón Lac

Control negativo del operón:

Represor está activo y los genes estructurales están apagados en ausencia del inductor (lactosa)

Operón Lac

Cuando hay lactosa en el medio, esta se une a la proteína represora y la inactiva, de modo que esta ya no bloquea la transcripción

Así, la polimerasa que se ha unido al sitio promotor, empieza la transcripción de los genes que permiten la síntesis de enzimas involucradas en el metabolismo de la lactosa

Control positivo de la transcripción

La glucosa es el combustible principal para la bacteria

Si la concentración de glucosa es baja, se activarán las enzimas para utilizar lactosa

Se activa la adenilato ciclasa, aumenta el AMPc que activa a una proteína activadora de catabolitos CAP activa a la ARN polimerasa para transcribir a los genes estructurales

Nivel bajo de glucosa

El operón Lac utiliza un control prositivo

Operón Trp (triptófano)Contiene los genes que codifican las enzimas implicadas en la biosíntesis del aminoácido triptófano

El trp funciona como correpresor, ya que activa al represor de la transcritpción

Este operón también posee una secuencia que permite controlar la transcripción durante la elongación por atenuación

Atenuación de la transcripción

Atenuación de la transcripción

REGULACIÓN EN EUCARIOTAS

El control de la expresión génica es mucho más complejo, pero los mecanismos básicos son similares

Niveles de Regulación de la Expresión de los genes

En eucariotas existen diferentes promotores para cada ARN polimerasa

Regulación a nivel de genoma

Amplificación y deleción de genesReordenamientos de ADNDescondensación del ADNMetilación del ADNAcetilación de histonas

Descondensación de la cromatina

Lo más importante: permitir que los factores de transcripción ubiquen los sitios promotores y se posicionen en ellos

Metilación del ADNMecanismo relacionado con la estructura de la cromatina

Adición de grupos metilo en la Citosina (baja transcripcionalidad en genes con dinucleótidos CpG)

Una proteína MeCP2 se une al ADN metilado, reprime la transcripción y además forma un complejo con desacetilasa de histonas

Citosina

5-metilcitosina

Metilación

Acetilación de histonasExtremo N-terminal Dominio plegado

Lisina (K) Grupo acetilo (Ac)

Coactivador Correpresor

Activador

Represor

Histona acetiladas Cromatina Activa

Histona desacetiladas Cromatina Inactiva

Acetilación de histonas

Histonas desacetiladas no

transcripción

Histonas acetiladas aumenta

transcripción

How it all fits together

Regulación a nivel de transcripción

Controlada por los factores de transcripción

Generales los que se unen al sitio promotor y directamente a la ARN polimerasa

Específicos o Reguladores se unen a elementos de control (proximales, enhancers, silencers)

Factores de transcripción generales de ARN poli II

Factor No. subunid

ades

Función

TFIIA 3 Estabiliza unión de TBP y TFIIB

TFIIB 1 Selecciona sitio de iniciación

Recluta la polimerasa II

TFIID 12 Interacciona con factores de regulación

TBP 1 Reconoce el “TATA Box”

TFIIE 2 Recluta TFIIH

TFIIF 2 Une Pol II y TFIIB

TFIIH 9 Desenrrolla el DNA del promotor

Pol II 12 Cataliza la síntesis de RNA

TOTAL 42

Regiones Promotoras

Región del DNA que regula la expresión del gen.Clasificación

De acuerdo a su función• Promotores fuertes

Producto es abundante

• Promotores débiles Producto es raro o no abundante

El nivel de expresión varia de célula a célula, depende de:

Las secuencias reguladoras Concentración de los factores de transcripción.

Elementos proximales de control

Secuencias situadas antes del núcleo promotor

Aquí se unen factores de transcripción específicos o reguladores

EnhancersResponden a estrés celularAumenta la razón de iniciación del promotor.Localización

Al principioEn el medioAl final

Funcionan en cualquier orientaciónNo se encuentran asociados a todos los genes.Responsable de un efecto sinergístico

Pueden estimular la transcripción situados corriente arriba o abajo del promotor, y orientados en cualquiera de los dos sentidos

Secuencias: promotora, elementos de control proximal y enhancer

Acción de factores unidos a enhancer y promotor sobre la ARN polimerasa

Estimulador

Bucle de ADN

Factores específicos

de transcripción

Complejo de iniciación

TATAA

Represores de la transcripciónSe unen a secuencias específicas de ADN e inhiben la transcripción (similar a procariotas)

Se une al sitio de iniciación de la transcripción y la bloquea

Compiten con los activadores por unirse a las secuencias de regulación

Tiene el mismo dominio de unión, pero carecen del dominio activadorTienen el dominio de unión y además un dominio represor activo

Acción de los represores eucarióticos

Activador

Represor

Represor compite con el activador por unión al ADN

Dominio represor

Dominio de unión al ADN

Represor se une al ADN e ihibe la transcripción

Regulación a nivel postranscripción

Procesamiento del ARN para su exportación al núcleo

Splicing (alternativo)

Adición de casquete en 5

Adición cola poli A (longitud determina vida media del ARNm)

Corte y empalme alternativo

Proteínas con funciones diferentes generadas por splicing alternativo

Regulación a nivel de la traducción

Alterando ribosomas o factores de síntesis de proteínas

Regulando la actividad o vida media del ARNm (posee proteínas de protección unidas a el)

Regulación a nivel postraduccional

Plegamiento y ensamblaaje del polipéptido (chaperonas)

Posible corte del polipéptido (inteínas)

Posible modificación química

Posible exportación a organelos

Degradación

Degradación de la proteína

Reciclaje de aa

Referencias

1. www.itescham.com/Syllabus/Doctos/r640.PPT

2. bioinformatica.uab.es/diaposcurso/tema9/tema9.ppt

3. www.patrullerosdelpepino.com/CORA/Biol_4018_CelMol/PPPs/Expresion%20Genica.ppt -