tema 18 regulación de la expresión génica en procariotas(4)

1

TEMA 18 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

Necesidad de regular la expresión génica Sistemas enzimáticos inducibles y represibles El operón lac de E. coli

Elementos que lo componen Funcionamiento del sistema

El operón trp de E. coli Elementos que lo componen Funcionamiento del sistema

El fago λ, un complejo de operones Los ciclos lítico y lisogénico

2

I. Principios Básicos de la Herencia Tema 1. Introducción a la Genética Tema 2. Genética Mendeliana Tema 3. Herencia Ligada al Sexo Tema 4. Interacción Génica y Efecto del Medio Ambiente Tema 5. Genética de los Caracteres Cuantitativos

II. Ligamiento y Recombinación Tema 6. Ligamiento y Recombinación en Eucariotas Tema 7. Elaboración de Mapas Genéticos en Eucariotas Tema 8. Recombinación en virus Tema 9. Recombinación en Bacterias

III. Base Molecular del Material Hereditario Tema 10. Estructura de los Ácidos Nucleicos Tema 11. Replicación del ADN Tema 12. Base Molecular de la Mutación y de la Reparación

IV. Expresión de la Información Genética Tema 13. Fenogénesis Tema 14. La Transcripción Tema 15. Maduración de los productos de la transcripción Tema 16. El Código Genético Tema 17. La Traducción

V. Regulación de la Expresión Génica Tema 18. Regulación de la Expresión Génica en Procariotas Tema 19. Regulación de la Expresión Génica en Eucariotas Tema 20. Genética del Desarrollo en Eucariotas

VI. Cambios en la Información Genética. Genética de Poblaciones y Evolución Tema 21. Naturaleza del Cambio Evolutivo Tema 22. Genética de Poblaciones y Evolución

3






4

Proceso de expresión de la información genética codificada en el ADN a través del ARNm para dar lugar a una proteína.

Gen

ADN

Cadena molde de ADN

Transcripción

Traducción en los ribosomas

ARNm

Palabras del código de tripletes

Proteína

Aminoácidos

met val leu ser

5

Bacteria

ADN

Lactosa

Lactosa

Expresión génica

Enzimas Lactosa

Sacarosa

Sacarosa

Enzimas Sacarosa

Medio Externo

6

Genes y elementos reguladores Gen: cualquier secuencia de ADN que se transcriba a una molécula de ARN.

Genes estructurales: codifican proteínas que se emplean en el metabolismo o en la biosíntesis, o que desempeñan un papel estructural en las células.

Genes reguladores: cuyos productos, ya sea ARN o proteínas, interactúan con otras secuencias y afectan su transcripción o traducción.

Elementos reguladores: secuencias que no se transcriben pero que tienen un papel muy importante durante la regulación de la expresión.

7

Las proteínas con dominios de unión a ADN pueden presentar diferentes motivos que producen diversos tipos de estructuras para la unión al ADN.

Hélice-giro-hélice (helix-turn-helix) Dedos de zinc (Zinc fingers) Cremallera de leucina (leucine zipper)

Hélice Hélice Giro

Giro Hélice que se une al ADN

Hélice de unión al dímero

Dedo Iones de zinc

Leucinas Cremallera

Dedos Leucinas A. básicos

Iones de zinc

Dominio de

unión a ADN

(Walker A)

Región enrollada

N-terminal

Dominio de

plegamiento

Motivo

CXXC

Dominio de

unión a ADN

(Walker B)

Región enrollada

C-terminal

RAD 50

Dominio de interacción

con Mre11

Dominio de interacción

con Mre11

8






9

Un operón es un sistema de expresión coordinada de varios genes estructurales que actúan en una misma ruta metabólica.

Transcripción

Traducción

ARN polimerasa

Gen a Promotor Operador Gen c Gen b

Operón

Genes estructurales

ARNm

Proteínas (enzimas)

Ruta metabólica

Precursor X Productos intermedios Producto Y

10

Un gen regulador puede participar controlando la transcripción del operón.

Promotor Gen regulador

Transcripción Transcripción

Traducción Traducción

Proteína reguladora

ARNm

ARN polimerasa

Gen a Promotor Operador Gen c Gen b

Operón

Genes estructurales

ARNm

Proteínas (enzimas)

Ruta metabólica

Precursor X Productos intermedios

Producto Y

Elemento regulador

“Elemento en trans”

“Elementos en cis” ARN

polimerasa

11

Control positivo de la transcripción por parte de la proteína reguladora.

En presencia de la proteína reguladora

ARNm

Proteína reguladora (activador)

En ausencia de la proteína reguladora

12

Control negativo de la transcripción por parte de la proteína reguladora.

En ausencia de la proteína reguladora

ARNm

En presencia de la proteína reguladora

Proteína reguladora (represor)

13

Esquema de un sistema inducible negativo.

Promotor Promotor Regulador Operador

Operador

Gen d Gen e Gen f

ARN polimerasa

ARN polimerasa

Proteína reguladora activa

(represor)


(represor)


inactiva

Transcripción y traducción



No hay transcripción

Genes estructurales

Sin sustrato (inductor)

Sistema inducible negativo

El sustrato actúa como

inductor

Ruta bioquímica

Precursor Productos intermediarios

Producto final

Con sustrato (inductor)

14

Esquema de un sistema reprimible negativo.

Sin sustrato (co-represor)

Con sustrato (co-represor)

Sistema reprimible negativo

Promotor Regulador




ARN polimerasa

ARN polimerasa

Genes estructurales

Promotor Operador Gen g Gen h Gen i

Ruta bioquímica

Precursor Productos

intermediarios Producto final (co-

represor)

Proteína reguladora inactiva (represor)

Proteína reguladora inactiva ( represor)

Proteína reguladora activa (represor)

Proteína reguladora inactiva (represor)


La ARN polimerasa no se puede unir al promotor Sustrato (co-represor)

15

Esquema de un sistema inducible positivo.

Sistema inducible positivo

Sin sustrato (inductor)

Con sustrato (inductor)

Transcripción y

traducción

Transcripción y

traducción

Transcripción y

traducción


Promotor Promotor Regulador Operador

Genes estructurales

Proteína reguladora inactiva (activador)

Gen j Gen l Gen k


ARN polimerasa



(activador)

El sustrato precursor actúa como inductor

Ruta bioquímica

ARN polimerasa


Producto final

J K L

16

Esquema de un sistema reprimible positivo

Sistema reprimible positivo

Sin sustrato (represor)

Con sustrato (represor)


Transcripción y

traducción



ARN polimerasa

ARN polimerasa

Operador Regulador

Genes estructurales

Promotor Promotor Gen m Gen n Gen ñ

M N Ñ



Proteína reguladora inactiva

El producto final actúa como represor


Ruta bioquímica


Producto final

17






18

Degradación de la lactosa en el interior celular.

Lactosa extracelular

Permeasa Membrana celular

Lactosa

β-galactosidasa

Alolactosa

Galactosa

β-galactosidasa

β-galactosidasa

Glucosa

Citoplasma celular

Medio externo

19

El operón lac es un ejemplo de sistema inducible negativo.


(lacI)


Sitio de unión al operador

Sitio de unión a la lactosa ARN polimerasa

Promotor (lacP)

Operador (lacO) Genes estructurales

lacZ lacA lacY



(lacI) Promotor

(lacP) Operador

(lacO) Genes estructurales

lacZ lacA lacY

20

Cadena no molde del

ADN

Región -35 Región -10 Sitio de iniciación de la

transcripción

Represor unido al

operador

Operador

ARN polimerasa

Promotor

En el operón lac, el operador se superpone con el promotor.

21

Lactosa (Alolactosa)

Si hay transcripción

Traducción

Transacetilasa β-galactosidasa Permeasa


(lacI)

Promotor (lacP)

Operador (lacO)

Genes estructurales

Proteína reguladora (inactiva)

La presencia de alolactosa induce la transcripción de los genes del operón lac.

22

Lactosa extracelular

Permeasa Membrana celular

Lactosa

β-galactosidasa

Alolactosa

Galactosa

β-galactosidasa

β-galactosidasa

Glucosa

Degradación de la lactosa en el interior celular.

23

Represión por catabolito: el operón lac es regulado por los niveles de glucosa presentes en el medio.

ATP

ATP ATP

ATP

ATP

ATP Adenil ciclasa

Poca glucosa

Mucha glucosa

ARN polimerasa

lacO lacZ lacP lacY lacA

lacO lacZ lacP lacY lacA

ARN polimerasa

Poca transcripción

Enzimas

β-Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

Lactosa Glucosa

Galactosa

ATP

ATP ATP

ATP

ATP

ATP Adenil ciclasa

Transcripción y traducción Operón lac

24






25




Triptófano

ARN polimerasa Genes estructurales

Promotor Operador trpE trpD trpC trpB trpA

Líder

PR Regulador



Transcripción y traducción No hay transcripción

Nivel de triptófano bajo

Nivel de triptófano alto

Enzimas

Precursor

Promotor Operador trpE trpD trpC trpB trpA PR Regulador

El operón trp es un ejemplo de sistema reprimible negativo.

26

La región 5’ del gen estructural trpE (secuencia líder), al ser transcrita por la ARN polimerasa, puede formar dos estructuras distintas dependiendo de las regiones que se apareen entre sí.

Líder (162 pb)

Sitio de unión del ribosoma

Regiones: 1 2 3 4

Codones Trp Codón de inicio de la región líder

AAAAAAAA

Codones Trp

Atenuador Antiterminador

trpE

Codón de inicio de los genes

estructurales

ADN

ARN

ARN

trpE

trpE

27

Mecanismo de atenuación cuando los niveles de triptófano son altos.

Nivel de triptófano alto

ARNm

ADN

ARN polimerasa

Codones Trp

Ribosoma

Atenuador

UUUUUUU

Codones Trp

ARN polimerasa Genes estructurales

Promotor Operador trpE trpD trpC trpB trpA

Líder

28

Mecanismo de atenuación cuando los niveles de triptófano son bajos.

Nivel de triptófano bajo

ARNm

ADN

ARN polimerasa Codones Trp

Ribosoma

Codones Trp

Estructura de antiterminación

29

Mecanismo de atenuación en Bacillus subtilis mediante la unión de la proteína TRAP, saturada de moléculas de triptófano, con los tripletes para triptófano presentes en la secuencia líder del ARNm.

Subunidad proteica

Codón Trp

Horquilla de terminación

Molécula de triptófano

ARNm

Secuencia líder

30






31

El virus bacteriófago λ poseen dos ciclos de vida que se alternan: lítico y lisogénico.

Fago

ADN del fago

ADN del huésped

Profago Fago replicado

Ciclo lítico

Ciclo lisogénico

Unión del fago a la bacteria

El ADN del fago entra en la bacteria

El ADN huésped es digerido

El ADN del fago se replica

La bacteria transcribe y traduce el ADN del fago

formándose las proteínas del fago

Se completa el ensamblaje de los nuevos fagos que provoca la lisis de

la célula

Los nuevos fagos se liberan y el ciclo comienza otra vez

Lisis El profago puede separarse

y la célula entrará en el ciclo lítico

El ADN del fago se integra al cromosoma bacteriano y se convierte en un profago

El profago se replica.

32

Operón represor

Regulador de los genes tempranos de la izquierda

Genes para integrar el ADN viral a los cromosomas

bacterianos

Genes para las proteínas de la cola del virus

Genes para las proteínas de la cabeza del virus

Genes para la lisis

Regulador de los genes tardíos

Proteínas de replicación del ADN

del fago

Regulador de λ

Promotores

Genes reguladores

Operón temprano de la izquierda

Operón temprano de la

derecha

Operón tardío

El cromosoma del bacteriófago λ contiene cuatro operones principales.

33

El operón represor dirige la entrada del bacteriófago λ en los ciclos lítico y lisogénico.

OR

OL cl cro N cII

PRM PR

Represor Cl Proteína Cro

OR3 OR2 OR1

Operón represor Operón temprano Dcha.

Operón temprano Izqda.

PL

Proteína N

Ciclo lítico

Proteína CII

Ciclo lisogénico Ciclo lítico PRM = promotor del gen cI

PR= promotor del gen cro

PL= promotor del gen N

PCII= promotor del gen CII

PCII

34

El represor cI inhibe la transcripción de genes situados a ambos lados del represor.

OR

cl cro N cII

PRM PR

Represor cl

Operón represor

OR3

PL

Ciclo lisogénico

PRM = promotor del gen cI



35

Cuando los niveles del represor cI son altos, se une también a OR3 inhibiendo su propia transcripción.

OR

cl cro N cII

PRM PR

Represor cl

Operón represor

PL




Ciclo lisogénico

36

La usencia del represor permite la transcripción de los genes esenciales para la reproducción del virus y la lisis, necesarios todos para que se de el ciclo lítico.

OR

OL cl cro N cII

PRM PR

Proteína Cro

OR2 OR1

Operón represor

Proteína N

Impide solo la transcripción de cl

Ciclo lítico

PL




Ciclo lítico

37

La presencia de la proteína CII dirige al virus hacia un ciclo lisogénico.

cI cro cII

Transcripción

No transcripción cI

Proteína Cro

Proteína CII

Ciclo lisogénico

Entrada del virus en la bacteria

Ciclo lítico

38

Los niveles altos de glucosa inhiben la producción de proteína CII por lo que la proteína Cro desencadena la entrada en el ciclo lítico.

2 cI cro cII 1

Proteína Cro

Proteína CII

Glucosa

Ciclo lítico

OL N

Proteína N

PL

No transcripción cI

tema 18 regulación de la expresión génica en procariotas(4)

Documents