tema 2. Ácido nucleicos -...

Tema 2. Ácido nucleicos2.2 Transcripción y expresión génicaDP/PAU

Idea Fundamental: La informaciónalmacenada en forma de código en elADN se copia en el ARNm.

Germán Tenorio

Biología NS-Diploma BI

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/veterinaria/2003897/index.html

ProgramaciónDP/PAU

3. En la explicación del proceso de transcripción se sugiere, al

menos, la mención de: las etapas de iniciación, elongación y

terminación, diferencia entre cadena codificante y cadena moldedel ADN, sentido 5´- 3´, copia de una sola cadena del ADN,

señal de inicio (promotor), acción de la ARN polimerasa y señal

de terminación.

Expresión de la información genéticaDP/PAU

◼ Como ya se ha visto, la información genética se conserva y pasa de una

célula a su descendencia.

◼ Los genes de ADN tienen escasa acción directa sobre el funcionamiento

del organismo, son las proteínas las moléculas responsables de la

actividad biológica y las que confieren a cada organismo suspeculiaridades.

◼ Por tanto, debe existir algún

mecanismo que hagaposible que los genes

expresen su información

para que se formen laproteínas.

◼ El flujo de la informacióngenética fluye del ADN al

ARNm (transcripción) ydesde éste a las proteínas

(traducción).

Cadena sentido

Cadena antisentido

(molde)

Proceso de transcripciónDP/PAU

◼ Concepto: Proceso que consiste en la síntesis de ARNm copiado de lassecuencias de bases del ADN por la ARN polimerasa. Una definiciónalgo más amplia sería la síntesis de una cadena de cualquier tipo deARN que tiene la secuencia complementaria de una cadena de ADNque actúa como molde.

◼ La enzima que cataliza elproceso de transcripción sedenomina ARN polimerasa.

◼ En este proceso se forma una cadenade ARN cuya secuencia de basesnitrogenadas es la misma que la de unade las hebras de la doble hélice de ADN(cambiando la T por U), denominadacadena sentido (codificante) y que nose transcribe. La otra cadena de ADN sedenomina cadena antisentido (molde)y es la que se transcribe.

ARN polimerasaDP/PAU

◼ La ARN polimerasa presenta las siguientes características:

- Se fija a regiones específicas del ADN (promotores) que ni setranscriben ni se traducen, pero que indican el punto de comienzo de la

trancripción.

- Ella misma abre y desenrrolla la doble hélice sin necesidad de laintervención de enzimas helicasas.

- A diferencia de la ADN polimerasa, no necesita un cebador o primerpara inicar la transcripción.

- Utiliza como sustratos ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.

- Une ribonucleótidos monofosfato

mediante enlace fosfodiester,siempre en sentido 5’-3’ (el

extremo 5’ del ribonucleótido libre

se une al extremo 3’ de la moléculade ARN en crecimiento).

- Utiliza una de las cadenas deADN, la antisentido, como molde.

Transcripción en procariotasDP/PAU

◼ Existe una única ARN polimerasa quefabrica los tres tipos de ARN (mensajero,ribosómico y transferente).

◼ Está formada por dos subunidades alfa,una beta y una beta’.

◼ Para reconocer la secuenciapromotora, donde se fija ycomienza la transcripción, se uneal factor sigma, que le provocaun cambio de conformación capazde reconocer estas secuenciaspromotoras.

◼ El promotor se encuentra en lacadena sentido e indica dóndedebe comenzar la transcripción yqué hebra actúa como molde.

Transcripción en procariotas◼ La transcripción finaliza cuando la ARN polimerasa

llega a una zona del ADN (señal de terminación)donde se une al factor rho.

◼ El ARNm producido se utiliza directamente para lasíntesis de proteínas. De hecho, la traduccióncomienza antes de que acabe la transcripción.

◼ Los ARNr y ARNt sufren un proceso de maduraciónpara ser funcionales.

Esquema general de la transcripciónWeb1

Animación1

(no se necesitan helicasas)

Al igual que la replicación, la transcripción se da en el sentido 5’ - 3’.

Transcripción en eucariotas◼ Es más complejo el proceso e

intervienen diversos factoresproteicos. Además, existen tresARN polimerasas, cada unaformada por varias subunidades:

- ARN polimerasa I: Se encuentraen el nucleolo y transcribe los genesque originan 3 de los 4 ARNr.

- ARN polimerasa II: Se encuentraen el nucleoplasma y transcribe losgenes que originan los ARNm.

- ARN polimerasa III: Se encuentraen el nucleoplasma y transcribe losgenes que originan los ARNt y elcuarto de los ARNr.

◼ Las secuencias promotoras, ricas en A y T(cajas TATA), indican el lugar de comienzo de latranscripción en la cadena sentido, y al igualque en procariotas, se necesitan una serie defactores basales de la transcripción.

http://www.csun.edu

Video2

APLICACIÓN: El promotor es ADN no codificanteDP/PAU

◼ No todas las secuencias de nucleótidos en el ADN codifican o llevaninformación para la síntesis de polipéptidos, solo las denominadassecuencias codificantes.

◼ En el genoma se encuentran algunas regiones del ADN no codificanpara la síntesis de proteínas (secuencias no codificantes) perotienen otras funciones importantes, como las que producirán losARNt y ARNr, los intrones, los telómeros o los reguladores de laexpression génica.

◼ Como se ha indicado, algunas secuencias no codificantes juegan unimportante papel en la regulación de la expresión génica, como lospotenciadores y los silenciadores.

Características Genoma humano

Tamaño del genoma 3000 · 106 pb

Número de genes 25 000

Secuencia de copia única < 50%

Parte del genoma que codifica a proteínas 2%

APLICACIÓN: El promotor es ADN no codificanteDP/PAU

◼ El promotor es una secuencialocalizada cerca del extremo 5’ deun gen, siendo la región a la quese une la ARN polimerasa para lasíntesis de ARN.

◼ El promotor es una secuencia deADN que no se transcribe peroque juega un importante papel enla transcripción, dado que poseesecuencias a la que se unenfactores de transcripción queayudan a la ARN polimerasa acolocarse en el sitio de iniciaciónde la transcripción.

◼ El promotor es un ejemplo de ADN no codificante con una función.

IMAGEN: es.slideshare.net/jessyaneth

Secuencias de ADN no codificanteDP

◼ En el genoma, especialmente de los eucariotas, son comunes secuenciasno codificantes llamadas secuencias repetitivas o repeticiones entándem.

◼ Existen dos tipos de secuencias repetitivas: secuencias moderadamenterepetitivas y altamente repetitivas (ADN satélite), que en conjunto, ambostipos de secuencias constituyen más del 50% del genoma humano.

◼ Estas secuencias repetitivasson abundantes en lostelómeros (extremos de loscromosomas), donde se creeque tienen una funciónprotectora.

◼ Como en cada replicación laADN polimerasa II no puedesustituir el cebador de ARN enel extremo del telómero porADN, en lugar de que sepierdan genes en cadareplicación, se pierden estassecuencias repetititivas.

IMAGEN: www.rundiary.co.kr

Video3

◼ En el análisis de ADN (DNA profile) se usan repeticiones entandem, es decir, se hace uso de estas variaciones o polimorfismosconsistentes en secuencias repetidas de ADN.

◼ La probabilidad de que 2 personas que no son genéticamente idénticastengan la misma huella de ADN es extremadamente improbable, por loque se usan las repeticiones en tandem para estudios forenses ode paternidad.

◼ Los genetistas deducen el linajepaterno mediante el análisis depequeñas repeticiones entándem del cromosoma Y,mientras que deducen elmaterno a partir del análisis devariaciones en nucleótidosindividuales que se encuentranen localizaciones específicas enel ADN mitocondrial.

Secuencias de ADN no codificanteDP

◼ Las secuencias altamente repetitivas fueron una vez categorizadas como“ADN basura”, ya que existía una considerable presunción de que no teníanninguna función. ¿En qué grado afectan las “etiquetas” y categoríasusadas en la búsqueda del conocimiento a esos mismos conocimientosque obtenemos?

Secuencias altamente repetitiva y TdCDP

IMAGEN: thebiobangtheory.wordpress.com

IMAGEN: sociedad.elpais.com

Regulación de la expresión génicaDP/PAU

◼ Mientras que algunas proteínas siempre son necesarias para lasupervivencia de un organismo y por tanto deben sintetizarsecontinuamente, otras solo se necesitan en ciertos momentos y en ciertascantidades, por lo que su expresión debe estar regulada.

◼ Las fluctuación de los factores externos regula la expresión génica enprocariotas, siendo el ejemplo mejor conocido el operón de lalactosa.

◼ Los genes responsablesde la absorción ymetabolización de lalactosa en E. coli seexpresan cuando lalactosa está presenteen el medioextracelular, pero no ensu ausencia.

◼ En presencia de lactosa (inductor), se desactiva una proteína represora,pero una vez la lactosa ha sido degradada, dicha proteína vuelve areprimir la expresión de los genes del metabolismo de la lactosa.

IMAGEN: luisbiolomol.blogspot.com.es


◼ ¿Se expresan todos losgenes constantemente?

◼ ¿Hay genes que se expresansiempre y otros que no seexpresan nunca?

◼ ¿Se puede expresar un genmás o menos dependiente defactores externos?

◼ ¿Podemos medir/cuantificarla expresión de los genes?

◼ En definitiva:

¿se regula la expresióngénica/transcripción delos genes?

IMAGEN: https://vignette.wikia.nocookie.net


◼ La expresión de los genes eucariotas, al igual que en los procariotas,también se regula en respuesta a variaciones en las condicionesambientales. Sin embargo, la regulación de la expresión génica eneucariotas juega un papel crucial en la diferenciación celular y elproceso de desarrollo, donde se expresan unos genes pero no otros.

◼ La expresión génica es reguladapor proteínas que se unen asecuencias de bases específicasdel ADN.

◼ Un enhancer o estimuladores esuna corta secuencia de ADN nocodificante que puede unirse conproteínas (factores de transcripción)para incrementar la expresión de ungen o grupo de genes, mientras queun silenciador es una secuencia deADN no codificante que puede unirsecon proteínas para disminuir la tasade transcripción de un gen.

IMAGEN: escuelasecundaria3villagesellbiologia.blogspot.com.esWeb2


◼ Los estimuladores y los silenciadores no tienen por qué estarlocalizados cerca de la región promotora de los genes sobre los queactúan, ni siquiera en el mismo cromosoma.

IMAGEN: http://dev.biologists.org

Video4

◼ Sin embargo, un tercertipo de secuencias de ADNdenominadas elementospróximos al promotor,se encuentran cerca de laregión promotora y seunen con proteínas queson necesarias para elinicio de la transcripción.

Impacto del medioambiente en la expresión génicaDP/PAU

◼ En los últimos años se ha generado un gran debateacerca de si el fenotipo o comportamiento humanodebería atribuirse al ambiente o a la herencia.Algunos estudios, se han basado en el estudio degemelos que han crecido separados.

◼ La influencia del ambiente sobre la expresión dealgunos caracteres es inequívoca, pudiéndose afirmarque el medio ambiente de una célula y de unorganismo influyen sobre la expresión génica.

◼ Un ejemplo de ello lo constituye la producción depigmentación en la piel tras la exposición al sol en loshumanos.

◼ Otro ejemplo se encuentraen la determinación delsexo en algunos peces yanfibios, que dependiendode la temperaturaambiental se desarrollaráncomo machos o hembras.

FUENTE: http://www.dicat.csic.es

◼ Su efecto se expande desde una fuente localizada, formando un gradientede concentración del morfógeno a lo largo de un tejido en desarrollo,provocando diferentes patrones de expresión génica y por tanto, diferentesdestinos de las células embrionarias dependiendo de su posición en elembrión, demostrando que el medio ambiente de una célula influyesobre su expresión génica.

Regulación de la expresión génica y desarrollo embrionarioDP

◼ Durante el desarrollo embrionario, el embriónposee una distribución desigual demorfógenos, sustancias que gobiernan elpatrón del desarrollo tisular, es decir,establecen dónde se formará la cabeza, elabdomen, las extremidades, etc.

IMAGEN: courses.biology.utah.edu

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◼ La proteína Bicoid es unmorfógeno cuya distribuciónen un embrión tempranode Drosophila sigue ungradiente de concentración a lolargo del eje anteroposterior.Este gradiente deconcentración establece laposición y la orientación del ejeanteroposterior del animal.

◼ Mutantes del gen bicoidcarecen de este gradiente deconcentración, afectando a laformación de la cabeza y otrasestructuras en la regiónanterior del animal.

IMAGEN: courses.biology.utah.edu


Video5

◼ Las células madre embrionarias secaracterizan por serpluripotenciales, es decir, quetienen la capacidad dedesarrollarse en cualquier tejidodel organismo.

◼ Sin embargo, a medida que lascélulas se diferencian(comprometen o especializan),pierden esa capacidad.

◼ La pérdida de pluripotencia de lascélulas madre embrionariasdurante su diferenciación en tiposcelulares concretos se acompañadel silenciamiento y la activaciónselectivos de subconjuntosespecíficos de genes, procesosmediados en parte por lametilación y demetilación de ADN.IMAGEN: http://www.uco.es


Expresión génica en eucariotasDP/PAU

◼ La regulación de la expresión génica tiene lugar a varios niveles. Enprocariotas, la mayoría de esta regulación tiene lugar a nivel del proceso detranscripción (regulación transcripcional), mientras que en los eucariotastiene lugar además una modificación posterior del ARN (regulación post-transcripcional).

IMAGEN: umb.libguides.com

◼ Un ejemplo de regulación transcripcional seencuentra en los nucleosomas, que ayudana regular la transcripción en eucariotas.

◼ Las histonas poseen unas prolongaciones o“colas” de aminoácidos que salen fuera delcorazón del nucleosoma, que puedenmodificarse químicamente.

IMAGEN: scykness.wordpress.com

Cromosomas eucariotasDP/PAU

◼ A diferencia de lo que ocurre en procariotas, los organismoseucariotas poseen varios cromosomas, cada uno de los cuales esuna molécula de ADN lineal bicatenario asociado a proteínashistonas.

◼ Las histonas son proteínas globulares de mayor grosor que el ADN,habiendo muchas de ellas a lo largo de un cromosoma.

◼ El ADN se enrolla dando 2 vueltasalrededor de un octámero de histonas,formado una estructura de 10 nm degrosor denominada nucleosoma.

IMAGEN: swh.schoolworkhelper.netdna-cdn.com

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◼ Esta modificación química de las colas de las histonas que formanlos nucleosomas, constituye un importante factor a la hora de determinarsi un gen se expresará o no.

◼ Las histonas pueden sufrir diferentes tipos de modificación, como sonla adición de un grupo acetilo, grupo metilo o de un grupo fosfato.

◼ Así por ejemplo, el aminoácido lisina enlas colas de las histonas, presentanormalmente una carga positiva, quemediante atracción electrostática seune a las cargas negativas del ADNformando una estructura muycondensada que inhibe la transcripción.

◼ Sin embargo, la acetilación de lalisina por la enzima histona acetil-transferasa neutraliza dicha cargapositiva, permitiendo un menor gradode condensación, lo que conllevaunos mayores niveles detranscripción.

IMAGEN: nature.com


◼ Por tanto, la modificación química de las colas de las histonas puedeactivar o desactivar genes, aumentando o disminuyendo la accesibilidaddel gen a los factores de transcripción.

IMAGEN: en.wikipedia.org

◼ Por el contrario, la adición de grupos metilos (metilación) en las colaspor la enzima histona metil-transferasa, provoca una mayorcondensación de la cromatina, impidiendo que el ADN pueda sertranscrito.

Web5/6

HABILIDAD: Análisis de cambios en el patrón de

metilación del ADNDP/PAU

◼ Otro ejemplo de regulación transcripcional de la expresión génica eneucariotas lo constituye la adición de grupos metilos directamente al ADN.

IMAGEN: http://www.cmaj.ca

◼ La activación del gen equivocado en el momento equivocado puedecausar estragos en la célula. Para evitarlo, los organismos dependen dela metilación del ADN para mantener desactivados los genes que nonecesitan.

◼ El nivel de metilación del ADN varía a lo largo del tiempo de vida y se veafectados por diversos factores (dieta, ambiente, etc.)

◼ Mientras que lametilación de lashistonas puedepromover o inhibir latranscripción, lametilación directadel ADN tiende adisminuir laexpresión génica.



◼ La metilación del ADN es unproceso epigenético, por el que lasenzimas ADN-metiltransferasasañaden grupos metilo (-CH3) alcarbono 5 de las citosinas de lacadena recien sintetizada durante lareplicación del ADN, manteniéndoseasí la memoria del estado metiladoen la molécula hija de ADN.

IMAGEN: http://geneticamolecularunlar.wikispaces.com

IMAGEN: http://www.cmaj.ca



IMAGEN: http://www.pnas.org/content/102/30/10604/F3.expansion.html

◼ La siguiente imagen muestra unmapa de regiones cromosómicascon diferente patrón de metilaciónen gemelos de 3 y 50 años.

◼ El color rojo es indicativo dehipometilación, mientras que elcolor verde de hipermetilación.Niveles similares de metilación semanifiestan por un color amarillo,dado que presenta iguales nivelesde verde y rojo.

1) ¿Cuál es el patrón que puedeconcluirse?

2) ¿A qué puede deberse estepatrón?

NATURALEZA CIENCIAS: Búsqueda de patrones,

tendencias y discrepancias: EpigenéticaDP

◼ La modificación química de la cromatina, ya sea mediante acetilación,fosforilación o metilación de las colas de las histonas, o bien mediante lametilación del ADN, tienen un impacto sobre la expresión génica y porende, en el fenotipo manifestado por el individuo.

◼ Estas modificaciones químicasse denominan factoresepigenéticos, y la suma detodos estos factores seconoce como epigenoma.

◼ La epigenética es el estudiode modificaciones en laexpresión de genes que noobedecen a una alteración dela secuencia del ADN y queson heredables, es decir, unavez adquiridos en unageneración, puedenheredarse por la siguiente.

Video6



◼ Los diferentes tipos celulares tienen un distinto patrón de metilación delADN, de manera que cada tejido producirá un juego específico deproteínas acorde a la función de dicha célula.

◼ Cuando una célula se divide, las nuevas células que se originan heredan elpatrón de metilación en el ADN de la célula progenitora, el cuál a su vez,puede verse modificado por el medio ambiente.

◼ Sin embargo, cuando unespermatozoide fecunda aun óvulo, el cigoto formadosufre un proceso dedesmetilación del ADN entodo su genomainmediatamente despuésde la fecundación. Esteproceso de borrado delepigenoma del nuevoindividuo se denominareprogramación.

IMAGEN: learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/inheritance/

NATURALEZA CIENCIAS: Búsqueda de

patrones, tendencias y discrepancias:

EpigenéticaDP

◼ Sin embargo, un 1% del epigenoma noes eliminado en los mamíferos, formandolo que se conoce como "impronta".

◼ Para la mayoría de los genes, heredamosdos copias funcionales (un alelo delpadre y otro de la madre), pero de los"genes de impronta", heredamos unasola copia funcional. Dependiendo delgen, será la copia del padre o de lamadre la que sea epigenéticamentesilenciada mediante metilación del ADNdurante la formación del óvulo o elespermatozoide.

http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/imprinting

IMAGEN: en.wikipedia.org

◼ Cada vez hay más evidencias de que el medio ambiente puededesencadenar cambios hereditarios en factores epigenéticos.



Video7

Actividad 2

Epigenética y TdCDP

◼ Dos gemelos genéticamente idénticos que poseen los mismos genes,cuando son pequeños son muy parecidos, pero sin embargo, al crecerpor separado y someterse a diferentes ambientes, natural y/o cultural,llegan a ser individuos totalmente diferentes.

◼ Todavía continua eldebate acerca de laimportanciarelativa de lascualidades innatasde un individuofrente a lascualidadesadquiridas a travésde diferentesexperiencias.

◼ ¿Es importantepara la cienciaintentar responderesta cuestión?

IMAGEN: es.slideshare.net/lae01/modulo-2la-inteligencia-tradicional

Modificación post-transcripcional en eucariotasDP/PAU

◼ Además de la regulación de la expresión génica a nivel transcripcionalmediante la modificación química de las colas de las histonas en losnucleosomas, o la metilación directa del ADN, las células eucarióticasmodifican el ARNm tras la transcripción, es decir, llevan a cabo unamodificación post-transcripcional.

IMAGEN: gtac.davidson.edu

◼ En los procariotas, el proceso detranscripción y de traducción estáacoplado, al ocurrir ambos en elcitoplasma, pero en los eucariotas, elARN transcrito en el núcleo debe viajaral citoplasma para su traducción.

◼ Esta separación de ambos procesospermite que el ARN sintetizado puedasometerse a una modificación post-transcripcional antes de que la versiónmadura abandone el núcleo.

◼ Al ARNm que se está transcribiendo,se le añade en el extremo 5’ uncapuchón de metil guanosinatrifosfato, que sirve para evitar lainmediata degradación del ARNm porlas nucleasas del núcleo, y además esreconocida por los ribosomas comolugar de inicio de la traducción.

◼ Una vez finalizada la transcripción, sele añade en el extremo 3’ de 100-200 nucleótidos de adenina (colapoli-A), cuya función es la deintervenir en el proceso demaduración y transporte del ARNmfuera del núcleo.

◼ En eucariotas es necesaria la maduración de los tres tipos de ARN.

◼ Una de estas modificaciones post-transcripcionales que ocurre enlos eucariotas tiene lugar en los extremos del ARN que se sintetiza.

Modificación post-transcripcional en eucariotasDP/PAU

Maduración del ARNm en eucariotasDP/PAU

◼ El ARN eucariótico precisa dela eliminación de intrones paraformar el ARNm maduro. ElARNm recien sintetizado(transcrito primario) no esfuncional, al contener intronesintercalados entre los exones.

Animación2

◼ Otra de las modificaciones post-transcripcionales que ocurre en loseucariotas consiste en la eliminación de los intrones del ARNsintetizado (maduración del ARN).

◼ El proceso de maduración(splicing) consiste en laeliminación de intrones por lasenzimas ribonucleoproteínaspequeñas nucleares (RNPpn)y la unión de los exones por lasenzimas ARN ligasas.


◼ No siempre se une cada exón con su exón anterior en la secuencia, sinoque en ocasiones, se pueden dar mecanismos distintos de corte yempalme a partir de un mismo ARNm transcrito primario, lo que originacadenas de ARNm con secuencias distintas.

◼ Esto significa que un mismo gen eucariota que contiene variosexones puede dar lugar a proteínas diferentes según el orden en elque se unan los exones durante la maduración. Es decir, el empalme ounión del ARNm aumenta el número de proteínas diferentes quepuede producir un organismo.


◼ Aunque se creía que un gen siempre codificaba para un mismopolipéptido, con el tiempo se han descubierto muchas excepciones,provocando un cambio de paradigma. Así, la proteína tropomiosina enlos mamíferos, que se encuentra codificada por un gen que contienen11 exones, su ARNm primario sufre distinto proceso de maduración enfunción del tejido en el que se produce, dando lugar a 5 formas diferentes(isoformas) de la proteína.

◼ Más del 90% de los geneshumanos experimentanesta maduración osplicing alternativo, por elque se producen diferentesproteínas a partir de ungen, en ocasiones llegandoincluso a centenares omiles de variantes.

IMAGEN: http://pendientedemigracion.ucm.es

Esquema general de la transcripción en eucariotas

Animación3

HABILIDAD: Deducir la secuencia de bases de

ADN a partir de la secuencia de ARNmDP/PAU

◼ Dada la siguiente secuencia de ARN mensajero, indique la secuenciade ADN bicatenario que sirvió de molde para este ARN mensajero,indicando cuál de las cadenas es sentido y cuál antisentido.

tema 2. Ácido nucleicos -...

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