ELVI

INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD ALTAMIRANO

UNIDAD 8: Regulación de la expresión genética

QUE PRESENTA:

ELVIRA ROJAS NAVA.

09930053

LICENCIATURA EN BIOLOGIA

CIUDAD ALTAMIRANO GRO. MEXICO, MAYO DEL 2012

INTRODUCCIÓN.

En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesario regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. Es un principio de economía celular el que la expresión de los genes está regulada según las circunstancias celulares.

El genoma de los procarionte consiste en una sola molécula circular de DNA: el cromosoma bacteriano. Las regiones que codifican polipéptidos con funciones relacionadas suelen encontrarse juntas formando grupos funcionales llamados cistrones, que se transcriben en una sola molécula de mRNA policistrónico. Los procariontes también suelen tener plásmidos, pequeñas moléculas circulares de DNA que se replican en forma autónoma.

Ejemplo: La bacteria Escherichia coli presenta enzimas inducibles, que son sintetizadas cuando hacen falta y en respuesta a estímulos ambientales. También posee enzimas reprimibles, cuya síntesis se interrumpe ante la presencia de los productos de las reacciones que catalizan. La regulación de la síntesis de proteínas ocurre a nivel de la transcripción y es una consecuencia de la interacción entre el ambiente químico de la bacteria y proteínas codificadas por genes reguladores. Estas proteínas pueden funcionar como controles negativos, reprimiendo la transcripción del mRNA, o como controles positivos, intensificándola.

Los operones están formados por un promotor, un operador y un cistrón. La transcripción del cistrón depende de una proteína represora que se une al operador. Esta acción obstruye al promotor, lo cual impide la transcripción. La capacidad del represor para unirse al operador depende de una molécula efectora. Según el tipo de operón, la molécula efectora activa o inactiva al represor.

OBJETIVO DE LA UNIDAD.

] Integrar los conocimientos anteriores con los mecanismos de regulación genética para entender a nivel molecular los procesos metabólicos.

METODOLOGÍA.

Se realizara una investigación documental donde se reforzara la información presentada y expuesta por el profesor.

8.1 NIVELES DE REGULACION DE LA EXPRESION GENETICA

En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesaria regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. Es un principio de economía celular el que la expresión de los genes esta regulada según las circunstancias celulares. Un buen ejemplo de esta situación en bacterias es la regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares. Las bacterias pueden emplear para obtener energía distintas fuentes de carbono, como la glucosa, lactosa, galactosa, maltosa, ramnosa y xilosa. Existen enzimas capaces de introducir cada uno de estos azúcares en la bacteria y enzimas capaces de romperlos para obtener energía. Lógicamente, sería un despilfarro energético producir simultáneamente todos los enzimas necesarios para metabolizar los diferentes azúcares mencionados. Por consiguiente, sería mucho más económico para la célula producir solamente las enzimas necesarias en cada momento, es decir, si en el medio en el que vive la bacteria la principal fuente de carbono es la lactosa, solamente se expresarían los genes necesarios para metabolizar la lactosa, mientras que los otros genes no se expresarían. Por tanto, es esencial que exista un mecanismo de regulación de la expresión génica, de manera que los genes se expresen cuando sea necesario.

La regulación de la producción de proteínas (síntesis de proteínas) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en tres niveles:

· Replicación

· Transcripción

· Traducción.

De los tres niveles de regulación, uno de los mejor conocidos actualmente es la regulación durante la transcripción. Aunque la regulación de la transcripción en eucariontes es más compleja que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. Por tanto, comenzaremos por el estudio de la regulación de la transcripción en bacterias.

En eucariontes, los sistemas de regulación y selección son multietapa y a menudo son arborescentes. Esto disminuye considerablemente el esfuerzo de la selección estando ya preseleccionados determinados genes en una célula dada (diferenciación). Esta preselección y la multiplicidad de niveles sucesivos de regulación permiten un ajuste de la velocidad y de la intensidad de la reacción a los estímulos. La arborescencia permite la obtención de respuestas pleiotrópicas cuando los estímulos se dirigen a un nivel elevado, es decir a las primeras etapas de la regulación y de una respuesta fina, muy selectiva y muy rápida cuando se dirigen a un nivel bajo, es decir, a las últimas etapas de la regulación. No existe, pues, un modelo general de regulación como es el caso de los procariontes sino toda una serie de posibilidades que se encadenan, desde una estructura especial de la cromatina (nivel alto de regulación) hasta una regulación postraduccional (última etapa posible de regulación).

Niveles de la expresión génica en eucariontes

Las diferentes posibilidades de regulación de la expresión génica en organismos eucariotas son:

I. Nivel de cromatina
II. Nivel transcripcional
III. Nivel postranscripcional
IV. Nivel traduccional
V. Nivel postraduccional

Regulación de la expresión génica a nivel de la cromatina

Existen cuatro subniveles de regulación al nivel de la cromatina:

1. Condensación de la cromatina: sitios sensibles e hipersensibles a la DNasa I
2. Zonas superenrolladas
3. Metilación de las citosinas
4. Reordenamiento del genoma

Condensación de la cromatina: sitios sensibles e hipersensibles a la DNasa I

La estructura cromatina descondensada representa, al parecer, el primer y más elevado nivel de regulación. Es a este nivel que se llevará a cabo la selección entre los genes que la célula está autorizada a transcribir y aquellos que ella no debe transcribir. La cromatina está constituida por el DNA enrollado alrededor de una serie de nucleosomas, empaquetada más relajada en las regiones que contienen genes activos. Además de los cambios generales que ocurren en las regiones activas o potencialmente activas, ocurren cambios estructurales en sitios específicos asociados con la iniciación de la transcripción o con determinadas características estructurales del DNA. Estos cambios se detectaron por primera vez gracias a los efectos de la digestión con concentraciones muy débiles de la enzima DNAsa I.

La mayoría de los sitios hipersensibles se encuentran solamente en la cromatina de las células en las cuales se está expresando el gen asociado; no se encuentran cuando el gen está inactivo. Se asume que un sitio hipersensible es el resultado de la unión de proteínas reguladoras específicas que excluyen los nucleosomas. Los factores de transcripción pueden generar sitios hipersensibles asociados a la transcripción.

Zonas superenrolladas

El superenrollamiento negativo del DNA hace que las bases estén más accesibles a las proteínas. Algunos resultados experimentales demuestran que la variación del grado de torsión del DNA se utiliza como medio para modificar el acceso de las proteínas al promotor, lo mismo en eucariontes que en procariontes, regulando así la expresión de los genes correspondientes. Las mutaciones en los genes de las topoisomerasas, que son las enzimas que crean o eliminan los supergiros, disminuyen su actividad y también disminuyen importantemente la transcripción de numerosos genes. Este efecto también se obtiene por los inhibidores de las topoisomerasas. Sin embargo, este resultado no es general, y sólo algunos genes están afectados. Las topoisomerasas implicadas en esta regulación parecen fijarse a determinadas secuencias específicas del DNA situadas antes de los promotores.

Reordenamiento del genoma

Entre los genes cuya expresión está condicionada por un reordenamiento genómico figuran los genes de determinados antígenos de superficie en el tripanosoma, los genes de las proteínas del sistema inmune y los genes que intervienen en la esporulación de la levadura (mating-type o fenotipo sexual). Los reordenamientos del DNA generan diversidad, tanto en procariontes como en eucariontes. Las consecuencias generales del reordenamiento pueden ser:

a) Crear nuevos genes como es el caso de las inmunoglobulinas, necesarias para la expresión en determinadas circunstancias.

b) El reordenamiento puede ser responsable del cambio de la expresión de un gen ya existente en otro. Esto ofrece un mecanismo para la regulación génica. Este es el caso del fenotipo sexual o esporulación de las levaduras.

Regulación a nivel transcripcional

La transcripción de un gen en estado activo está controlada en la iniciación por la interacción de la RNA polimerasa con su promotor. En la mayoría de los genes, éste es el punto de control más importante. Probablemente sea el nivel más común de regulación. Hasta el momento no existen evidencias de control en otras etapas de la transcripción en las células eucariotas, como por ejemplo, mediante mecanismos de antiterminación. La regulación de la transcripción de un gen especifico de tejido es la base de la diferenciación eucariota, como por ejemplo, las proteínas que regulan el desarrollo embrionario que no son más que factores de transcripción.

La regulación de la expresión de genes a nivel transcripcional, se subdivide en:

1. Regulación en cis
2. Regulación en trans

8.2 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN ORGANISMOS PROCARIÓTICOS.

La regulación de la síntesis de proteínas ocurre a nivel de la transcripción y es una consecuencia de la interacción entre el ambiente químico de la bacteria y proteínas codificadas por genes reguladores. Estas proteínas pueden funcionar como controles negativos, reprimiendo la transcripción del mRNA, o como controles positivos, intensificándola.

Cambios en la estructura del DNA

-Superenrollamiento

Para mantener una situación homeostática en la célula en relación al número de superenrollamientos es necesario mantener con una regulación contraria los genes topA (codifica la topoisomerasa I) y gyrA y gyrB (determinan las dos subunidades de la DNA-topoisomerasa II). No se conoce el mecanismo molecular que controla esta regulación. Sí se sabe que mutantes en las topoisomerasas disminuyen la tasa general de transcripción.

-Metilación

La metilación provoca un cambio de estructura en el apareamiento entre las bases nitrogenadas que puede alterar su reconocimiento por algunas proteínas. El más conocido es el de la metilasa dam que reconoce la secuencia GATC y metila la A.

La mayor parte de los genes cuya exprexión se ve reprimida por la metilación son genes cuya expresión sólo se necesita durante la replicación (único momento en el que una cadena del DNA está transitoriamente hemimetilado), permaneciendo reprimidos el resto del ciclo celular.

Los genes mioC y dnaA de E. coli implicados en el inicio de la replicación del DNA son de los pocos que se activan con la metilación, puesto que si el DNA está totalmente metilado, es señal de que se pueden expresar para iniciar otro ciclo replicativo.

Cambios en la interacción entre el DNA y la RNA-polimerasa

Lo provocan aquellos cambios que, sin alterar ni la estructura del DNA ni la de la RNA-polimerasa, sí que afectan la interacción entre ambas. Es necesaria la comparecencia de una tercera molécula, habitualmente una proteína (aunque a veces puede ser RNA). Tres mecanismos pueden alterar esta interacción:

• Modificación de la interacción entre RNA polimerasa y el promotor debido a la existencia de una proteína reguladora y un efector

• Secuencias reguladoras a distancia

• Modificación de la terminación: antiterminación

8.2.1 OPERON DE LACTOSA

Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli, de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias.

Un Operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismoselementos de control (promotor y operador) y genes reguladores

Los principales elementos que constituyen un operón son los siguientes:

› Los genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata de los genes cuya expresión está regulada. Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, son poligénicos o policistrónicos. Hay algunos operones bacterianos que tienen un solo gene estructural. Los operones eucarióticos suelen contener un sólo gen estructural siendo monocistrónicos.

› El promotor (P): se trata de un elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra P.

› El operador (O): se trata de otro elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la proteína reguladora. El operador se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra O.

› El gen regulador (i): secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. El gen regulador está cerca de los genes estructurales del operón pero no está inmediatamente al lado. Abreviadamente se le denomina gen i.

› Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Está proteína se une a la región del operador.

› Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.

El operón lac, está constituido por:

tres genes estructurales:

	Gen lacZ: codifica la ß-galactosidasa (tetrámero de un polipéptido de 116 kDa), la enzima que hidroliza la lactosa en galactosa y glucosa;
›	Gen lacY: determina la ß-galactósido permeasa (46 kDa); proteína de membrana que realiza el simporte de H⁺ y lactosa.
	Gen lacA: determina ß-galactósido acetilasa, prescindible y de papel desconocido.

un promotor para la unión de la holoenzima de la ARN polimerasa

un elemento regulador en cis: el operador, parcialmente superpuesto con el promotor

Este operón está controlado por el producto de un gen situado cerca del operón (pero que no forma parte de él; este es el elemento regulatorio en trans): el gen lacI, que codifica un represor que por sí mismo es activo como tal. El polipéptido de 38 kDa producido por este gen se agrega espontáneamente formando tetrámeros, que son la forma funcional del represor.

Veamos el funcionamiento del sistema:

Mientras en el medio no exista lactosa, el tetrámero del represor presenta una alta afinidad de unión hacia las secuencias del operador, y así impide que la ARN polimerasa reconozca y se una al promotor; por lo tanto, no existe apenas transcripción del operón de la lactosa. La actividad de unión al operador reside en el extremo N-terminal, que presenta un diseño característico en hélice-bucle-hélice. El operador al que se une presenta una secuencia palindrómica imperfecta.

Si en el medio existe lactosa (u otro azúcar de tipo ß-galactósido) como única fuente de C, dicho azúcar actúa como inductor del operón: se une a una zona de las subunidades del tetrámero del represor (codificado por lacI), con lo que se produce un cambio conformacional alostérico del represor; con ello disminuye la afinidad del tetrámero hacia la secuencia del operador, por lo que ahora la ARN polimerasa puede iniciar la transcripción. El represor inactivo “emigra” a zonas inespecíficas y aleatorias del ADN, distintas del operador.

OPERON TRIPTOFANO.

A diferencia del Operón Lac, el Operón Triptofano regula la transcripción de las enzimas que intervienen en una vía anabólica. Las cinco enzimas que regula este Operón pertenecen a la vía anabólica del aminoácido Triptofano.

Es más que innecesaria la síntesis de un aminoácido, por parte de la célula, cuando la misma contiene cantidades suficientes de él. Cuando la concentración de Triptofano es la adecuada el represor inactivo, codificado por el gen regulador, se une a otra molécula que le confiere la capacidad para acoplarse al operador. Al estar el operador ocupado, la ARN polimerasa no podrá formar el Complejo Promotor Abierto, por lo tanto, la síntesis de las enzimas intervinientes en la vía anabólica del Triptofano no son producidas. El co-represor, molécula que confiere la activación del represor, es nada más ni nada menos que el Triptofano. Es sumamente lógico que lo sea, ya que cuando hay una alta concentración de Triptofano, no es necesario gastar energía en sintetizarlo.

Si la concentración de mencionado aminoácido es baja, el represor no podrá unirse al co-represor, por tal motivo el represor no adquirirá la capacidad de unirse al operador.

Al encontrarse el operador libre, la ARN polimerasa podrá iniciar la transcripción de los genes estructurales, obteniéndose las enzimas necesarias para poder sintetizar este aminoácido esencial.

Diferencias entre el Operón Lac y el Operón Try:

˜ El Operón Lac interviene en la regulación de la transcripción de enzimas pertenecientes a la vía catabólica de la Lactosa, mientras que el Operón Try interviene en la regulación de la transcripción de enzimas pertenecientes a la vía anabólica del Triptofano.

˜ La Lactosa actúa induciendo la transcripción de los genes estructurales, mientras que el Triptofano actúa como Co- represor, inhibiendo la transcripción de los genes estructurales.

˜ Cuando hay alta concentración de Lactosa, los genes estructurales se transcriben, en el caso de la alta concentración del Triptofano, los genes estructurales No se transcriben.

8.3 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN ORGANISMOS EUCARIÓTICOS.

Las secuencias codificantes ocupan sólo un 2% del genoma humano, sin embargo el 5-10% del proteoma está constituido por factores que regulan la transcripción.

Cambios epigenéticos – Metilación del DNA

1. Los cambios epigenéticos son modificaciones heredables que afectan a la expresión génica sin introducir ningún cambio a nivel de la secuencia de DNA.

2. Un ejemplo de cambio epigenético es la metilación del DNA, principalmente a nivel del carbono C5 de la citosina.

3. Islas CpG: regiones ricas en dinucleótidos CpG no metilados que habitualmente preceden las regiones promotoras de los genes.

4. La metilación de islas CpG se halla asociada al silenciamiento de la transcripción génica

La regulación de la expresión génica es más compleja en eucariotas.

El ADN está empaquetado con proteínas formando la cromatina.
La transcripción se produce en el núcleo y la traducción en el Citoplasma.
Los transcritos son procesados antes de ser transportados al citoplasma.
La mayoría de eucariotas son organismos pluricelulares con expresión génica diferencial en cada tipo celular.
El número de genes es mayor. R

Control de la transcripción elementos CIS y TRANS

→ Control en CIS

•Promotores secuencias de ADN de 200 pb a 5' del inicio de la transcripción.

*Promotor Mínimo región comprendida entre la caja TATA (-25-30) y el inicio de la transcripción.

Determina una transcripción basal

*Elementos proximales: Secuencias localizadas entre la caja TATA y -200 pb (o más lejos) y que determinan una transcripción eficiente y regulada del gen. Estructura modular. La localización y organización de estos módulos es variable.

•Elementos que actúan con independencia de la distancia:

*Intensificadores (enhancers)

*Silenciadores

Intensificadores y silenciadores:

Pueden localizarse a 5’ o 3’ del gen, o incluso dentro del mismo.
Puede invertirse su orientación sin cambiar su efecto.
Al moverlos a otra posición del genoma afectan a la expresión de los genes adyacentes.
Tienen una estructura modular, con diferentes secuencias cortas de ADN.
Regulan la expresión génica específica tisular y temporal.

REGULACIÓN EN EUCARIOTAS: TRANSCRIPCIÓN

Elementos que actúan en TRANS: son proteínas reguladoras que se unen a secuencias de reconocimiento específicas del ADN.

→ Factores de transcripción basales o generales: se unen al promotor mínimo para iniciar la transcripción.
→ Factores de transcripción: proteínas que se pueden unir a secuencias del promotor, activadores y silenciadores afectando a la transcripción. Si incrementan la transcripción se denominan activadores, si la disminuyen represores. Controlan el nivel de expresión y la especificidad tisular y temporal.

REMODELACIÓN DE LA CROMATINA

Remodelación de la cromatina: cambios en la organización de la cromatina.
Para la transcripción de un gen es necesario una estructura de la cromatina abierta (la ARN polimerasa y los activadores deben unirse al ADN)
Hipersensibilidad al ADNasa I: en los genes activos se observan normalmente regiones hipersensibles a la ADNasa I (sin nucleosomas o ADN unidos débilmente a estos).

REGULACIÓN POST-TRANSCRIPCIONAL

 Procesamiento alternativo del ARNm: permite generar diferentes productos a partir de un único gen. Muy frecuente (30-60% de los genes humanos)

 Edición del ARNm

→ Splicing Alternativo

→ Poliadenilación Alternativa

 Estabilidad del ARNm

 MicroRNAs y siRNA

 Regulación traduccional y postraduccional

METILACIÓN DEL ADN

 La metilación impide la unión de los factores de transcripción

 Favorece la unión de proteínas que inhiben la transcripción

 Afecta a la accesibilidad que a su vez depende de:

→ Posición del nucleosoma

→ Desensablado parcial de histonas

 Metilan las islas CpG

 Principalmente en el extremo 5’

 ADN metilado recluta HDAc a través de proteínas con dominios de unión a CpG metiladas.

 MeCP2 disminuye la transcripción reclutando Deacetilasas de Histonas (HDAC)

PROTEINAS QUE MODULAN LA TRANSCRIPCION

Los activadores son la proteínas que se van a unir a los elementos distales (SDE y potenciadores) para activar la transcripción. Son específicos de unos pocos promotores —por lo que no estarán en todos los tipos celulares—, reconocen entre 6 y 14 pb en el promotor y suelen tener dos dominios estructurales:

El dominio de unión a DNA (DNA binding domain) , que consta de 60 a 100 aminoácidos consecutivos.
El dominio de activación de la transcripción que consta de 30 a 100 aminoácidos que no tienen por qué ser consecutivos.

Coactivador

Se denomina coactivador si ayuda a activar la transcripción. Un mismo coactivador puede recibir señales de distintos activadores para transmitirlos hacia el complejo del promotor basal.

Se denomina correpresor si ayuda a inactivar el promotor.