Tema 10. Regulación de la expresión génica

Tema 10. Regulación de la expresión
génica
Genética CC.MM.
Contenidos
•
Expresión génica en procariotas
•
Expresión génica en eucariotas
•
Genética del desarrollo
1
Regulación de la expresión génica en
procariotas
La lógica de la regulación génica
•
Una propiedad fundamental de los seres vivos es su capacidad para adaptarse
rápidamente al ambiente mediante la activación o inactivación de genes.
•
Esta habilidad permite que las células de un organismo puedan sintetizar
proteínas en el momento y lugar precisos.
•
Esto evita un derroche energético, pues no es preciso sintetizar todas las
proteínas que una célula es capaz de producir, sino únicamente las que se
necesitan en cada momento.
– Genes regulados: Aquellos cuya actividad es controlada en respuesta a
las necesidades de una célula u organismo.
– Genes constitutivos: Son los genes que están siempre activos, con
independencia de las condiciones ambientales.
2
Regulación génica en procariotas
•
La actividad génica se controla mediante la regulación de la transcripción.
•
Proteínas reguladoras interaccionan con secuencias reguladoras del gen
(operadores) para inducir o reprimir la expresión génica.
– Control positivo: La unión de una proteína activadora induce la
expresión génica.
– Control negativo: La unión de una proteína represora impide la
expresión génica.
Regulación génica en procariotas
Control positivo
Control negativo
•
Las proteínas reguladoras
existen en dos
conformaciones alternativas.
Sólo en una de ellas pueden
unirse al DNA.
•
El cambio de una
conformación a otra (cambio
alostérico) es debido a la
unión de sustancias llamadas
efectores.
3
Regulación génica en procariotas
•
Los genes que codifican proteínas con funciones relacionadas se
suelen organizar en operones. Un operón es una unidad genética de
expresión coordinada de genes.
•
El operón está constituido por un grupo de genes estructurales
adyacentes que se transcriben juntos en un mismo mRNA y cuya
regulación está determinada por un elemento de control de la
transcripción común.
Metabolismo de la lactosa en E. coli
•
Reacciones catalizadas por la β-galactosidasa
y la lactosa permeasa
Cuando la lactosa es la única fuente de
carbono, tres enzimas son sintetizadas de
forma simultánea:
– β-galactosidasa: Hidroliza la lactosa en glucosa
y galactosa. También determina la
transformación de lactosa en alolactosa.
– Lactosa permeasa: Se localiza en la membrana
citoplasmática y transporta la lactosa al interior
de la célula.
– Transacetilasa: Su función no es bien conocida.
•
En presencia de glucosa, E. coli sólo contiene
unas 3 moléculas de β-galactosidasa, pero
este número se incrementa 1000 veces cuando
la lactosa es la única fuente de carbono.
4
El operón lactosa (lac)
•
•
•
Promotor (Plac+).
Operador (lacO+).
Tres genes estructurales: β-galactosidasa (lacZ+), lactosa permeasa (lacY+),
transacetilasa (lacA+).
•
Gen regulador lacI+. Gen constitutivo. Posee su propio promotor y terminador.
Se expresa débilmente produciendo unas pocas moléculas de proteína
represora.
El operón lac: ausencia lactosa
•
•
•
Control negativo.
El gen regulador lacI+ codifica una proteína represora que se une al operador
(lacO+) e impide la transcripción (la RNA polimerasa se une al promotor, pero
no puede iniciar la transcripción).
El represor puede liberarse eventualmente durante cortos periodos de tiempo,
permitiendo que se produzcan unas pocas moléculas de enzimas.
5
El operón lac: presencia de sólo lactosa
•
•
•
•
Algunas moléculas de lactosa se transforman en alolactosa por la β-galactosidasa.
La alolactosa (efector) se une al represor, que modifica su conformación y se libera.
Los represores de nueva síntesis son también modificados y no pueden unirse.
Se inicia la síntesis de un mRNA policistrónico a partir del cual se forman los enzimas.
El operón lac: control por catabolito
•
Si coexisten la lactosa y la glucosa, el
operón lac se expresa a un bajo nivel
hasta que se utiliza toda la glucosa (la
fuente de energía más eficiente).
•
Control positivo debido a la proteína
activadora CAP.
•
Si sólo hay lactosa, existe mucho
AMP cíclico (cAMP). El cAMP (efector)
se une al activador CAP, y el complejo
CAP-cAMP estimula la transcripción al
unirse al promotor.
•
La presencia de glucosa y su
subsecuente degradacion determinan
poco cAMP. El activador CAP no se
une al promotor y hay una escasa
transcripción del operón lac.
6
El operón lac: resumen
•
En ausencia de lactosa, el represor se
une al operador con independencia de los
niveles de cAMP: transcripción reprimida.
•
En presencia de lactosa y glucosa, el
represor no se puede unir al operador.
Sin embargo, sólo se produce una
pequeña cantidad de mRNA: la
degradación de glucosa hace descender
el cAMP, y no se puede formar el
complejo cAMP-CAP para estimular la
transcripción.
•
En presencia de sólo lactosa, el represor
no se puede unir al operador, los niveles
de cAMP son altos, y el complejo cAMPCAP se une al promotor produciendo
grandes cantidades de mRNA.
El operón triptófano (trp)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Control negativo.
5 genes estructurales (trpA,
trpB, trpC, trpD, trpE).
promotor
operador.
Región líder (trpL), que
incluye un sitio atenuador
(att).
Gen regulador trpR.
Dos sistemas de control:
Cualitativo (interacción
represor-operador).
Cuantitativo (atenuación.
Actúa una vez iniciada la
transcripción).
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El operón trp: interacción operador-represor
•
El gen regulador trpR codifica una proteína represora inactiva
(aporrepresor) que se activa al unirse con el triptófano (efector).
•
Ausencia de triptófano:
– El aporrepresor no se une al operador: Transcripción del operón trp y
síntesis de triptófano
•
Presencia de triptófano:
– El aporrepresor se activa al combinarse con el triptófano, uniéndose al
operador. Se bloquea la transcripción del operón trp reprimiendo la
síntesis de triptófano
El operón trp: atenuación
•
•
•
Atenuación: controla el número de transcritos completos del operón trp,
haciéndolo inversamente proporcional a la cantidad de triptófano.
La región líder codifica un pequeño polipéptido (con dos codones triptófano
antes del STOP) y contiene 4 regiones complementarias que pueden formar
bucles que constituyen señales de transcripción.
Inmediatamente después del inicio de la transcripción, la región 1 y 2 forma un
bucle: señal de breve pausa que permite la unión del ribosoma al RNA. La
traducción ocurre inmediatamente después de la RNA polimerasa.
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El operón trp: atenuación
Casi ausencia de triptófano:
•
•
•
El ribosoma se para al llegar a los
codones trp y cubre la región 1.
Regiones 2 y 3 forman un bucle:
señal de antiterminación.
Se transcriben todos los genes.
Presencia escasa de
triptófano:
•
•
•
El ribosoma se desplaza hasta el
codón STOP, cubriendo las
regiones 1 y2.
Regiones 3 y 4 forman un bucle:
señal de terminación
Se interrumpe la transcripción antes
de llegar a los genes estructurales.
Regulación de la expresión génica en
eucariotas
9
Control de la expresión génica en eucariotas
•
Eucariotas carecen de operones
•
Regulación más compleja:
– Respuesta rápida para adaptarse a
cambios ambientales
– Respuesta a largo plazo para regular los
procesos de desarrollo y diferenciación
celular
•
Varios niveles de control de la
expresión:
–
–
–
–
–
Transcripción del mRNA
Procesamiento del mRNA
Trasporte del mRNA
Degradación del mRNA
Traducción y degradación proteica
Control transcripcional
•
Control de la transcripción del
mRNA: El más importante.
Determina si un gen se transcribe,
cómo se transcribe, y cuánto se
transcribe.
•
Secuencias reguladoras:
intentificadoras (activan la
transcripción) y silenciadoras
(reprimen la transcripción). Actúan
en combinación con los factores de
transcripción.
•
Control positivo y negativo
10
Control transcripcional: cambios cromosómicos
•
La regiones cromosómicas que son transcripcionalmente activas están menos
condensadas que las regiones transcripcionalmente inactivas.
•
La zonas promotoras de los genes que se están transcribiendo también
presentan un menor grado de empaquetamiento cromosómico
•
Las histonas de los nucleosomas pueden reprimir la transcripción de los genes
al cubrir las regiones promotoras (particularmente la caja TATA), impidiendo la
unión de las proteínas reguladoras y factores de transcripción necesarios para
iniciar la transcripción.
•
Los genes podrían activarse mediante la unión de proteínas activadoras a
secuencias intensificadoras, que desintegrarían el nucleosoma permitiendo así
el acceso de las proteínas reguladoras.
Control transcripcional: hormonas
•
Las hormonas son
moléculas efectoras
producidas por ciertos tipos
celulares y que producen
una respuesta fisiológica en
otras células.
•
Cada tipo de hormona actúa
sobre un tipo determinado
de células, gracias a la unión
con receptores específicos.
•
Constituyen un sistema de
regulación de respuesta
rápida.
11
Control transcripcional: hormonas
•
Proteínas inducidas
por esteroides:
A excepción de la
hormona esteroide
glucocorticode, los
receptores de
esteroides se localizan
en un número reducido
de tejidos.
Control transcripcional: hormonas
•
Los genes regulados por una misma
hormona esteroide poseen una
secuencia común, llamada elemento
de unión a la hormona esteroide
(HRE), a la que se une el complejo
formado por la unión de la hormona y
su receptor.
•
Los elementos HRE se localizan en las
secuencias intensificadoras, a menudo
en copias múltiples.
•
La misma hormona esteroide puede
activar distintos tipos de genes.
•
La expresión génica en plantas
también está regulada en parte por
hormonas
12
Control transcripcional: metilación del DNA
•
El DNA de muchos eucariotas es metilado después de la replicación
en un cierto número de bases, la mayoría de las cuales son citosinas.
El enzima DNA metilasa cataliza la transformación de citosina en 5metilcitosina (5mC).
•
El porcentaje de 5mC es muy variable en eucariotas, y aumenta con la
complejidad de los organismos (3% en mamíferos, pero casi
inexistente en Drosophila).
•
La distribución de 5mC no es aleatoria: La mayoría se encuentra en la
secuencia CG (90% en mamíferos).
•
Los genes más metilados se expresan menos. La metilación podría
reprimir la expresión génica, o ser el resultado de un bajo nivel de
expresión.
Control del procesamiento del mRNA
calcitonina
•
Regula la producción de
mRNAs maduros a partir
de moléculas de premRNA: proteínas
codificadas por el mismo
gen pueden diferir en su
estructura y función.
•
Poliadenilación
alternativa: Distintas
señales de poliadenilación
determinan diferentes premRNAs
•
Splicing alternativo:
Formas alternativas de
eliminar intrones generan
distintos mRNA maduros
13
Control del procesamiento del mRNA
•
El splicing alternativo desempeña
un papel fundamental en la
determinación del sexo en
Drosophila
•
Modelo de regulación en
cascada: El distinto procesamiento
del pre-mRNA del gen sex-lethal en
machos y hembras, determina la
forma en la que se procesan los
pre-mRNAs de los genes tra y dsx,
y que finalmente provocan la
diferenciación somática como
machos o hembras.
Control del transporte del mRNA
•
Muchos de los pre-mRNAs nunca abandonan el núcleo celular
•
Modelo de retención por el spliceosoma:
– El pre-mRNA es retenido en el núcleo hasta que finaliza su procesamiento
en los spliceosomas.
– El mRNA maduro se libera del spliceosoma y atraviesa la membrana
nuclear hacia el citoplasma. La presencia de la caperuza 5’ , y
posiblemente de señales especícas, promueven la salida del mRNA del
núcleo.
14
Control de la traducción del mRNA
•
Los ribosomas pueden seleccionar y traducir mRNAs específicos.
•
El mecanismo no es bien conocido.
– Ciertas proteínas podrían asociarse a los mRNAs para evitar su
degradación e impedir su traducción.
– La cola poli(A) promueve la iniciación de la traducción y también
podría jugar un papel importante, pues es más corta en los mRNAs
inactivos que activos. Un secuencia específica en el extremo 3’ del
mRNA podría estar implicada en el acortamiento de la cola poli(A).
Control de la degradación del mRNA
•
Todos los RNAs son degradados una vez en el citoplasma. Su estabilidad es
variable:
– rRNA y tRNA son muy estables
– mRNA: Algunos se degradan en minutos, mientras que otros duran meses
•
La degradación del mRNA es un mecanismo muy importante de regulación de
la expresión génica en eucariotas. Según los casos, puede precisar o no del
acortamiento de la cola poli(A) antes de la eliminación de la caperuza 5´, tras
lo cual el mRNA es degradado por las exonucleasas 5’-3’.
•
La estabilidad de los mRNAs puede cambiar en respuesta a señales
reguladoras.
15
Control de la degradación del mRNA
Control de la degradación proteica
•
Determinan la vida media de una proteína.
•
En eucariotas, la degradación de proteínas precisa de la unión del
cofactor proteico ubiquitina, que las marca para su proteolisis.
•
El aminoácido N-terminal determina la velocidad con la que se unen las
moléculas de ubiquitina a la proteína y, por tanto, fija la vida media de la
proteína.
16
Genética del desarrollo
Genética del desarrollo
•
Los eucariotas complejos contienen múltiples tipos de células, tejidos y
órganos, aunque todas las células de un mismo organismo contienen
un mismo genoma.
•
Diferenciación: Formación de diferentes tipos de células, tejidos y
órganos mediante la regulación de la expresión de los genes.
•
Desarrollo: Es un programa de actividades genéticas sucesivas en el
que se integran diversos subprogramas de la diferenciación celular.
•
Los procesos de desarrollo y diferenciación son el resultado de un
patrón programado de activación y represión de la expresión génica
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Actividad genómica en eucariotas multicelulares
•
Un 20-40% del genoma de eucariotas es altamente repetitivo, mientras que el
DNA restante es moderadamente repetitivo o de copia única.
•
Sólo una pequeña fracción del DNA se transcribe en un momento dado para
producir proteínas (6% en erizos).
•
Se desconoce la función del DNA que nunca se transcribe. Algunos autores
defienden que se trata de DNA basura sin función alguna, aunque también se
ha propuesto que podría desempeñar un papel regulador aún por determinar.
Constancia del DNA genómico durante el desarrollo
•
El genoma de cualquier célula animal o vegetal contiene el mismo DNA que
el cigoto del cual deriva.
•
Distintos experimentos en plantas han permitido demostrar que células
somáticas aisladas poseen la capacidad de generar un nuevo individuo,
demostrando así que el DNA no cambia durante el desarrollo.
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Constancia del DNA genómico durante el desarrollo
•
La clonación en 1997 de la oveja
Dolly a partir del núcleo de una célula
adulta confirmó que también en los
animales cualquier célula es capaz
de originar un nuevo individuo.
•
El hecho de que cualquier núcleo de
una célula somática adulta contenga
toda la información necesaria para
dirigir la formación de un nuevo
individuo desde el principio se conoce
como totipotencia.
Actividad génica diferencial entre tejidos
durante el desarrollo
•
La hemoglobina humana esta
formada por cuatro polipéptidos. Se
producen distintos tipos de
hemoglobinas a lo largo del
desarrollo como resultado de la
activación o inactivación de genes
que codifican diferentes globinas.
– Embrión: (2ζ + 2ε)
– Feto: (2α + 2γ )
– Adultos: (2α + 2δ )
•
Los genes están dispuestos en el
cromosoma en el mismo orden en el
que se expresan.
19
Bases genéticas de la diversidad de anticuerpos
•
Cada linfocito B sintetiza un único
tipo de anticuerpo que es específico
de cada antígeno.
•
La unión antígeno-anticuerpo
determina la proliferación del linfocito
B que lo sintetiza (selección
clonal).
•
Anticuerpos:
– Formados por dos cadenas pesadas
idénticas (H) y dos cadenas ligeras
idénticas (L) unidas por puentes
disulfuro.
– Cada cadena posee una parte
constante (CH, CL) y otra variable (VH,
VL) que es la que se une al antígeno.
•
Los mamíferos sintetizan 106-108
tipos de anticuerpos, que surgen por
recombinación somática durante el
desarrollo de los linfocitos B.
Anticuerpos: recombinación de la cadena ligera
•
•
•
En las células germinales, los genes que determinan la cadena ligera están
formados por pequeños segmentos dispuestos en tandem. Existen tres tipos
de segmentos, que codifican las regiones variables (Vk), de unión (Jk) y
constante (Ck). Se necesita un segmento de cada tipo para sintetizar una
cadena ligera funcional.
Durante el desarrollo del linfocito B, la recombinación somática determina que
uno de los segmentos Vk se combine al azar con un segmento de la región Jx
y el segmento Ck
En el ratón: 350 x 4 x 1 =1400 cadenas ligeras posibles
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Anticuerpos: recombinación de la cadena pesada
•
•
•
•
Los genes que determinan la cadena pesada también están formados por
segmentos pertenecientes a la región variable (VH), unión (Jx) y constante
(CK). Poseen un región adicional (DK) que incrementa la diversidad.
Durante el desarrollo, los segmentos de cada región se unen al azar por
recombinación somática.
En ratón: 500 x 12 x 4 = 24000 cadenas pesadas posibles
En total: 1400 x 24000 = 33.600.000 moléculas posibles de anticuerpo.
Regulación genética del desarrollo: Drosophila
•
Las estructuras corporales son resultado del
establecimiento de gradientes moleculares a
lo largo de los ejes antero-posterior y dorsoventral en el huevo, que subsecuentemente
determinan la formación de compartimentos
en el embrión que, a su vez, determinan los
segmentos que forman el adulto.
•
Genes de efecto materno: determinan los
gradientes en el huevo.
Genes de segmentación: dividen el
embrión en parasegmentos (no coinciden
exactamente con los segmentos visibles en
el adulto).
Genes homeóticos: especifican la identidad
de cada segmento en el adulto.
•
•
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Regulación genética del desarrollo: Drosophila
Genes homeóticos
•
•
•
•
•
•
Especifican la identidad de cada segmento en el
adulto.
Complejo Antennapedia (ANT-C): formado por
5 genes que determinan la región anterior.
Complejo Bithorax (BX-C): formado por 3
genes que determinan la región posterior.
Todos estos genes comparten una secuencia
muy similar de 180 pb, llamada secuencia
homeobox. La región del polipéptido que
codifican se llama homeodominio, y es la que
se une al DNA de los genes que regulan.
La secuencia homeobox se ha encontrado en
muchos genes reguladores de Drosophila y otras
especies. Forman la familia homeobox o
Hox, compuesta por genes muy conservados en
la evolución.
Los genes homeóticos se encuentran en la
mayoría de los grupos animales.
Regulación genética del desarrollo: Drosophila
Mutantes homeóticos
Mutaciones Antennapedia
•
Mutaciones Bithorax
Las mutaciones en genes homeóticos pueden determinar que se formen
estructuras corporales distintas a las que se originarían normalmente. Muchas
veces son letales.
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