Presentación de PowerPoint - Genética y Biología Molecular

FACULTAD DE QUÍMICA
U.N.A.M.
Curso Genética y Biología Molecular (1630)
Licenciatura
Químico Farmacéutico Biológico
Regulación genética en eucariontes
LIBB. Valeria López Salazar
Departamento de Fisiología de la Nutrición
Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición Salvador
Zubirán
[email protected]
Regulación genética en
eucariontes
Objetivo general
El alumno identificará los
diferentes mecanismos que
operan en la regulación de la
expresión genética en eucariontes
Objetivos particulares
VIII. Regulación
de la expresión
genética
2. Regulación
genética en
eucariontes
El alumno...
Conocimiento Comprensión Aplicación
2.1. Conocerá el papel de la cromatina
y de los nucleosomas en la regulación
genética.
X
2.2. Conocerá las características de los
factores de transcripción y su papel en
la regulación de la expresión genética.
X
2.3. Conocerá el papel de las hormonas
esteroides en la regulación de la
expresión genética.
X
2.4. Conocerá la importancia del control
post-transcripcional de la expresión
genética (microRNAs).
X
Regulación genética
en eucariontes
“Garantizar que el gen
correcto se active en la
célula correcta en el
momento correcto”
Los mecanismos de
regulación génica son los
encargados de la
diferenciación celular
Desarrollo de meloncitos en relación con tejido nervioso
Development 2012 139: 397-410; doi: 10.1242/dev.065581
Puntos de regulación de la expresión genética
en eucariontes
1. Remodelación de la cromatina
2. Transcripción
3. Procesamiento de RNA
4. Estabilidad del mRNA
5. Traducción
6. Modificaciones post-traduccionales
Reclutamiento de la maquinaria de
transcripción en eucariontes
•
•
•
•
Remodeladores de la
cromatina
Modificadores de
nucleosomas
Factores de
transcripción basales
Proteínas que
estimulan el inicio y la
elongación
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Alteraciones en la estructura de la cromatina
inducidas por los activadores
Desacetilasas de
histonas
(HDACs)
Complejos
remodeladores de
cromatina(SWI/SNF)
Acetilasas de histonas (HATs)
La expresión genética
en eucariontes
requiere de cambios
en el estado de
condensación de la
cromatina
Watson et al., (2014) Molecular Biology of te Gene, 7th edición.
Código epigenético
Se llama la regulación epigenética a
la herencia de los patrones de
expresión génica en ausencia de una
señal de iniciación.
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Silenciamiento transcripcional: formación de
heterocromatina
Tinción de DAPI que muestra las regiones de
heterocromatina en el genoma de Arabidopsis
El silenciamiento es un efecto de
posición. Un gen es silenciado por el lugar
donde se encuentra, no en respuesta a Watson et al., (2014) Molecular Biología of te Gene, 7th edición.
una señal ambiental.
Silenciamiento de un gen por
metilación del DNA
Estado no modificado de un gen
MeCP2
5-metilcitosina
En ocasiones un gen debe estar
completamente apagado, algunas
veces de forma permanente. Esto
se logra a través de la metilación
del DNA y modificación de los
nucleosomas locales.
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los patrones de la metilación del DNA se
mantienen a través de la división celular
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Reclutamiento de la maquinaria de
transcripción en eucariontes
•
•
•
•
Remodeladores de la
cromatina
Modificadores de
nucleosomas
Factores de
transcripción basales
Proteínas que
estimulan el inicio y la
elongación
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Regulación de la expresión
genética a nivel
TRANSCRIPCIONAL
Activadores
Represores
Factores de
transcripción basal
Coactivadores
Regulación de la expresión genética a nivel
TRANSCRIPCIONAL
Promotor Basal: secuencia de nucleótidos necesaria para la fijación de la
RNA polimerasa.
Secuencias reguladoras:
A) Intensificadoras (enhancers): secuencias que estimulan la transcripción
y cuya localización puede ser a miles de nts de distancia "río arriba o abajo"
del promotor
B) Silenciadoras (silencers): secuencias que inhiben la transcripción.
También pueden hallarse muy distantes del promotor.
Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con
el sitio promotor. Son esenciales para la transcripción pero no la pueden
aumentar o disminuir.
Factores específicos de la transcripción: complejo de proteínas
reguladoras que pueden ser activadoras o represoras.
A) Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias
intensificadoras del gen (enhancers).
B) Proteínas represoras: interaccionan con las secuencias silenciadoras
del gen (silencers).
Regulación de la expresión genética
de la levadura al humano
En los organismos multicelulares hay más secuencias reguladoras en
un gen típico que reflejan la amplia integración de señales necesarias
para regular un gen determinado.
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores son proteínas de
unión a DNA
El dominio de unión a DNA
y el dominio activador están
separados o en polipéptidos
diferentes
El dominio activador es clasificado
por su contenido de aminoácidos, ya
que mantiene una función adhesiva
entre proteína - proteína
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores tienen dominios
de activación y de unión a DNA
separables
Experimento de cambio de dominio
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Interacción de los dominios de unión a DNA
con secuencias de DNA específicas
La hélice de reconocimiento hace
contacto con el surco mayor del
DNA y reconoce pares de bases
específicas. La otra hélice hace
contacto con el esqueleto del
DNA posicionando la hélice de
reconocimiento adecuadamente
y aumentando la fuerza de
unión.
Homeo-dominio
Dedos de Zinc
Los dominios de unión a DNA en eucarionte
son en su mayoría heterodímeros
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Interacción de los dominios de unión a DNA
con secuencias de DNA específicas
Zipper de leucina
Hélice-vuelta-hélice
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los aisladores bloquean la activación
inespecífica de los promotores
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores se unen de manera sinérgica
y cooperativa para inducir la transcripción
Unión cooperativa a través de
la interacción directa
Efecto indirecto en el que la unión de una
proteína en el DNA dentro de nucleosomas
ayuda a la unión de una segunda proteína.
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores se unen de manera
combinatoria para inducir la transcripción
Cada gen tiene una combinación particular de intensificadores y silenciadores.
Genes distintos pueden compartir secuencias idénticas de intensificadores y
silenciadores, pero no existen dos genes que posean la misma combinación de estas
secuencias reguladoras.
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los represores de eucariontes trabajan de
distintas maneras
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
El represor Mig1 está involucrado en el control
de los genes GAL de la levadura S. cerevisiae
Reclutamiento de la maquinaria de
transcripción en eucariontes
•
•
•
•
Remodeladores de la
cromatina
Modificadores de
nucleosomas
Factores de
transcripción basales
Proteínas que
estimulan el inicio y la
elongación
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Proteínas que promueven el inicio o
elongación de la transcripción
TFIIH
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Regulación por hormonas
Los seres vivos coordinan
la regulación de la
expresión genética a
través de sistemas de
señalización complejos.
Las hormonas son
mensajeros químicos que
median las señales
intercelulares.
Tipos de
hormonas
Componentes
Hormonas
peptídicas
Cadenas cortas
de amino
ácidos.
Hormas
proteicas
Cadenas largas
de amino
ácidos.
Hormonas
esteroideas
Derivadas del
colesterol.
Regulación por hormonas
esteroideas
Las hormonas esteroides son moléculas pequeñas derivados de
colesterol solubles en lípidos. Debido a su naturaleza lipídica, tienen
poco o ningún problema para pasar a través de las membranas
celulares.
• Receptores a estrógenos,
progesterona, testosterona
• Receptores a glucocorticoides
(cortisona, hidrocortisona,
dexametasona)
• Receptores a ácido retinoico, y
Vitamina D
Regulación de la expresión génica por
hormonas esteroideas
La hormona interactúa con un receptor dentro de su célula blanco. En
este ejemplo, el receptor se encuentra en el citoplasma (receptor
nuclear tipo I), otros receptores de hormonas esteroides se encuentran
en el núcleo (receptor nuclear tipo II).
1. Las hormonas esteroideas entran a la
célula blanco y se unen con un
receptor, el complejo del receptor de
esteroides/hormona se mueve hacia el
núcleo.
2. El complejo hormona/receptor de
esteroides se une al elemento de
respuesta a hormona en el DNA.
3. La unión del complejo estimula la
transcripción.
4. El mRNA transcrito es procesado y
transportado al citoplasma.
5. El mRNA es traducido a proteínas.
Principles of Genetics 6th Edition, D. Peter Snustad Michael J. Simmons 2012
Receptor a Glucocorticoides (GR)
Receptor a Glucocorticoides (GR)
El ligando que estimula
(cortisol) es liposoluble
y entra a la célula.
El GR se encuentra en
complejo inactivo con
Hsp y es liberado por el
ligando.
Entra a núcleo donde
se dimeriza y actúa
sobre sus elementos de
respuesta estimulando
la transcripción de
genes específicos.
Regulación por hormonas
peptídicas
Las hormonas peptídicas y las hormonas proteicas son péptidos o
proteínas que tienen un efecto sobre el sistema endocrino de los animales.
Las hormonas peptídicas son solubles en agua y actúan en la superficie de
las células diana a través de segundos mensajeros, para transmitir el
mensaje a través de las membranas plasmáticas de las células blanco
para regular la expresión de genes en el núcleo.
Regulación de la expresión génica por
hormonas peptídicas
1. La hormona (una señal extracelular)
se unen a un receptor en la
membrana de la célula blanco.
2. El complejo hormona/receptor
activa una proteína citoplasmática.
3. La proteína citoplasmática activada
desencadena una cascada de
cambios que transmiten la señal en
el núcleo.
4. La señal induce que un factor de
transcripción se una al DNA.
5. El factor de transcripción unido al
DNA estimula la transcripción de
genes particulares.
6. El mRNA transcrito es procesado y
transportado al citoplasma.
7. El mRNA es traducido a proteínas.
Principles of Genetics 6th Edition, D. Peter Snustad Michael J. Simmons 2012
Regulación de la expresión génica por
hormonas peptídicas
Regulación de la expresión por RNAs
El RNA no es sólo funcional como un mensajero entre el DNA y las
proteínas, también participa en la regulación de la expresión génica.
Regulación por siRNAs
• Presencia de RNA de doble cadena
(por virus, RNA anti- sentido, etc.)
• Se generan siRNAs de 21 nt por
corte con DICER
• Se forma RISC cargado con siRNA
y varias proteínas incluyendo
ARGONAUTA
• RISC dirige el siRNA a su mRNA
blanco con el cual forma
complementariedad PERFECTA y
promueve el corte y degradación
de este mRNA
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Regulación por miRNAs
• Los miRNAs se transcriben por
la RNA polimerasa II como
transcritos primarios y son
procesados por DROSHA en el
núcleo
• Luego son exportados al
citoplasma y son cortados por
DICER a tamaño de 21 nt
• Los miRNAs son tomados por
RISC con ARGONAUTA y son
dirigidos a sus mRNA blanco
con los cuales muestran
complementariedad
IMPERFECTA generalmente en
sus regiones 3’UTR
• RISC cargado con miRNAs
dirige la inhibición traduccional
de los mRNAs blanco
Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Resumen
Control transcripcional
• Factores de transcripción
• Grado de condensación de la
cromatina
• Grado de metilación del ADN
Control post-transcripcional
Splicing alternativo
Capping
Poliadenilación
Control transporte del mRNA
Mecanismos que determinan si el
mRNA maduro sale o no a citosol
Control traduccional
Mecanismos que determinan si el
mRNA presente en el citosol es o no
traducido
Control de la degradación del mRNA
Mecanismos que determinan la
supervivencia del mRNA en el citosol
Control de la actividad proteica
Mecanismos que determinan la
activación o desactivación de una
proteína, así como el tiempo de
supervivencia de la misma