operón lac - Genética y Biología Molecular

Universidad Nacional
Autónoma de México
Facultad de Química
Curso Genética y Biología Molecular (1630)
Licenciatura
Químico Farmacéutico Biológico
Dra. Herminia Loza Tavera
Profesora Titular de Carrera
Departamento de Bioquímica
Lab 105, Edif E
5622-5280
[email protected]
VIII. REGULACIÓN DE LA
EXPRESIÓN GENÉTICA
• Objetivo general
– El alumno identificará los diferentes mecanismos que
operan en la regulación de la expresión genética en
procariontes y eucariontes
Objetivos particulares
El alumno...
1. Regulación
genética en
procariontes
2. Regulación
genética en
eucariontes
Conoci- Compren- Aplicamiento
sión
ción
1.1. Conocerá los distintos niveles de regulación genética.
X
1.2. Identificará las diferencias entre regulación positiva y
negativa.
1.3. Comprenderá el concepto de inducción y represión.
1.4. Conocerá el concepto de operón, genes reguladores,
genes estructurales, promotor, reguladores en cis y trans.
1.5. Comprenderá el funcionamiento del operón lac.
X
1.6. Comprenderá el modelo de represión catabólica: AMPc y
CAP.
1.7. Conocerá los sistemas de regulación por atenuación:
operón del triptófano.
2.1. Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas
en la regulación genética.
2.2. Conocerá las características de los factores de
transcripción y su papel en la regulación de la expresión
genética.
2.3. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la
regulación de la expresión genética.
2.4. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de
la expresión genética (microRNAs).
X
X
X
X
X
X
X
X
X
REGULACIÓN DE LA
EXPRESIÓN GENÉTICA
EN PROCARIOTES
La regulación de la expresión de los genes se establece de
la necesidad de controlar la actividad de las enzimas o de
las proteínas en general, en momentos precisos de la vida
de la célula
ALOSTERISMO
REGULACIÓN
DE LA
ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
CELULAR
POSITIVO O NEGATIVO
POR PRODUCTO,
RETROALIMENTACIÓN
REGULACIÓN COVALENTE
a) MODIFICACIONES POSTTRADUCCIONALES
b) ZIMÓGENOS
ISOENZIMAS
SÍNTESIS
CANTIDAD DE
ENZIMA
DEGRADACIÓN
Regulación a nivel de:
• Transcripción
• Traducción
DNA
Transcripción
mRNA
Traducción
PROTEINA
Los genes se expresan con diferente
eficiencia
Aumenta el
número de
transcritos
Resultando
en un
aumento
en la
cantidad
de proteína
Regulación transcripcional
Los genes se expresan con diferente
eficiencia
A
Regulación traduccional
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
POR LO TANTO, PARA QUE HAYA REGULACIÓN
DE LOS GENES TIENE QUE HABER REGULACIÓN
POSITIVA Y NEGATIVA
GENE CON
GENE CON
Regulación positiva (+)
Regulación negativa (-)
El gene “se enciende”
El gene “se apaga”
(se transcribe o se
transcribe más)
(no se transcribe o se
transcribe menos)
Regulación en bacteria
P: promotor de los genes estructurales E1 ... E4
R: gen regulador (codifica una proteína represora
que regula la transcripción de los genes
estructurales)
O: operador (secuencia reconocida por la proteína
represora que impide la transcripción)
Un operón es un conjunto de genes, localizados
contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas
señales de encendido o apagado.
El modelo del Operon LAC
F. Jacob
J. Monod
A. Lwoff
Expresión inducible
El Operon
lac funciona para la utilización de lactosa
como fuente de carbono
Genes estructurales
Gen regulador
La -galactosidasa hidroliza a la lactosa para
generar glucosa y galactosa
También convierte
parte de la lactosa
en alolactosa
La galactosidasa
se encuentra
en niveles
muy bajos si
no hay lactosa
en el medio.
Su producción
se induce
cuando se
agrega lactosa
al medio y se
elimina la
glucosa de
éste.
Los operones están formados por genes
estructurales y una región de control
Galactosidasa
Permeasa
Transacetilasa
El Operon lac funciona para la utilización de lactosa
como fuente de carbono
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los genes
z, y, a
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los genes
z, y, a
Galactosidasa
El inductor se une al
represor y entonces éste
ya no se une al DNA
Permeasa
Transacetilasa
Normalmente, hay una expresión baja del operón lac
lo que permite que haya un poco de galactosidasa
en la célula
La lactosa es convertida a alolactosa
por la galactosidasa. La alolactosa
es el inductor.
Aún en ausencia del represor, el promotor del
operón lac no es muy fuerte por lo que requiere
la actividad de otra proteína: CRP o CAP.
Activador CRP. cAMP receptor protein
También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein.
CRP une cAMP
Si los niveles de glucosa son
altos, hay poco cAMP.
Si los niveles de glucosa son
bajos, hay mucho cAMP.
Cuando los niveles de cAMP se
incrementan, éste se une a la CRP
El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa
y causa un giro en el DNA que facilita la unión de la RNA
polimerasa al promotor, activándolo.
El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de
lactosa facilitando la unión de la RNA polimerasa al
promotor e incrementando 50 veces la transcripción
¿Cómo se regula el operón lac cuando hay
glucosa en el medio?
+ glucosa
– lactosa
Represor
Regulación
negativa
RNA polimerasa
No se transcribe
Regulación del operón de lactosa.
Regulación Negativa. Represor
Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo
y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay
galactosidasa
¿Qué le pasa al operón lac en
presencia de lactosa aún cuando
exista glucosa?
inductor (lactosa)
+ glucosa
+ lactosa
RNA polimerasa
Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo
que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción
basal).
La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar
Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos.
La síntesis del mRNA lac es pobre.
¿Qué pasa al operón lac cuando hay
lactosa en el medio y no hay glucosa?
- glucosa
+ lactosa
Activador
La transcripción es alta
Regulación positiva
Regulación positiva.
Inducción.
Cuando hay lactosa y la glucosa es baja, los niveles de cAMP
son altos. El cAMP se une con la CRP que activa a la RNApol
para transcribir al operón lac. Por lo tanto, se sintetiza mucho
mRNA lac.
En ausencia de lactosa
Aunque el activador esté presente....
RNA polimerasa
¡No hay transcripción!
- glucosa
- lactosa
Modelo de la regulación negativa
Modelo de la regulación positiva
+ lactosa
[glucosa]
[AMPc]
Represión por catabolito del operón lac
(Elección del mejor azúcar a metabolizar)
CAP= Catabolite activator protein
Activación del operón lac
El operador actúa en cis y regula a los genes que
están ligados al lado de éste
El gen I actúa en trans
La proteína codificada por el gen I actúa reconociendo
al operador, por lo que el gen I no necesita estar al
lado de un operador para regularlo.
Secuencia del operador lac al que se une el
represor I
Sitio del promotor lac al que se une CAP
El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es decir
aquel en el cual la presencia de una sustancia específica (en
este caso la lactosa) induce la transcripción de los genes
estructurales.
El operón lac también se encuentra bajo control positivo.
Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza este
monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono
disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el
medio, mayor es la concentración de AMPc, el cual tiene
influencia en la activación del operón lac.
El AMPc actúa uniéndose a una proteína fijadora de AMPc
denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando
la concentración de este complejo es alta (poca glucosa), el
CAP-AMPc se fija a un sitio específico del promotor lac,
aumentando la afinidad de la región promotora para la RNA
polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón.
Para que se exprese el operón lac deben darse dos
condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y
que la concentración intracelular de glucosa sea baja.
El Operón Trp
– Triptofano
De manera normal, E. coli está expresando su operón
Trp. En este caso el represon codificado por el gen
regulador, es inactivo.
¿Qué ocurre cuando hay triptofano
en el medio?
Complejo Represor-Corepresor
+ Triptofano
El triptofano (corepresor) se une al represor, activándolo. Éste
ahora se puede unir al operador impidiendo la transcripción del
operón trp.
Regulación negativa
Operón de triptofano
Este operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la
biosíntesis de triptofano. Bajo control del promotor (Ptrp) y del
operador (Otrp)
El represor se une a triptofano y este complejo se une al operador
reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.
Comparación entre Operón Lac y Operón Trp
OPERÓN Lac
OPERÓN Trp
Operón inducible, se expresa en
presencia de lactosa.
Operón reprimible, se expresa
en ausencia de triptófano.
La lactosa es el inductor
El triptófano es el co-represor
El represor se sintetiza en forma
activa. Actúa solo.
El represor se sintetiza en forma
inactiva. Actúa en presencia del
co-represor.
Sus enzimas participan en un vía
catabólica
Sus enzimas participan en una
vía anabólica
Regulación de la expresión
genética a nivel traduccional)
Atenuación del operón Trp
Mecanismo de atenuación
Se basa en la existencia de secuencias invertidas repetidas en
el mRNA capaces de formar tallos-asa que pueden pausar la
traducción.
+ triptofano
tRNA-Trp
El ribosoma NO se detiene
En presencia de trp
hay mucho tRNAtrp
por lo que la
traducción es
rápida, esto hace
que se forme un
pasador en la región
3-4 que bloquea la
transcripción.
Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón
Mecanismo de atenuación
– triptofano
tRNA-Trp
El ribosoma SE DETIENE
En ausencia de trp
hay poco tRNAtrp
por lo que la
traducción es
lenta, esto hace que
se forme un pasador
en la región 1-2 que
permite que la
transcripción del
resto del operón
continúe.
Ocurre la transcripción y traducción del resto del operón
En el operón de triptofano hay una región atenuadora
en la que dos codones para Trp se encuentran muy
juntos
Cuando los niveles de Trp son altos, el ribosoma traduce rápidamente el
mRNA incluyendo los dos codones de Trp. Esto favorece la formación de
un tallo-asa que provoca la terminación de la transcripción.
Cuando los niveles de Trp son bajos, el ribosoma se detiene en los
codones de Trp, por lo que no se forma el tallo-asa y la transcripción
continua.
Regulación por posición del gen en el
operón
Traducción mas eficiente
Regulación por Shine-Dalgarno
Traducción
mas eficiente
Traducción
menos eficiente
Traducción menos eficiente