Regulación de la expresión de genes nucleares y de organelas

Regulación de la expresión de genes nucleares
y de organelas
Diego Gomez-Casati
Universidad Nacional de General San Martín (UNSAM)
Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos
CEFOBI-CONICET, Universidad Nacional de Rosario (UNR)
Biotecnología Vegetal 2010
Información genética en plantas está contenida en 3 compartimentos
•NUCLEO
•CLOROPLASTOS
•MITOCONDRIAS
Núcleo
•Contiene la mayor parte de la
información genética de la célula.
•Expresion génica y actividad
regulatoria
Nucleolo
•Organela en el interior del núcleo
•No está unido a membrana
•Contiene más de 100 polipéptidos y
ácidos nucléicos
•Responsable de la transcripción del
DNA ribosomal, procesamiento y
ensamblaje del rRNA
Núcleo
Formado por doble bicapa lipídica
Separa el material genético
nuclear del citoplasma
Controla el intercambio a través
de poros nucleares
Importantes para traslocación de
macromoléculas (RNA, proteínas
(req secuencia señal y ATP))
Complejo de ~ 120 proteínas
Simetría octogonal
Permite difusion libre de solutos
pequeños
Regulación de genomas en células vegetales
Información genética en plantas está contenida en 3 compartimentos
•NUCLEO
•CLOROPLASTOS
•MITOCONDRIAS
Plástidos
•Organelas encontradas en células vegetales
•Cloroplastos responsables de llevar a cabo
la fotosíntesis, almacenamiento de diversos
compuestos (almidón)
•Formados por una doble membrana y
membranas tilacoides
•Contiene la información genética necesaria
para sintetizar algunas de sus propias
proteínas
•Varían en forma, tamaño, localización
Esquema de la estructura
cloroplastos
Diversos tipos de plástidos
Todos derivados de proplástidos
•Cloroplastos (tej verdes, fotosíntesis)
•Etioplastos (estadío previo a
cloroplastos arrestado por ausencia de
luz)
•Amiloplastos (acumulac de almidón)
•Leucoplastos (plástidos sin color,
síntesis de terpenos)
•Cromoplastos (plástidos coloreados,
responsable del color de algunos frutos
(tomates, naranjas), flores, raíces
(zanahoria, papa) etc) derivan de
proplástidos o de cloroplastos (en
maduración de algunos frutos)
Acompañado de inducción masiva de
enzimas de vía de síntesis de carotenos
Organización del genoma
de plástidos en plantas
Actualmente se conocen aprox 15
genomas completos de plastidos
Ej Tabaco, maíz, arroz
100 – 200 copias
Codifica todos los rRNA de plástidos
Algunos tRNAs
Estructura molecular similar:
Región grande (copia simple)
Región pequeña (repetida)
Región pequeña (copia simple)
Regulación de genomas en células vegetales
Información genética en plantas está contenida en 3 compartimentos
•NUCLEO
•CLOROPLASTOS
•MITOCONDRIAS
Mitocondrias
Encontradas en todas las células eucariotas
Involucradas en la respiración celular,
generación ded ATP
Síntesis de aminoácidos y ácidos orgánicos,
ciclo de Krebs
Estructura: membrana externa, interna y
matriz mitocondrial
Organización del genoma mitocondrial
DNA 16.6 kb
13 OXPHOS genes
2 rRNAs
22 tRNAs
Estructura de mitocondrias
Membrana externa
Espacio intermemrana
Membrana interna
Matriz mitocondrial
Mitocondria
Organización de la cadena de transporte de electrones de mitocondria
de plantas
n=6-13
n=10
n=8
n=30
n=10
Orígen bacteriano de mitocondrias y cloroplastos
Transferencia de genes al genoma nuclear
Determinan muchos aspectos de la regulación génica en organelas
?
37 genes
?
Control transcripcional de genes nucleares
Mecanismos de control transcripcional de genes de organelas codificados en el
núcleo
Proteínas que participan en fotosintesis --- responden a estímulos (luz)
vía fitocromos u otros receptores
Proteínas mitocondriales (levaduras) --- responden a hemo y fuente de carbono
Manipulacion de la expresión de genes mitocondriales
+ fácil en levaduras -- Ej fuente de C fermentable – no fermentable
genes nucleares y mito respiratorios
Organización típica de genes de organelas
Unidades de transcripción policistrónicas (2 a varios genes)
Similares a operones bacterianos
Pueden tener + de 20 sitios de inicio de transcripción
Transcripción comienza aprox -11 (cons seq TATAAGTAA/TTA) x
RNA pol nuclear
mRNA de genes de fotosíntesis en raíces y otros tej fotosintéticos
sugieren regulación post-transcripcional
Organización típica de genes de organelas
Genes mito humanos, levaduras (genoma mitocondrial pequeños)
genes + empaquetados, transcriptos policistrómicos sin 5´ y 3´UTR
Genes de plantas (genoma mito + grandes) – regiones 5’ y 3’ UTR con IR
5’ UTR IR
target de prot nucleares que controlan
Expresion de RNA
Estabilidad de RNA
Ej proteína p40 (nuclear)
une a helice UUUAUA
X crosslink – dif proteínas u a 3’UTR
Cebada --- Se encontraron diferencias significativas en transcripción
de genes cloroplásticos (15 genes, aprox 50% del genoma)
velocidad de transcripcion (> 300 veces)
niveles de mRNA (> 900 veces)
Veloc y niveles variaron considerablemente luego de exposición a luz
Niveles de proteína no correlacionaron con niveles de mRNA
Ej: Plantas de tabaco transformadas con GUS-mRNA con seq 5’ psbA
mRNA inducido 4-veces x luz
Proteína inducida 30-veces
Transcripción del DNA
Síntesis de RNA usando DNA
templado ----- 1ra etapa de control
como
Diferencias entre eucariotas y procariotas
RNA pol I --- rRNA
RNApol II --- mRNA
RNApol III --- rRNA, tRNA, otros
Complejo multiproteico
Nec proteinas accesorias
RNApol bacterias, plastidos 4 subunidades
1 subunidad regulatoria
3 FI se han encontrado en cloroplastos de
algas
RNA polimerasas de plástidos
Plástidos contienen múltiples RNA pols
Similar a RNA pol de E. coli (subunidades codif en plástidos)
Genes contienen sec típicas -10 y -35
No se conoce en detalle las sec promotoras
ctp1
ctp2
RNA polimerasas de plástidos
Punto adicional de control de la expresión génica
Existencia de multiples promotores en genes cloroplásticos
Ej: transcripción del cluster atpB-atpE
5 sitios de iniciación de la transcripción (P1 a P5)
P1,2,4 y 5
10/-35, P3 desconocido
Control posttranscripcional de la expresión génica
•Procesamiento del RNA
•Splicing
•mRNA editing
•Estabilidad del mRNA
A nivel de proteína
•Traduccion
•Modificaciones posttraduccionales
•Proteólisis
Tipos/Funciones de RNAs
rRNA forma estructuras 3D complejados con proteínas (RIBOSOMAS)
tRNA actúan como adaptadores para traducir los codones de mRNA
mRNA codif secuencia para síntesis de proteínas celulares
snRNAs (small nuclear RNAs) U1, U2, etc Localizados en nucleoplasma
actuarían en pre-mRNA splicing
snoRNAs (small nucleolar RNAs) Localiz en nucleolos, actuarían en prerRNA splicing
Otros
procesamiento de pre-tRNA
micro RNA
Estructura de un RNAm típico codif en núcleo
m7G
Estructura de un RNAm típico codif en cloroplastos
Ej NOS
P
P
Importancia de la acción de factores nucleares estabilizadores
Ej
---- supresión de 329 nt del 5’UTR (612 nt) de cox3
pérdida de competencia respiratoria (levaduras)
---- Productos de 3 genes nucleares son necesarios para la expresión de mRNA de
cox2 (PET111 interactua con 5’UTR)
---- 3 genes nucleares (AEP1, AEP2, NCA1) necesarios para expresion de atp9
(maduracion y estabilización de atp9 mRNA)
---- Otros genes nucleares estabilizan mRNAs cloroplasticos
psbC mRNA (codif para CP43 PSII) estabilizado por prot F34, F64 (u 5’UTR)
MTERF3
Codificada en núcleo
Regula negativamente transcripción
de DNA mitocnodrial
Se une a sec reguladoras en mtDNA
HSP1 (16s rRNA)
HSP2 (policistronic RNA, 2rRNAs, 14 tRNAs
y 12 mRNAs)
Mecanismo no definido
Mutante homozigota – letalidad embriónica
Taylor et al, (2007) Cell
Procesamiento del RNA (splicing)
de mRNA nuclear
Procesamiento del RNA (splicing)
de mRNA de organelas
RNA editing
Mecanismo que altera la secuencia de algunos mRNAs
Descubierto primero en mitocondria de trypanosomas
RNA editing en mitocondria y cloroplastos de plantas superiores
2 Mecanismos de RNA editing
•Inserción/deleción
•Conversión
(mitocondria trypanosoma) inserción/del de U
(mito, chlor plantas; núcleo mamíf) C—U; U—C ; otros
Diferentes tipos de RNA editing
RNA editing
RNA editing
ATP9 mitocondrial
Comunicación entre organelas y núcleo
X
?
X
?
T electr
Mito
cloropastos
G-Box