Biología 2016

Expresión génica

Dra. Mariana Lagadari

De gen a proteína

La información contenida en un gen

es copiada o transcripta a ARN

1) Transcripción: ADN → ARNm2) Traducción: ARNm → Secuencia de aminoácido. Procesamiento de Proteínas: Formación de estructuras

La información codificada en los genes es expresada en 2 fases:

Transcripción donde una ARN polimerasa polimeriza una molécula de ARNm cuya secuencia nucleotídica es complementaria a la secuencia génica / de ADN.

Traducción donde un ribosoma ensambla el polipéptido cuya secuencia de aminoácidos viene especificada en la secuencia nucleotídica del ARNm

La esencia de la herencia es la capacidad de las células para utilizar la información en su ADN para producir proteínas particulares,

afectando de esta manera como lucirán las células.

En este sentido, las proteínas son las herramientas de la

herencia

peces mamíferos

Vertebrados

Amigable no tanto

Homo sapiens

Piel negra Piel blanca

Todo esto reside en el material genético….

EL ADN

Si bien todas las características están contenidas en la molécula de ADN pero hay diferencias entre los seres

vivos que nada tienen que ver con el ADN

Todas las características están contenidas en el ADN, pero hay diferencias entre los seres vivos que tienen que ver con el AMBIENTE

FENOTIPO = Genotipo + ambienteAspecto

MorfologíaFisiologiacomportamiento

ADN Eso mismo

Situaciones donde predomina lo genético y en otras en que predomina el ambiente

ADN divido en segmento: genes

Producto final

Las células usan ARN para construir sus proteínas

Las proteínas se producen en el citoplasma, particularmente en los ribosomas. ARN ribosomal→ proteínas + ARN (ARNr)

Hay otros 3 tipos de ARN: ARNm→ ARN Mensajero largas moléculas de ARN simple cadena que se transcriben del ADN y viajan a los ribosomas. Dirije que aa es ensamblado en la proteína a sintetizarse.ARNt →ARN de Transferencia transportan a los aminoácidos al ribosoma y lo ubican en la posición correcta en el polipéptido en formación. Humanos poseen aprox 45 ARNt diferentes.

Entonces …

estas moléculas de ARN, junto con otras proteínas y enzimas, constituyen un

sistema que leen el mensaje genético codificado por la secuencia nucleotídica y asi producen las proteínas que esas

secuencias especifican.

Transcripción

Información de ADN al ARN

La secuencia de ADN se transcribe a una secuencia de

ARN

Se produce un ARNm copia del gen

ARN mensajero

Transcripción

Es el primer paso de la biogénesis del ARNCatalizada por la ARN polimerasaLa síntesis ARNm esta dirigida por secuencias

especiales al comienzo de cada gen Promotores

Sitio de unión o pegado de la ARN

pol

• No requiere primer, • Extiende en dirección 5´-3´• No tiene actividad proofreading• Eucas: no reconoce

directamente el promotor La ARN pol se mueve a lo largo de la

cadena A medida que encuentra cada nucleótido de ADN, agrega el

correspondiente de ARN.

ARN polimerasa

Estructura gen procariota

La ARN pol proca es una gran enzima formada por múltiples subunidades.

La transcripción se inicia en el nucleótido +1

Estructura gen eucariota

La mayor parte del ADN esta formado por secuencias no codificantes interrumpidas por fragmentos cortos de ADN codificante: Intrones y Exones

+1

Rio arriba se encontrara la

región promotora

Estas secuencias posibilitan y controlan procesos relativos a la transcripción génica.

Ejemplo: promotor, sitio de clivaje, sitios de unión.

secuencias de ADN que generalmente se las conoce como

secuencias consenso

Todo gen esta acompañado por regiones regulatorias

Presentas regiones conservadas:En eucariotas TATA box, secuencia a -25

En procariotas Secuencia -35: TTGACA Secuencia -10: TATAAT similar Tata box

Promotor Región del ADN que controla la

transcripción de un gen.

Secuencias cortas que no se transcriben que unen a la ARN pol. y antecede al primer par de bases que se transcriben a ARN

Donde inicia el ARNm? Cual cadena se copia? Donde termina el ARNm?

Secuencia promotoraDirección del promotorSeñal de terminación

Señal STOP

Estructura gen eucariota

Maquinaria basal reconocimiento del promotor e inicio de la transcripción•ARN polimerasa (en euca hay varios tipos)•Factores basales de la transcripcion TFII (euca) •Factores adicionales: factores de reconocimiento del

promotorEucariotas Complejo basal de la transcripción

Procariotas: Factor σ media reconocimiento al promotor

Maquinaria transcripcionalComponentes

Factores de Transcripción

Se unen a diversos tipos de secuencias localizadas antes de la TATA box.Son requeridos para iniciar la transcripción de un gen Algunos sirven de anclado para la ARN pol. Algunos actuan como proteinas que activan el proceso de transcripción.Otros actúan como proteínas represoras, que frenan la transcripción

Los factores basales de la transcripción forman un complejo sobre el ADN en el lugar del promotor

Los factores basales median la interacción de la

ARN pol formando el aparato basal

de la transcripción

Enhancer secuencias aumentadoras que actúan como lugar de unión de proteínas regulatorias (Factores de Transcripción) que regulan la transcripción.

Acercamiento del enhancer al aparato

basal

Enhancer: secuencias aumentadoras que actúan como lugar de unión de Factores de Transcripción que son proteínas que regulan la transcripción.

Comienza la transcripción

ActivadoresRepresores

Factores basales

Co activadores

Maquinaria regulatoria: control de la velocidad de transcripción.

Involucra:• Factores regulatorios de la Transcripción:

Activadores o represores (se unen a Enhancers)

• Co-activadoresCo-activadores o co-represores

Un promotor con sus enhancers puede

determinar especificidad de tejido de la expresión

de los genes

Genes “prendidos” y “apagados”

Transcripción 3 pasos

IniciaciónElongación

Terminación

Iniciación

La unión de la ARN pol al promotor es el primer pasoEucas complejo transcripcional reconoce a TATA boxBacterias subunidad σ reconoce secuencia -10.

Una vez que la ARN Pol se pego comienza la apertura de la doble hélice de ADN.

Elongación

La transcripción de ARN siempre comienza en ATP o GTP

Burbuja de transcripciónHay una hibridación temporal ADN-ARN, a medida que se

agregan nucleótidos, se extiende el ARN hacia afuera de

la burbuja.

Terminación

Al final del gen se encuentra secuencia STOP : la ARN pol se disocia del ADN, se disocia el hibrido en la burbuja y este se cierra nuevamente.

Terminación: secuencia STOP

Están comprendidos en regiones con series GC seguido de series AT

Se forma un GC Hairpin seguido de 4 o más U

Esta estructura provoca que la ARN pol entre en “pausa”La unión U-A es la mas lábil y no aguanta la pausa por mucho tiempo.Hay otros factores que intervienen en esta terminación.

En los eucariotas los ARNm deben viajar fuera del núcleo hacia el citoplasma

donde serán traducidos

ARNm sufre modificaciones postranscripcionales

que lo protegen de ser degradado

5´CAP 7-metil-guanosina

Se agrega luego de transcriptos aprox. 30 nucleótidos.

Una unión 5´-5´ en la A o G de codón iniciación.

Esta estructura protege de la acción de nucleasas o fosfatasas.

Favorece el encuentro del ARNm con el ribosoma.

3´Cola de Poli A

El extremo 3´contiene comúnmente AAUAAA.Una polimerasa poliA agrega A (aprox. 250) a este extremo del transcripto.

Brinda protección de las nucleasas y estabilidad al mensajero.

Capping Clivaje y PoliAdenilacion

Modificaciones post-transcripcionales

EucariotasSalida del ARNm hacia el citoplasma

Producto de la Transcripción eucariota:ARN inmaduro o pre-ARN m (transcripto primario)Estos pre-ARNm son procesados en el núcleo para dar ARNm que serán transportados al citoplasma donde participaran de la síntesis proteica.

Este producto primario contiene exones e intrones.

pre-ARN

En eucariotas: no hay apareamiento perfecto entre el ARN maduro y el gen del cual fue trascripto.

Proceso de maduracion del pre-ARNm

Sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y se unen los

exones entre si formando el ARNm maduro

Splicing

SPLICING o “Corte y Empalme”

El pre-ARNm es sometido a un proceso de maduración en el cual

las secuencias intrónicas son eliminadas produciendo una

molécula de ARNm madura que codificara directamente una

proteína.

“Espliceosoma”: maquinaria del splicing.Formado por proteínas y ARN: ribonucleoproteínas pequeñas

SnRNP

Reconocen secuencias consenso en los

intrones necesarias para su eliminación.

Cada gen es copiado a ARN y este codifica para una proteína

Un gen muchas proteínas

Proceso que lo permite: Splicing alternativo

Splicing puedo ocurrir incluyendo o excluyendo exones

Hasta los ´80

Un gen una proteína

Mediados de los ‘80

Número de genes similar

Lo que ocurre es que nuestras genes pueden generar muchas mas proteínas que los del

gusano

Splicing alternativo Causa de gran complejidad de los vertebrados

Mosca de la fruta (Dosophila melanogaster)1 gen→ 38.000 proteínas

mayor al núm. de genes diferentes que tiene célula de la mosca!!!diferenciación celular!

Splicing alternativo: Fenómeno propio de eucariotas superiores

•Un gen y un único transcripto primario pueden dar varios tipos de ARNm y así varias proteínas diferentes

•Mecanismo de control de la expresión génica

Exones constitutivosExones facultativos

poseen secuencia de unión a proteínas reguladoras del splicing

Nuestros genes pueden generar muchas variantes de proteínas.

Velocidad determinada por la estructura que adopta gen en el ADN, es decir del estado de la cromatina

Relajada enzima copia rápido

Compacta enzima copia lento

Exiten ARN que no son codificantes sino que su función es ser parte del proceso de traducción: ARN ribosómico y ARN de

transferencia

Traducción

TraducciónTraducción

Intervienen Los ribosomas y ARN transferencia

nexo entre los aa y el ARN m

Traducción síntesis de proteínas

Los acontecimientos de la síntesis proteica están catalizados sobre

RIBOSOMAS

Complejo de moléculas de ARN y proteínas. Tienen 2 subunidades:

E: exitP: peptidylA: aminoacyl

Procariotasmas pequeñosMenos densos

Libres en citoplasmaContienen sitio A y P

mas grandesMas densos

Libres en citoplasma o Asociados a RE

Contiene sitio A, P y E

Eucariotas

Existen ribosomas libres que fabrican proteínas solubles con destino citoplasmático. Existen ribosomas unidos a membrana que fabrican las proteínas destinadas a membrana o de secreción.

Y también existen POLIRRIBOSOMAS que son capaces de traducir un mismo mensajero simultáneamente

Aminoacil-ARNt sintetasa

acopla a cada aminoacido a su ARNt apropiado.

Existe una enzima diferente para cada

aa.

Los ARNt son otros de los protagonistas de la traducción de proteínas

El aa se une aquí

Estructura 2riaForma de trébol.

Sitio aceptor

Existen 45 ARNt y no 64 Código genético es degenerado

Algunas moléculas de ARNt exigen solo un apareamiento de las 2 primeras bases del codón. Efecto Wobble

1 ARNt reconoce mas de 1 codón

Cada ARNt está codificado en el ADN y hay uno para cada tipo de aminoácido, y la aminoacil sintetasa lo reconoce por esta estructura tridimensional en forma de L.

La estructura tridimensional también le sirve para poder asociarse a los ribosomas en el proceso de la traducción de proteínas.

La traducción comienza cuando la molécula de ARNm maduro se une al ARNr de un ribosoma

Se dispone de manera tal que solo un codón es expuesto para que sea reconocido por ARNt correspondiente.

Esta ARNt contiene los 3 aa complemetarios: Anticodón

Síntesis proteica IniciaciónElongaciónTerminación

Síntesis proteicaIniciación La subunidad ribosómica pequeña reconoce primero el CAP del ARNm.

Luego se desplaza a lo largo del ARNm hasta el primer AUG codón inicial.

El ARNt iniciador entrante se une al codón AUG → Met es el primer aminoácido (Proca: Nformil-Met)

El correcto posicionamiento del ARNm es critico para determinar el marco de lectura

Iniciación

MET

Factores de iniciación posicionan al ARNm en el ribosomaguían al anticodón (ARNt) hacia su codón.

Esto ocurre en el sitio P del ribosoma

(P= peptidyl)

Los factores de iniciación se liberan y se asocia la

subunidad mayor.

Se desplaza la subunidad menor del ribosoma a lo largo del ARNm. Un segundo ARNt se ubica en la región A (aminoacyl)

La molécula de ARNt con el anticodón complementario al codón expuesto se une al codón en el ARNm

ARNt lleva un solo tipo de aa, este y no otro será incorporado al extremo de cadena polipeptídica creciente.

Elongación

Se desplaza la subunidad menor del ribosoma a lo

largo del ARNm. Un segundo ARNt se ubica en la región A

(aminoacyl)

Los 2 aa se unen a través de un enlace peptidico-Peptidil-

Transferasa- y el ARNt de met se libera pasando por el

sitio E (exit).El 2do ARNt ahora se ubica en el sitio P

A medida que el ribosoma se transloca (direccion 5´-3´) sobre la molécula de ARNm, se exponen sucesivos codones y las moléculas de ARNt se unen unas tras otras.

La translocación es guiada por factores de elongación. Así se relocaliza al polipéptido creciente en el sitio P y se expone el nuevo codón.

El proceso se repite con la entrada de un nuevo ARNt

Elongación

Se expone un nuevo codón

TerminaciónLa elongación se detiene cuando se expone un codón STOP (ej UUA)

Este codón no codificante, no une ARNt pero es reconocido por un Factor liberador que provoca la disociación de las subunidades ribosomales

En ProcariotasTraducción es co-transcripcionalEl ARNm es reconocido por el ribosoma por una sitio de unión al ribosoma o secuencia de Shine Dalgarno (cerca al 5´)El comienzo de cada ARNm esta marcado con una secuencia (leader sequence) complementaria a un ARNt, no tienen CAP. Esto asegura la lectura desde el comienzo.Bacterias: generalmente tiene varios genes en un mismo ARNm : ARNm PLOCISTRONICO

No Intrones IntronesARN policistronicos 1 ARN – 1 ProteínaARNm citoplasmático pre-ARNm nuclear Leader sequence CAPNo modificaciones del ARNm modificaciones postraduccionalesRibosomas pequeños Ribosomas mas grandes.

An overview of gene expression in eukaryotes

Control de la expresión génica

Un promotor con sus enhancers puede determinar especificidad de tejido de la expresión de los genes

Los genes deben ser regulados ya que no es necesario que todos se expresen todo el tiempo:

Genes constitutivos y genes regulados.

No todos los genes se expresan simultáneamente ni al mismo nivel.

Genes constitutivos: se expresan al mismo nivel independientemente de las condiciones ambientales

Genes regulados: se expresan a distintos niveles (o no se expresan) dependiendo de las condiciones ambientales.

Los objetivos de la regulación son:

• Armonía estructural, equilibrio celular• Adaptación• Diferenciación: típico de eucariotas pluricelulares.

Niveles de control en la expresión génica eucariota

1

2

3 45

Inicio de la transcripción: Frecuencia de inicio.

2.Splicing de los intrones Tasa de splicing (exones facultativos)

3.Pasaje a través de la membrana nuclear

4.Destrucción del transcripto

Síntesis proteica

6. Modificaciones post-

traduccionales

Niveles de control en la expresión génica eucariota

1. Inicio de la transcripción: Frecuencia de inicio.2. Splicing de los intrones: Tasa de splicing (exones

facultativos)3. Pasaje a través de la membrana nuclear: Control del

acceso o eficiencia del transporte.4. Destrucción del transcripto: Modulación del grado de

protección del ARNm 5. Síntesis proteica: Regulación de la disponibilidad de

proteínas involucradas en la traducción.6. Modificaciones post-traduccionales: Fosforilaciones u

otras modificaciones pueden alterar la actividad de las proteínas.

Además,

El silenciamiento de un gen puede ocurrir por:

• La inactivación por interacción con un regulador• El silenciamiento génico postranscripcional: cosupresión• La metilación del DNA en vertebrados (directamente ligada al superenrollamiento y al silenciamiento).

Diferenciación celular

¿Cómo es posible que si todas lascélulas de un individuo tienen los

mismos genes, se produzca ladiferenciación celular?

Diferenciación celular

El proceso por el que una célula se especializa y pierde la capacidad de

originar cualquier otro tipo de célula.

Diferenciación celular

Cada tipo celular una vez

diferenciado comienza a

producir proteínas

diferentes que lo distinguen de

otros tipos celulares

Células madres

Son capaces de originar a los distintos tipos de células de un organismo y que se encargan del crecimiento y de la reparación de los tejidos. 

A pesar de la diferenciación, los organismos pluricelulares disponen durante toda su

existencia de células madre

Células madre

Entonces, la diferenciación celular es el resultado de la expresión

diferencial de genes específicos en cada tipo celular.

Por ejemplo

Genes que codifican para enzimas hepáticas no se expresan en células nerviosas, sin embargo ambas tienen el mismo ADN.

La diferenciación celular está controlada por mecanismos de regulación génica como:

control genómicocontrol transcripcionalcontrol post-transcripcionalcontrol traduccional control post-traduccional

• Señales externas (activación de programa genético)

• Respuesta a cambios en el ambiente• Señales de células vecinas• Segregación de factores citoplasmáticos

(proteínas, ARNm)• Regulación de la expresión génica:

disponibilidad de activadores, represores, presencia o ausencia de Factores reguladores de la transcripción, etc.

Factores que influyen en la diferenciación celular

Segregación de factores

citoplasmáticos

Comunicación entre células

Cascada de señales

regulatorias

Genes Homeóticos: “Master control genes”

El producto de estos genes son factores de transcripción que regulan otros genes (afectan genes que presentan Homeobox)

Determinan la identidad de los segmentos o partes individuales del embrión

Estos genes indican a la célula si forma parte de la cabeza, del tórax o del abdomen del individuo.

Estos genes codifican factores de transcripción que actúan sobre otros genes por inducción de la diferenciación celular, regulando genes específicos.  

Ejemplo

HOX pueden reemplazar antenas

por patas creciendo en la cabeza.

Hox (genes en la mosca de la fruta) presenta homeobox

Consecuencia de la expresion del gen de Antenapedia en un sitio mas anterior: un sitio anterior se transforma en uno posterior.

Estos factores de Transcripción reciben el nombre entonces de “maestros” y los genes que los codifican “genes maestros”Es decir que los reguladores maestros controlan la expresión de genes subalternos

Bibliografía

•Alberts, B., Bray, D., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. y Walter, P. Introducción a la Biología Celular. traducción al español de la 3 ed - Omega, Barcelona.

•Curtis H., Barnes S., Schnek A., Flores G. Invitación a la Biología. 6 ed. Editorial Panamericana. 2006.

•Raven and Jhonson. Biology. 6th Edition. McGraw-Hill. 2001

Mecanismos de regulación génica,funcionamiento de genes,

posicionamiento de los genes,alteración de diversos segmentos del

ADN

Proyecto genoma humanoObjetivos secundarios

Proyecto genoma humano1990-2003

Científicos de todo el mundo se unieron en el Proyecto genoma humano.

Objetivo: Determinar la secuencia de 3

billones de letras en nuestro ADN

Porque?En estas letras se encuentra la información que ayudara a extender nuestro entendimiento del cuerpo humano y mejorara la salud.

Resultado: Se conoce la Secuencia genómica

Aun queda por determinar donde se encuentra cada parte, como

interactúan entre ellas y comotrabajan juntas para contribuir a la

salud o la enfermedad.

Nuevas metas:Mapear las variaciones genéticasDescifrar la genética del cáncer y

otras enfermedades.