5 Regulacion Expre Genet

7/22/2019 5 Regulacion Expre Genet

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Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.

Regulacin de la expresin gnica

Para que la informacin gentica almacenada en el DNAsea utilizada por los organismos se requiere que sean

sintetizadas cadenas de RNA complementarias al DNApor medio de un proceso conocido como transcripcin(de scribere=escribiry trans=pasar de uno a otro, eneste caso de una escritura a otra).


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Transcripcin

Fue adoptado por laevolucin para tener unmensajerocapaz de

llevar la informacinalmacenada en el DNAde forma parcializada,ordenada y regulada.

El resultado de latranscripcin es unamolcula de RNAllamada t ranscr i to.


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Inicio


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Transcritos

Cuando sirve como patrn para la sntesis deprotenas se conoce como RNA mensajero oRNAm;

Cuando constituye parte de la estructura delos ribosomas, como RNA ribosomal o RNAr;

Cuando participa en la sntesis de protenascomo adaptador de los aminocidos, comoRNA de transferencia o RNAt; o

Puede tener varias otras actividades como enzimticas, ribozima

o actividades de regulacin de la expresin gentica, RNAde interferencia o RNAi.


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Transcripcin y Superenrollamiento

RNA polimerasa

Burbuja de Transcripcin

Hbrido RNA-DNA

Enrollamiento Desenrollamiento

RNA

5'

3'5'

3'

Direccin de la trancripcin

5'

3'

5'

Superhlices

negativas

Superhlices

positivas

(a)

(b)

Direccin de la trancripcin


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Localizacin de transcritos

DNA

Transcritos de RNA

36 x 103

pb

Genoma de adenovirus, ambas hebras contienen codificacinde protenas. Muchos de los mensajeros se sintetizaninicialmente en forma de un transcrito largo que proviene de dostercios de la longitud del DNA. Este transcrito es modificadoposteriormente.


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Nomenclatura de las hebras de DNA en latranscripcin

Hebra molde

Hebra menos (-)

Hebra codante

Hebra no molde

Hebra ms (+)

Hebra no codante



Ejemplo de complementariedad

(5')CGCTATAGCTGTTT(3')

(3')GCGATATCGACAAA(5')

(5')CGCUAUAGCUGUUU(3')

Hebra de DNA no molde (+)

Hebra de DNA molde (-)

Transcrito de RNA



RNA polimerasa

Ncleo de la

enzima

Subunidad s



RNA polymerase ofE. co liis a multisubunit protein

Subunit Number Role

a 2 uncertainb 1 forms phosphodiester bondsb 1 binds DNA templates 1 recognizes promoter andfacilitates initiation

abbs abb + sholoenzyme core polymerase sigma factor

Prokaryotic RNA polymerase structure



RNA synthesis usually initiated with ATP or GTP (the first nucleotide)

RNA chains are synthesized in a 5 to 3 direction

Termination of some transcripts makes use of the Rho protein, which is a

termination factor that catalyzes the dissociation of the RNA and polymerase

A = T

U = A

A = T

U = A

RNA RNA

Mechanism of RNA synthesis



the sigma subunit of RNA polymerase is an initiationfactor

there are several different sigma factors in E. colithatare specific for different sets of genes

sigma factor functions to ensure that RNA polymerasebinds stably to DNA only at promoters

sigma destablizes nonspecific binding to non-promoter DNA

sigma stabilizes specific binding to promoter DNA

this accelerates the search for promoter DNA

The function of sigma factor



The function of sigma factor

Ka(M-1)

Any DNA Promoter DNA

(nonspecific) (specific)

Core 2 X 1011

Holo 1 X 107 1013 to 1015

promoters vary in strength by ~two orders of magnitude



Promotores de E. co li. 1


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Promotores en E. co li.Resumen

Regin -35 Espaciador Regin -10 Espaciador Inicio del RNA

TTGACA N17 TTAACT N7 A

TTTACA N16 TATGAT N7 A

TTTACA N17 TATGTT N6 A

TTGATA N16 TATAAT N7 A

CTGACG N18 TACTGT N6 A

TTGACA TATAAT

t rp

tRNATyr

lac

recA

ar aB, A, D


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Promotor de E. co li


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Promotores en E. co liconregulacin lejana


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Inhibidores de la transcripcin

+

N

H

Sar

L-Pro L-meVal

D-Val

L-Thr

O

Sar

L-Pro L-meVal

D-Val

L-Thr

O

O OCC

N NH2

OO

CH3 CH3

Acridina

Actinomicina D


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Terminacin de la transcripcin

Una vez que el proceso de transcripcin hacomenzado la burbuja de transcripcin avanza amedida que el RNA es transcrito y se contina hastaque la polimerasa encuentra una secuencia queinduce la disociacin del complejo DNA-RNA y laseparacin de la enzima.

En eucariontes esta secuencia no ha sido bienestudiada, mientras que para los procariontes comoE. colise han reconocido dos tipos de seales de

terminacin que se diferencian por la ausencia opresencia de un factor proteico que parece reconocerdicha seal.


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Terminacin rho independiente

Terminacin independientede rho (r), contiene una

secuencia que induce a laformacin de una horquillaen el transcrito de RNA de 10a 15 nucletidos antes delfinal, seguida por un tramode poliA en la cadena moldeque facilita la disociacin delos elementos de latranscripcin.


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En la terminacindependiente de rno sepresenta el tramo de poliA,aunque s se forma una

horquilla en la que la RNApolimerasa hace una pausa ysi se encuentra la protena rpresente se detiene latranscripcin.

No se conoce a detalle elmecanismo de disociacin,pero en este se produce lahidrlisis de ATP por efectode r.


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Acoplamiento entre trascripcin y traduccin

DNA duplex

5'

3' 5'3'

RNA polimerasa

NH3+

NH3+

Direccin de traduccin

Direccin de transcripcin

Ribosoma

mRNA

5'

mRNA


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Elementos reguladores lejanosen operones bacterianos


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Regulacin de la transcripcinen procariontes.

Muchas protenas bacterias soninducibles su sntesis es regulada dependiendo del estado

nutricional de la clula.

La expresin diferencial de los genesque codifican para esas protenas esta

regulada generalmente a nivel de lainiciacin de la transcripcin


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Regulacin negativa en latranscripcin

OperadorDNA

Promotor

mRNA5' 3'

mRNA5' 3'

(a)La molcula seal( ) origina la disociacin

de la protena reguladora

del DNA

(b)La molcula seal

( ) origina la uninde la protena reguladora

al DNA


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Regulacin positiva en latranscripcin

mRNA5' 3'

mRNA5' 3'

RNA polimerasa

(a)La molcula seal( ) origina la disociacin


del DNA

(b)La molcula seal( ) origina la unin


al DNA


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Modelo general de opern

DNA

Sitio de unin

del activador

Promotor

Sitio de unin

del represor

(operador)

Secuencias reguladoras

A B C


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Opern lac

Jacob y Monod describieron el controltranscripcional del opern de lactosa,que codifica 3 protenas inducibles.


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Opern lac

Es reprimido por unin de la protenarepresora de lac a la secuenciaoperadora.

En presencia de lactosa o otrosinductores, esta represin se levanta yel opern lac se transcribe.


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Opern lac reprimido

mRNA

PI I Z Y AP O

Represor


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Mutaciones del promotor o eloperador

Las mutaciones en el promotor, o en eloperador, actan en cis; esto es slo

afectan la expresin de los genes en lamisma molcula de DNA en que ocurrela mutacin.

Las mutaciones Oc del Opern lac


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Las mutaciones Oc del Opern lacactan en cis


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Mutaciones constitutivas

Las mutaciones en la secuencia de unoperador que resulta en la disminucinde la unin del represor, resultan en una

transcripcin constitutiva.


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Mutaciones

Las mutaciones en una secuenciapromotora, que afectan la afinidad dela unin de la RNA polimerasa pueden

disminuir (mutacin negativa) oincrementar (mutacin positiva) latranscripcin.


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Regulacin en trans

Los represores y los activadoresactan en trans; esto es, afectan a la

expresin de los genes que regulan sinimportar en qu molcula de DNAestn localizados en la clula.


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Accin trans del Opern lac


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El inductor produce incrementoen la transcripcin del opern.


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X-Gal

5-bromo-4-chloro-3-indolyl-b-D-galactoside


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Induccin del opern lac

PI I Z Y AP O

PI I Z Y AP O

DNA

mRNA

Alolactosa

(o IPTG)


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Activacin de la transcripcin del opernlac

5'-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGGCACCCCA

GGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTG

GAATTGTGAGCGTGATAACAATTTCACAC

Sitio CAP

Regin -35 Regin -10

Operador

Sitio de unin a la RNA polimerasa


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Estructura tridimensional delhomodmero CAP

DNA

Motivo de unin al DNA

cAMP


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Control positivo de la transcripcin

Una protena reguladora promuevela unin de laRNA polimerasa, de manera que se incrementa lasntesis del mRNA.


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Efectos combinados de glucosa y lactosaen la expresin del opern lac

P O

P O

P O

P O

Deficiencia

de glucosa,

abundancia

de cAMP

Abundancia

de glucosa,

deficiencia

de cAMP

Deficiencia de lactosa Abundancia de lactosa

RNA polimerasa

mRNA


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Opern ara

ar aC ar aB ar aA ar aD

Genes estructurales

Sitios de Regulacin

ar aO2 ar aO1 ar aI

PC PBAD

Sitio de unin de CAPar aC mRNA

Represor

Activador

L-Arabinosa

ar aBAD mRNA


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Regulacin del opern ara (1)

araCaraO2

araO1 PC

araI

Sitio de unin de CAP

PBAD

araBAD

RNA

polimerasa

araC mRNA


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Regulacin del opern ara(2)

araO2

araC

araO1

araI

araBAD

PBAD

PC

Protenas

AraC

Sitio de unin de CAP

Glucosa a niveles altosarabinosa a niveles bajos


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araC

araO2

PCaraI

PBAD

araBAD

RNA

polimerasa

ara

BAD mRNA

CAP-cAMP

Glucosa a niveles bajosarabinosa a niveles altos

arabinosa

Protena AraC

Regulacin del opern ara(3)


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Opern de triptofano

Trp

Represor

Trp

P Ot rpR

Gua (trpL) Atenuador

trpE trpD trpC trpB trpA

RepresormRNA

Regin reguladora Genes estructurales

mRNAatenuadoaltos niveles detriptofano

trpmRNAbajos nivelesde triptofano


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Regulacin del opern t rp

5'

mRNA

Pptidolder

MKAIFVLKGWWRTS

Ribosoma

Estructura

atenuadora

RNA

polimerasa

DNACodones Trp

UUU 3'

Pptido

lder

1 23

4

2

1

34

Genes estructurales

DNA RNA

polimerasa


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Secuencia gua de t rpL

Pptido gua

M K A I F V L K G W W R T S - PARO

Polipptido

TrpE

1

2

4

3


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Apareamiento del atenuador

Par 3:4

Par 2:3

Ot i d


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Otros mecanismos deatenuacin

Las BacteriaGram positivas (B. subtilis) utilizan laatenuacin.

El mecanismo es independientede la traduccin.

Utiliza una protena que se une al RNA cuando existeun efector.

El efector puede ser el aminocido regulado perotambin su aminoacil-tRNA.

La protena se llamaprotena trp de atenuacin(en elcaso del triptofano).


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Otros sistemas de atenuacin

Operones de la biosntesis de pirimidinas (E. colitraduccional y B. subtilis con protena de atenuacin).

Atenuacin traduccional. La traduccin del pptidolder previene la traduccin del siguiente gen en unmensajero policistrnico.

Genes de resistencia a antibiticos en Gram

positivas.


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Redes de control global

Sistemas que regulan muchos genessimultneamente en respuesta a una seal ambientalespecfica.

Los sistemas de control global pueden incluir ms deun reguln.

Moduln es un grupo de genes que puedenresponder a una protena reguladora comn inclusocuando son de diferentes regulones.

Estimuln es un grupo de genes que responden a lamisma seal ambiental


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Factores sigma alternativos

Factor sigma es la subunidad de la RNA polimerasaque reconoce al promotor.

La mayora de genes de E. coliresponden a s70.

La cantidad del factor sigma alternativo regula larespuesta del E. colisistema global.

En E. colihay 7 factores sdiferentes.

B. subtilis tiene un factor sms.


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DNA Repressor Repressor + Inducer

lac operator 2 X 1013 2 X 1010

All other DNA 2 X 106

2 X 106

___________________________________________________

Specificity1 107 104

___________________________________________________

1Specificity is the ratio of(Kafor binding to operator DNA) / (Kafor binding to random DNA)

Affinity of lac repressor for DNA (M-1)

Al i t d t l l b l


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Algunos sistemas de control globalen Escher ichia co l i.


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Quorum sensing(percepcin del quorum)

Seal regulatoria controlada por la densidad depoblacin.

Cada bacteria sintetiza una lactona de homoserinaacilada (AHL).

La AHL difunde hacia el exterior de la clula sin

problema. Se alcanza un concentracin intracelular alta de AHL

cuando hay alta densidad celular.

AHL se une a una protena activadora y enciendegenes.

Sistema luciferasa bacteriana, genes de produccin debiofilms (pelculas) en P. aeruginosa, enStaphylococcus aureus produce varias protenasvirulentas.

T d i d l i


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Transduccin de seales y sistemasreguladores de dos componentes

La seal externa no es transmitidadirectamente a la protena reguladora.

La seal es detectada primero por un sensor

La seal se transmite en una forma diferentehacia el sistema regulador en un procesollamado transduccin de seales.

Componentes del sistema


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Componentes del sistemaregulador

Protena detectora especfica localizadaen la membrana. Generalmente una

quinasa detectora.Protena reguladora de respuesta

especfica.


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Quinasa detectora

Enzima de membranaplamtica que Fosforilacompuestos

Detecta la seal ambientalen la superficie externa y sefosforila a s misma en unresiduo de histidina

Este fosfato se transmite ael regulador de respuestaintracelular.

El regulador de respuestaintracelular es una protenaque controla la trascripcinunindose al DNA.

Si t l d d d t l


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Sistemas reguladores de dos componentes en laregulacin de la transcripcin de E. co l i

Sistema Sealambiental

Quinasa

sensora

Regulador

de larespuesta

Actividad del

regulador de larespuestaa

Sistema Arc O2 ArcB ArcA Represor/Activador

Nitrato ynitrito

Nitrato ynitrito

NarXyNarQ

NarL Activador/represor

regulacinanaerobia

(Nar)

NarP Activador/represor

Utilizacinde nitrgeno

(Ntr)

NH4+ NR II, el

producto deglnL

Nri, elproducto de

glnG

Activa la RNApolimerasa a nivelde promotores que

requiren s54

Reguln Pho Fosfatoinorgnico

PhoR Phob Activador

Reguln deporina

Presinosmtica

EnvZ OmpR Activador/Represor


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fin


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Quimiotaxis

Movimiento de acercamiento o alejamientobacteriano de un compuesto qumico particular

No es una respuesta a gradientes espacialesde

una sustancia sinogradientes temporales Sienten el cambio en concentracin de un compuesto fuera de la

clula a intervalos

Sistema de dos componentes para sentir este cambioy regulan el movimiento flagelar.

Protenas involucradas en


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Protenas involucradas enquimiotaxis

Protenas sensoras: Aceptoras de grupos metilo(MCPs)

En E. coli se han identificado cinco MCPs

Todas son transmemebranales

Las MCPs se unen directamente a un compuesto oindirectamente a una protena periplasmtica

Se disparan una serie de reacciones que afectan la

rotacin del flagelo. Rotacin antihorario, la clula continua, rotacin horario, la bacteria

da un viraje.


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Quimiotxis en E. co li

CheW y CheA protenascitoplsmicas,


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La mayora de sistemas de regulacin controlan latranscripcin mediante protenas reguladoras.

Existen RNAs reguladores (antisentido)


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