Regulacin Gnica en Procariotas

REGULACIN DE LA EXPRESIN GNICA EN PROCARIOTASOPERON LACTOSA Y OPERON TRIPTOFANOINTRODUCCIONEn nuestro recorrido por la Gentica hemos averiguado que son los genes, cmo se replican y cmo se transmiten. Tambin hemos visto que la informacin contenida en los genes se transcribe a ARN y que el ARN mensajero se traduce a protenas. De manera que la informacin contenida en los genes se convierte en protenas. Sin embargo, an no hemos visto de qu manera la clula regula su funcionamiento, es decir, Cmo decide la clula que protenas necesita producir en cada momento y qu cantidad de protena es necesario sintetizar.La Regulacin Gnica en los procariotas es una de los pilares de la Biologa Molecular y debido a los grandes avances del siglo pasado en curso se ha podido avanzar en un largo camino de conocimientos y de los comportamientos Genticos esta gran familia procariota.

REGULACIN DE LA EXPRESIN GNICA EN BACTERIAS

En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, tambin es necesaria regular la expresin de los genes adaptndola a las necesidades ambientales. Es un principio de economa celular el que la expresin de los genes este regulada segn las circunstancias celulares. Un buen ejemplo de esta situacin en bacterias es la regulacin de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azcares. Las bacterias pueden emplear para obtener energa distintas fuentes de carbono, como la glucosa, lactosa, galactosa, maltosa y xilosa. Existen enzimas capaces de introducir cada uno de estos azcares en la bacteria y enzimas capaces de romperlos para obtener energa. Lgicamente, sera un despilfarro energtico producir simultneamente todos los enzimas necesarios para metabolizar los diferentes azcares mencionados. Por consiguiente, sera mucho ms econmico para la clula producir solamente las enzimas necesarias en cada momento, es decir, si en el medio en el que vive la bacteria la principal fuente de carbono es la lactosa, solamente se expresaran los genes necesarios para metabolizar la lactosa, mientras que los otros genes no se expresaran. Por tanto, es esencial que exista un mecanismo de regulacin de la expresin gnica, de manera que los genes se expresen cuando sea necesario.

La regulacin de la produccin de protenas (sntesis de protenas) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en tres niveles:

Replicacin

Transcripcin

Traduccin.

De los tres niveles de regulacin, uno de los mejor conocidos actualmente es la regulacin durante la transcripcin. Aunque la regulacin de la transcripcin en eucariontes es ms compleja que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. Por tanto, comenzaremos por el estudio de la regulacin de la transcripcin en bacterias.

SISTEMAS CONSTITUTIVOS Y SISTEMAS ADAPTATIVOS

Los genes que codifican para las enzimas necesarias para el metabolismo bsico celular se expresan de forma constitutiva y adaptativas. Es constitutiva las enzimas que se producen continuamente, sea cual sea la composicin qumica del ambiente. Y es adaptativa cuando las enzimas se adaptan al ambiente qumico en el que se encuentran.

SISTEMAS INDUCIBLES Y SISTEMAS REPRENSIBLESSistemas inducibles: cuando el sustrato sobre el que va actuar la enzima provoca la sntesis del enzima. Al efecto del sustrato se le denomina induccin positiva. Por ejemplo, en E. coli en ausencia de galactsido (sustrato) hay de unas diez unidades de galactosidasa (enzima) por miligramo de materia seca, mientras que en presencia de galactsido se detectan hasta 10.000 unidades de galactosidasa por miligramo de materia seca. Al compuesto que desencadena la sntesis del enzima se le denomina Inductor.

Sistemas reprensibles: cuando el producto final de la reaccin que cataliza el enzima impide la sntesis de la misma. Este fenmeno recibe el nombre de induccin negativa. Al compuesto que impide la sntesis del enzima se le denomina correpresor.

OPERN

Es un grupo de genes estructurales cuya expresin est regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador) y genes reguladores.

Los principales elementos que constituyen un opern son los siguientes:

Los genes estructurales: llevan informacin para poli pptidos. Se trata de los genes cuya expresin est regulada.

El promotor (P): se trata de un elemento de control que es una regin del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripcin. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales.

El operador (O): se trata de otro elemento de control que es una regin del ADN con una secuencia que es reconocida por la protena reguladora. El operador se sita entre la regin promotora y los genes estructurales.

El gen regulador (i): secuencia de ADN que codifica para la protena reguladora que reconoce la secuencia de la regin del operador. El gen regulador est cerca de los genes estructurales del opern pero no est inmediatamente al lado.

Protena reguladora: protena codificada por el gen regulador. Est protena se une a la regin del operador.

Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresin de los genes.

EL OPERN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO

Es un sistema inducible que est bajo control negativo, de manera que la protena reguladora, producto del gen regulador i, es un represor que impide la expresin de los genes estructurales en ausencia del inductor. El inductor del sistema es la lactosa. Como veremos ms adelante, el opern lac tambin est bajo control positivo, ya que existe otra protena que estimula la transcripcin de los genes estructurales.

Los genes estructurales del opern lactosa son los siguientes:

El gen z+: codifica para la b-galactosidasa que cataliza la hidrolisis de la lactosa en glucosa ms galactosa.

El gen y+: codifica para la galactsido permeasa que transporta b-galactsidos al interior de la clula bacteriana.

El gen a+: codifica para la tiogalactsido transacetilasa que cataliza la transferencia del grupo acetil del acetil Coenzima A al 6-OH de un aceptor tiogalatsido. Este gen no est relacionado con el metabolismo de la lactosa.

Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor (la lactosa), la protena represora producto del gen i se encuentra unida a la regin operadora e impide la unin de la ARN-polimerasa a la regin promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales.

Sin embargo, en presencia del inductor (la lactosa), este se une a la protena reguladora que cambia su conformacin y se suelta de la regin operadora dejando acceso libre a la ARN-polimerasa para que se una a la regin promotora y se transcriban los genes estructurales. Por consiguiente, la presencia del inductor hace que se expresen los genes estructurales del opern, necesarios para metabolizar la lactosa.

Tambin es conveniente recordar que los tres genes estructurales del opern lactosa se transcriben juntos en un mismo ARNm, es decir que los ARN mensajeros de bacterias suelen ser policistrnicos, polignicos o multignicos. Sin embargo, en eucariontes los mensajeros suelen ser monocistrnicos o monognicos, es decir, corresponden a la transcripcin de un solo gen estructural.

En la siguiente tabla se muestra la expresin de los genes del opern lactosa en ausencia y en presencia del inductor (lactosa) en una bacteria normal i+ p o z+y+a+. SI = significa que se expresan, NO = significa que no se expresan.

OPERN LACTOSA: CONTROL POSITIVOComo ya he mencionado anteriormente, el opern lactosa tambin est sujeto a un control de tipo positivo, de manera que existe una protena que estimula la transcripcin de los genes estructurales. En los sistemas de control negativo existe una protena que impide la transcripcin de los genes estructurales, en los sistemas de control positivo existe una protena activadora que estimula la transcripcin de los genes. En principio existen cuatro tipos de sistemas posibles de regulacin de la expresin gnica:

Tipo 1: Inducible, control negativo (opern lactosa y opern galactosa)

Tipo 2: Inducible, control positivo (opern arabinosa y opern maltosa)

Tipo 3: Represible, control negativo (opern triptfano y opern histidina)

Tipo 4: Represible, control positivo (no se han descrito)

Por supuesto, un opern pude estar sujeto a ms de un tipo de control, como sucede en el caso del opern lactosa que est bajo control negativo ejercido por la protena represora y bajo control positivo ejecutado por una protena activadora por catabolitos (CAP) tambin llamada protena activadora del AMP cclico (CRP). El control positivo del opern lactosa como veremos est estrechamente relacionado con la Represin catablica.

EL OPERN TRIPTFANOEl opern triptfano (opern trp) es un sistema de tipo represible, ya que el aminocido triptfano (Correpresor) impide la expresin de los genes necesarios para su propia sntesis cuando hay niveles elevados de triptfano. Sin embargo, en ausencia de triptfano o a niveles muy bajos se transcriben los genes del opern trp. Los elementos del opern trp son en esencia semejantes a los del opern lactosa.

En ausencia de triptfano, o cuando hay muy poco, la protena reguladora producto del gen trpR no es capaz de unirse al operador de forma que la ARN-polimerasa puede unirse a la regin promotora y se transcriben los genes del operon triptfano.

En presencia de triptfano, el triptfano se une a la protena reguladora o represora cambiando su conformacin, de manera que ahora si puede unirse a la regin operadora y como consecuencia la ARN-polimerasa no puede unirse a la regin promotora y no se transcriben los genes estructurales del opern trp.

Por tanto, la diferencia esencial entre el opern lac (inducible) y el opern trp (represible), es que en este ltimo el represor del triptfano solamente es capaz de unirse al operador cuando previamente est unido al trp.EL OPERN TRIPTFANO: REGULACIN POR ATENUACINCuando Yanofsky analiz mutantes que afectaban al gen trpR que codifica para la protena represora y que continuaban produciendo ARNm del Operon trp an en presencia de triptfano, observ que la eliminacin del triptfano del medio produca un aumento casi de 10 veces en la produccin del ARNm del Operon trp, incluso aunque el represor estuviera inactivo. Yanofsky identific la regin del ADN responsable de este aumento en la produccin del ARNm del Operon trp. Demostr que estos mutantes tenan una delecin entre el operador y el primer gen estructural, el gen E.

La secuencia atenuadora se encuentra en la regin lder

Yanofsky aisl el ARN-m multignico del opern trp y secuenci la regin del extremo 5 encontrando una regin lder del 160 bases que no se traduce a aminocidos. Esta secuencia se encuentra antes del primer triplete que se transcribe. Cuando analiz la secuencia correspondiente en el mutante que siempre produce niveles mximos de trp, detect una delecin de una 30 bases que se extenda desde la posicin 130 a la 160. Yanofsky llam atenuador a la regin del ADN inactivada por la delecin, ya que su presencia conduce aparentemente a disminuir la tasa de transcripcin.Yanofsky comprob utilizando mutantes trpR- que incluso en presencia de altos niveles de trp, que deberan hacer que la regin atenuadora redujera en 10 veces la tasa de transcripcin, se seguan transcribiendo las primeras 141 bases de la regin lder del ARN-m del opern trp, aunque el ARN-m de longitud normal solo apareca a un nivel 10 veces menor. De forma, en presencia de altos niveles de trp las primeras 141 bases se transcriben al mximo, pero por el mecanismo de atenuacin que tiene lugar en esa regin, solamente uno de cada 10 ARNm se transcribe hasta el final. Por consiguiente, la regin atenuadora acta como una regin terminadora de la transcripcin en presencia de triptfano, mientras que en ausencia de triptfano el atenuador se desactiva y todas las molculas de ARNm se completan.La regin lder del opern triptfano se caracteriza por tener una sede de reconocimiento para los ribosomas y los codones de 14 aminocidos, entre ellos dos residuos de triptfano. Adems, la siguiente regin puede formar una estructura secundaria palindrmica en forma de lazo u horquilla. Cuando los niveles de triptfano son altos, la traduccin de la primera parte del segmento lder del mensajero impide de alguna manera la transcripcin ms all de la estructura secundaria. Cuando los niveles de triptfano son bajos disminuye o cesa la traduccin del polipptido sintetizado por la secuencia lder, permitiendo que la ARN polimerasa transcriba el opern completo. Aunque no se conoce la forma en la que tiene lugar la terminacin anticipada, es posible que los ribosomas que traducen la regin lder produzcan la desaparicin de la estructura secundaria de la segunda parte de la regin lder y se produzca el reconocimiento de esta regin por el factor de terminacin.BIBLIOGRAFIA

Conceptos fundamentales de Gentica, Pag. 558 Webgrafa. http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Operon/Operon.htm#Operon%20tript%C3%B3fano

Ingeniera Biotecnolgica