Universidad Nacional Autónoma de México · 2. Regulación genética en eucariontes 2.1. Conocerá...
48
Universidad Nacional Autónoma de México Curso de Genética y Biología Molecular Licenciatura Química Farmacéutico Biológica (1630) Química en Alimentos (0144) (Optativa) Facultad de Química Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Laboratorio 105, Edificio E 5622-5280 [email protected]
Transcript of Universidad Nacional Autónoma de México · 2. Regulación genética en eucariontes 2.1. Conocerá...
Universidad Nacional
Autónoma de México
Curso de Genética y Biología Molecular
Licenciatura
Química Farmacéutico Biológica (1630)
Química en Alimentos (0144) (Optativa)
Facultad de Química
Dra. Herminia Loza TaveraProfesora Titular de Carrera
Departamento de BioquímicaLaboratorio 105, Edificio E
5622-5280
VII. 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... Conoci-
miento
Compren-
sión
Aplica-
ción
1. Regulación
genética en
procariontes
1.1. Conocerá los distintos niveles de regulación genética. X
1.2. Identificará las diferencias entre regulación positiva y
negativa.
X
1.3. Comprenderá el concepto de inducción y represión. X
1.4. Conocerá el concepto de operón, genes reguladores,
genes estructurales, promotor, reguladores en cis y trans.
X
1.5. Comprenderá el funcionamiento del operón lac. X
1.6. Comprenderá el modelo de represión catabólica: AMPc y
CAP.
X
1.7. Conocerá los sistemas de regulación por atenuación:
operón del triptófano.
X
2. Regulación
genética en
eucariontes
2.1. Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas
en la regulación genética.
X
2.2. Conocerá las características de los factores de
transcripción y su papel en la regulación de la expresión
genética.
X
2.3. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la
regulación de la expresión genética.
X
2.4. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de
la expresión genética (microRNAs).
X
1. 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
REGULACIÓN
DE LA
ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
CELULAR
ALOSTERISMO
POSITIVO O NEGATIVO
REGULACIÓN COVALENTE
a) MODIFICACIONES POST-TRADUCCIONALES
b) ZIMÓGENOS
POR PRODUCTO,
RETROALIMENTACIÓN
ISOENZIMAS
CANTIDAD DE
ENZIMA
SÍNTESIS
DEGRADACIÓN
Transcripción
DNA
mRNA
PROTEÍNA
Traducción
Regulación a nivel de:
• Transcripción
• Traducción
Los genes se expresan con diferente
eficiencia y se regulan por distintos
mecanismos
Regulación transcripcional
Aumenta el número de transcritos
Resultando en un aumento en la cantidad de proteína
A B B B B
BBBB
B B B B
BBBB
Regulación traduccional
Los genes se expresan con diferente
eficiencia y se regulan por distintos
mecanismos
En bacterias, el principal nivel de
regulación es el transcripcional
GENE CON
Regulación positiva (+)
El gene “se enciende”
(se empieza a transcribir o se
transcribe más)
GENE CON
Regulación negativa (-)
El gene “se apaga”
(no se transcribe o se
transcribe menos)
El modelo del Operón lac
F. Jacob J. Monod A. Lwoff
Expresión inducible
La b galactosidasa también convierte parte de la lactosa en alolactosa
La lactosa es hidrolizada por la
b-galactosidasa para generar
glucosa y galactosa
Alolactosa
La b-galactosidasa se encuentra en niveles muy bajos dentro de la célula si no hay lactosa en el medio.
Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste.
La síntesis de la b-galactosidasa se
induce cuando hay lactosa en el medio
En bacterias los genes están organizados
en operones por lo que la expresión es
coordinada
DNA
RNA polimerasa
P: promotor de los genes estructurales E1, E2, E3 y 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)
Componentes de un operón
Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.
DNA
RNA polimerasa
Los operones están formados por genes
estructurales y una región de control
Galactosidasa Permeasa Transacetilasa
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los
genes z, y, a
Cuando no hay lactosa en el medio,
el operón lac está apagado
El Operon lac se activa para poder
utilizar a la lactosa como fuente de
carbono
Genes estructurales
Gen regulador
Normalmente, hay una expresión baja del
operón lac lo que permite que haya un poco
de b-galactosidasa en la célula
La lactosa es convertida a alolactosa
por la b galactosidasa. La alolactosa
es el inductor del operón lac.
La activación del operón lac requiere, además de que el represor se despegue del operador, la
participación de un activador: CRP o CAP
Activador CRP. cAMP receptor protein
También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein.
Si los niveles de glucosa son altos, hay poco cAMP.
Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho cAMP.
CRP une cAMP
Este activador regula la expresión con base en los niveles de glucosa presentes en el sistema
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
RNApol
No se transcribe
¿Cómo se regula el operón lac cuando hay
glucosa en el medio?
Regulación
negativa
Represor
+ glucosa– lactosa
Regulación del operón de lactosa
Regulación Negativa
Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay bgalactosidasa
+ glucosa+ lactosa
Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo
que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción
basal).
¿Qué le pasa al operón lac en
presencia de lactosa aún cuando
exista glucosa?
inductor (lactosa)
La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar
RNApol
Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos. La síntesis del mRNA lac es pobre.
Regulación
positivaLa transcripción es alta
Activador
¿Qué le pasa al operón lac
cuando hay lactosa en el medio y
no hay glucosa?- glucosa+ lactosa
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.
- glucosa- lactosa
¡No hay transcripción!
¿Qué le pasa al operón lac cuando no
hay glucosa ni tampoco lactosa?
Como el represor está unido al promotor
RNApol
Aunque los niveles de cAMP sean altos y el activador esté presente....
Regulación negativa
En presencia de lactosa y ausencia de glucosa
En presencia de glucosa y ausencia de lactosa
Regulación positiva
[glucosa]
[AMPc]
+ lactosa
Represión por catabolito del operón lac(Elección del mejor azúcar a metabolizar)
CAP= Catabolite activator protein
Activación del operón lac
Prefiere glucosa sobre otros
azúcares
El operador actúa en cis y regula a los genes que
están ligados, adyacentes a éste
El gen I actúa en trans
El gen I codifica una proteína que actúa reconociendo al operador (represor), 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
• Operón lac, operón inducible, la presencia de una sustanciaespecífica (en este caso la lactosa) induce la transcripción de losgenes estructurales.
• Operón lac también se encuentra bajo control positivo. Cuando en elmedio hay glucosa, la bacteria metaboliza este monosacáridoignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menores la concentración de glucosa en el medio, mayor es laconcentración de cAMP, el cual tiene influencia en la activación deloperón lac.
• El cAMP actúa uniéndose a una proteína que une cAMP denominadaCAP (proteína activadora por catabolito). Cuando la concentración deeste complejo es alta (poca glucosa), el CAP-cAMP se fija a un sitioespecífico del promotor lac, aumentando la afinidad de la regiónpromotora por la RNA polimerasa, lo que estimula la transcripción deloperón.
• 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.
Regulación del Operón lac
Operón de triptófanoEste operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la biosíntesis de triptófano. Bajo control del promotor (Ptrp) y del operador (Otrp).
En este sistema los genes se están transcribiendo activamente, cuando no hay triptófano en el medio.
En este sistema el represor es inactivo, no se une al operador a menos que una molécula, el co-represor, se una a él.
El co-represor es el triptófano el cual se une al represor y forma un complejo activo que se une al operador reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.
El Operón Trp
De manera normal, Escherichia coli está expresando su operón Trp. En este caso el represor codificado por el gen regulador, es inactivo.
Sin triptófano en
el medio
Regulación negativa
Complejo Represor-Corepresor
+ Triptófano en el medio
¿Qué ocurre cuando hay
triptófano en el medio?
El triptófano (correpresor) se une al represor, activándolo. Ahora el represor se puede unir al operador impidiendo la transcripción del operón trp.
OPERÓN Lac OPERÓN Trp
Operón inducible, se expresa enpresencia de lactosa.
Operón reprimible, se expresaen ausencia de triptófano.
La lactosa es el inductor El triptófano es el co-represor
El represor se sintetiza en formaactiva uniéndose a su DNAblanco (operador lac).
El represor se sintetiza en formainactiva, se une a su DNA blancoen presencia del co-represor(trp).
Las enzimas codificadas por losgenes de este operón participanen un vía catabólica
Las enzimas codificadas por losgenes de este operón participanen un vía anabólica
Comparación entre Operón Lac y Operón Trp
Regulación de la expresión
genética a nivel traduccional
Atenuación del operón Trp
Se basa en la existencia de secuencias específicas en el mRNA policistrónico Trp, en la región 5’ del mRNA, que al ser traducidas por el ribosoma y dependiendo de la presencia de tRNATrp, pueden controlar la transcripción.
En el operón de triptófano 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.
Mecanismo de atenuación
Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón
+ triptófano tRNA-Trp El ribosoma NO se detiene
Se basa en la presencia de 4 secuencias invertidas repetidas en el mRNA capaces de formar tallos-asa que pueden pausar la traducción y la transcripción.
En presencia de trp hay mucho tRNAtrp
por lo que la traducción es rápida, esto hace que se forme un tallo-asa en la región 3-4 que bloquea la transcripción.
La transcripción y traducción del resto del operón se lleva a cabo
Mecanismo de atenuación
– triptófano 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 2-3 que permite que la transcripción del resto del operón continúe.
Regulación del operón trp
Regulación por posición del gen
en el operón
Traducción más eficiente Traducción menos eficiente
Regulación por Shine-Dalgarno
Traducción más eficiente
Traducción menos eficiente
