ESTRUCTURA Y REGULACIÓN GÉNICA
Muchos factores, un objetivo
La regulación genética es necesaria en los organismos para:
El desarrollo La diferenciación
La adaptación
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA
Regulación génica
La expresión de los genes es controlada dependiendo del tipo celular, del tiempo de vida de la célula y de los nutrientes y factores de crecimiento del medio
Regulación de la expresión génica en procariontesEl caso del operón lactosaEl caso del operón triptofano
Regulación de la expresión génica en eucariontesRegulación a nivel del inicio de la transcripción
15 de Enero 2008
SEÑALES AMBIENTALES
genes
En bacteriasEn bacterias: Presencia o ausencia de nutrientes, temperatura, oxígeno, pH, : Presencia o ausencia de nutrientes, temperatura, oxígeno, pH, etc.etc.
En organimos multicelularesEn organimos multicelulares: Factores de crecimiento y hormonas, nutrientes, : Factores de crecimiento y hormonas, nutrientes, entre otros factores. La expresión de genes depende de tipo de célula y de la entre otros factores. La expresión de genes depende de tipo de célula y de la etapa de diferenciación de las células etapa de diferenciación de las células
15 de Enero 2008
TIPOS DE GENESTIPOS DE GENESEXPRESIÓN A UN NIVEL CONSTANTE CONTITUTIVOS
GENES INACTIVOS QUE SE ACTIVAN BAJO CIERTAS CONDICIONES
INDUCIBLES
GENES ACTIVOS, PERO SE SILENCIAN BAJO CIERTAS CONDICIONES
REPRESIBLES
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Regulación de la Regulación de la expresión de expresión de genes ocurre genes ocurre principalmente principalmente en la etapa de la en la etapa de la transcripcióntranscripción
15 de Enero 2008
Proteínas reguladoras de la transcripción
• Activadores: Ayudan a la RNA polimerasa a unirse con mayor fuerza al PROMOTOR
Aumento de la velocidad de síntesis de mRNA
• Represores: Impiden la transcripción por la RNA polimerasa
disminución de la velocidad de síntesis de mRNA
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Transcripción Basal
DNA
RNA
Promotor
RNA pol
ACTIVACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN
Transcripción activada
DNA
RNA
Promotor
RNA pol
ACTIVADOR
GEN
GEN
A
B
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Transcripción
DNA
RNA
Promotor
RNA pol
NO Transcripción
DNAPromotor
RNA pol
operador
represor
REPRESIÓN DE LA REPRESIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓNTRANSCRIPCIÓN
15 de Enero 2008
Estructura de un promotor en procariontes
Sitio de inicio de la transcripción
+1 +20-7-12-31-36
5’mRNA
TTGACAAACTGT
región -35
TATAATATATTA
región -10
RNA polimerasa
MODELO OPERÓN
Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli, de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias. Jacob y Monod recibieron en 1965 el Premio Nobel por estas investigaciones
Francois Jacob
Jacques Monod
Operón
• El ADN procariota se organiza en paquetes coherentes denominados OPERONES, en los cuales se encuentran los genes para funciones interrelacionadas.
• Un Operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por elementos de control o genes (promotor y operador) y genes reguladores
Operón
El promotor es la parte del ADN en donde se pega la ARN polimerasa antes de abrir el segmento de ADN a ser transcripto Un segmento del ADN que codifica para un polipéptido específico se conoce como un gen estructural.
Un Operón consiste en:
un operador: controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor
un promotor: donde la ARN polimerasa reconoce el sitio de inicio de la transcripción
un gen regulador: controla el tiempo y velocidad de transcripción de otros genes
un gen estructural: codifican las enzimas relacionadas o las proteínas estructurales
El gen regulador codifica para una proteína que se pega al operador, obstruyendo al promotor (y por lo tanto a la transcripción), del gen estructural.
Cuando se remueve la proteína represora, puede producirse la transcripción.
El operador y el promotor son sitios de unión sobre el ADN y no se trasncriben.
Los operones son
inducibles o
reprimibles,
de acuerdo al mecanismo de control
Operón lac
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¿Qué pasa en ausencia de lactosa...?
15 de Enero 2008
¿Y en presencia de lactosa...?
Operón lac. La transcripción es inducida por la eliminación del represor, generada a su vez por el inductor lactosa
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Nº
de c
élul
as/m
l
Act
Bet
a ga
lact
osid
asa
Tiempo (min)
Glucosa también regula la transcripción de los genes del metabolismo de lactosa
¿Qué sucede cuando las bacterias están en presencia de glucosa y lactosa?
Transcripción activada por la unión del complejo CRP-AMPc al promotor
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Operón triptofano
Enzimas de la biosíntesis del aminoácido triptofano
S1 S2 S3 S4 S5 TRIPTOFANOS1 S2 S3 S4 S5 TRIPTOFANO A B C D E
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Regulación de la transcripción del operón Regulación de la transcripción del operón triptofanotriptofano
Bacterias en medio sin triptofano
Bacterias en medio con triptofano
No transcripción
Operón triptófano. La transcripción es reprimida por la unión del represor
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Todas las células de nuestro cuerpo tienen los mismos genes, pero no producen las mismas
proteínasSEÑALES EXTERNAS
(NUTRIENTES, HORMONAS, ETC)
Activación o inactivación de genes
TIPOS CELULARES
T. óseo T. muscular neuronas
G. Rojos
Piel
colágeno
hemoglobina
miosina
queratina
Neurotrans-misores
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Posibles puntos de regulación de la expresión de genes en
eucariontes
Niveles de regulación de la expresión génica
ADN
Transcritos primarios de ADN
ARNm ARNm
ARNm inactivo
Proteína
Proteína inactiva
NÚCLEO CITOPLASMA
1. Control transcripcional
2. Control del procesamiento
del ARN
3. Control del transporte del
ARN
4. Control traduccional
6. Control de la actividad proteica
5. Control de la degradación de
los ARNm
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Regulación de la transcripción del gen de albúmina
ARN polimerasa
Gen de albuminaPromotor
Factores de transcripción basal
APFAPF
C/EBPHNF-1
-30pb+1-12.000pb
?
Enhancer Enhancer
+30.000
Regiones “Enhancers” en el ADN se unen a proteínas reguladoras de la transcripción
15 de Enero 2008
Proteínas reguladoras unidas a “enhancers” Proteínas reguladoras unidas a “enhancers” actúan a distancia induciendo la curvatura del actúan a distancia induciendo la curvatura del ADN, para permitir su acercamiento al ADN, para permitir su acercamiento al complejo promotor con la RNA polimerasacomplejo promotor con la RNA polimerasa.
15 de Enero 2008
Cómo se activa un gen en un tipo Cómo se activa un gen en un tipo
de célula y no en otro?de célula y no en otro?
En el esquema A, los genes de albúmina se expresan porque las células de hígado tienen los activadores necesarios para ese gen
En el esquema B, los genes de la proteína cristalino se expresan porque las células de cristalino tienen los activadores necesarios para ese gen
Núcleo de células hepáticas
Núcleo de células de cristalino
15 de Enero 2008
Regulación de los genes de globina en
humanos 22
2222
Relaciones entre el control positivo y negativo del operón lac
Ubicación de las secuencias promotoras en procariontes y eucariontes
Control transcripcional: conceptos básicos
• Promotor: Secuencia de nucleótidos del ADN en la que se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción
• Caja TATA: Secuencia unos 30 pares de bases arriba del sitio de inicio de la transcripción
• Elemento promotor ascendente (UPE): Secuencia de 8-12 pares de bases, a corta distancia arriba del sitio de unión para ARN polimerasa
• Elemento intensificador o facilitador: Secuencia a miles de bases del promotor que es capaz de aumentar la rapidez de la transcripción
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