Biologia Celular - Clase 14

Control de la Expresión Génica

Control de la Transcripción en Procariontes: Operones

Un grupo de genes bacterianos transcritos a partir de un mismo promotor. Cada uno de los cinco genes codifica una enzima diferente; todas ellas son necesarias para sintetizar el aminoácido triptófano. Se transcriben como una sola molécula de mRNA, lo cual permite coordinar su regulación. Los grupos de genes que se transcriben a partir de un sólo promotor son habituales en bacterias. Cada uno de estos grupos se llama Operón. Dentro del promotor está el operador, una secuencia que regula la expresión de los genes del operón

Encendidio y Apagado de los Genes del Operón Triptófano (trp) promotor

operador

inicio de transcripción

triptófano represor inactivo RNA polimerasa represor activo

GENES ENCENDIDIOS

GENES APAGADOS

Cuando el nivel intracelular de triptófano (trp) es bajo, la RNA polimerasa se une al promotor y transcribe los cinco genes del operón trp. Cuando el nivel de trp es alto, el represor de triptófano es activado para unirse al operador, donde bloquea la unión de la RNA polimerasa al promotor.

Mecanismos de Control de Expresión de Genes en Procariontes REGULACIÓN NEGATIVA el represor unido previene la transcripción proteína represora unida

REGULACIÓN POSITIVA el activador unido promueve la transcripción proteína activadora unida

RNA polimerasa

GEN APAGADO

GEN ENCENDIDO

EL LIGANDO SE UNE PARA REMOVER LA PROTEÍNA REGULATORIA DEL DNA LA ADICIÓN DE LIGANDO ENCIENDE LA EXPRESIÓN DEL GEN REMOVIENDO LA PROTEÍNA REPRESORA

EL LIGANDO SE UNE PARA PERMITIR LA UNIÓN DE LA PROTEÍNA REGULATORIA AL DNA

LA ADICIÓN DE LIGANDO APAGA LA EXPRESIÓN DEL GEN REMOVIENDO LA PROTEÍNA ACTIVADORA

GEN APAGADO

LA REMOCIÓN DEL LIGANDO ENCIENDE LA EXPRESIÓN DEL GEN REMOVIENDO LA PROTEÍNA REPRESORA

GEN ENCENDIDO

represor inactivo LA REMOCIÓN DEL LIGANDO APAGA LA EXPRESIÓN DEL GEN REMOVIENDO LA PROTEÍNA ACTIVADORA

El Operón lac

Gen Regulador

Promotor Operador

Gen Z

Gen Y

Gen A

Enzimas de metabolización de lactosa

Represor lac

Sin Lactosa

La RNA polimerasa no se puede unir, la transcripción se bloquea represor unido al operador

El Operón lac:

Transcripción inducida por la remoción de un represor represor activo

Con Lactosa La lactosa induce transcripción uniéndose al represor, el cual no se puede unir al operador

RNA polimerasa se une

inductor (lactosa) inductor unido al represor

Transcripción procede

mRNA Transcrito

Baja Glucosa complejo CAP-cAMP (activador)

El Operón lac:

cAMP

Transcripción activada por la unión de CAP al promotor

CAP La RNA polimerasa se une al complejo del promotor

Transcripción procede

mRNA transcrito

Alta Glucosa La RNA polimerasa no se puede unir

CAP = catabolite activator protein Permite a las bacterias utilizar otras fuentes de carbono cuando la glucosa es escasa. ÈGlucosa Î ÇcAMP

Los genes no son transcritos

INICIO DE TRANSCRIPCIÓN SITIO DE UNIÓN DE PROMOTOR CAP

Control Dual del Operón lac

OPERÓN APAGADO porque no se une CAP

OPERÓN APAGADO porque no se une CAP y se une el represor lac OPERÓN APAGADO porque se une el represor lac

OPERÓN ENCENDIDO

Los niveles de glucosa y lactosa controlan la transcripción desde el operón lac mediante sus efectos sobre la proteína represora lac y CAP. La lactosa se une al represor y la remueve del DNA. LA adición de glucosa disminuye la concentración de cAMP y, como éste ya no une CAP, esta proteína activadora se disocia del DNA, apagando la expresión. LacZ, el primer gen del operón lac, codifica para b-galactosidasa, que hidroliza lactosa a galactosa y glucosa.

Control Transcripcional en Eucariontes: Diferencias con Procariontes • RNA polimerasas de eucariontes requieren de factores generales de transcripción, que se ensamblan en el promotor antes del inicio de transcripción. Este proceso de ensamblaje puede ser regulada por diferentes factores. En procariontes, la RNA polimerasa puede iniciar la transcripción por sí sola. • La mayoría de las proteínas regulatorias de eucariontes actúan a distancia, es decir, uniéndose al DNA miles de nucleótidos río arriba del gen cuya expresión regulan. Por esto, un promotor es susceptible de ser regulado por una gran cantidad de elementos regulatorios esparcidos por el cromosoma. Estas son las secuencias enhancer (exacerbadoras o incrementadoras). Este fenómeno también ocurre en procariontes, pero constituye una excepción. ESTRUCTURA DE UN GEN DE EUCARIONTE secuencias regulatorias

DNA espaciador

promotor

región transcrita

Factores Generales de Transcripción

Ensamblaje de los factores generales de transcripción requeridos para la iniciación de transcripción por la RNA polimerasa II. Primero TFIID se une a la caja TATA (~25 en eucariontes). TFIIB se une a este complejo, seguido por la RNA polimerasa II, escoltada por TFIIF. Luego TFIIE y TFIIH se ensamblan sobre el complejo. En presencia de ATP, TFIIH fosforila a la RNA polimerasa II, lo cual libera a la polimerasa de este complejo, para que pueda iniciar la síntesis de RNA. Las otras dos RNA polimerasas, I y III, requieren de otros factores generales de transcripción y no dependen de una caja TATA.

Activación Génica a Distancia Los factores generales de transcripción y la RNA polimerasa no se ensamblan eficientemente por sí solos en el promotor. Es necesaria la unión de una proteína regulatoria a un incrementador, a una distancia de hasta decenas de miles de pares de nucleótidos del inicio de transcripción

Activación Génica en Procariontes y Eucariontes

Secuencias Regulatorias en un Gen Eucariótico Típico

Los factores generales de transcripción y la RNA polimerasa II se ensamblan sobre el promotor. La característica más importante de los promotores de los genes transcritos por la RNA polimerasa II es la presencia de la Caja TATA, que actúa como punto de inicio del ensamblaje de los factores generales de transcripción. El punto en que la RNA polimerasa II inicia la transcripción se encuentra generalmente 25 pares de nucleótidos en dirección 3’ de la caja TATA. Las secuencias regulatorias génicas actúan como lugares de unión de las proteínas regulatorias cuya presencia en el DNA afecta la velocidad a la que se trasncriben los genes.

Muchas Proteínas Activadoras de Transcripción Aceleran el Ensamblaje de los Factores Generales de Transcripción La mayoría de las proteínas activadoras poseen un dominio de unión al DNA y otro que se une a la maquinaria de transcripción y acelera la velocidad de iniciación de transcripción (dominio de activación). Ejemplo: La proteína GAL4, unida al DNA río arriba del gen, facilita la unión de TFIID al complejo de factores generales de transcripción. Las proteínas activadores de transcripción incrementan la tasa de transcripción típicamente en hasta 1000 veces.

Modo de Acción de las Proteínas Represoras de Genes de Eucariontes

Unión competitiva al DNA

enmascaramiento de la superficie de activación

interacción directa con factores generales de transcripción

proteínas activadoras y represoras compiten por la unión a la misma secuencia regulatoria

el represor se une al dominio de activación del activador, evitando la unión de la última a la maquinaria de transcripción

el represor actúa sobre una etapa temprana del ensamblaje de los factores generales de transcripción, bloqueando la continuación del ensamblaje

Como una Proteína Regulatoria es Controlada en Eucariontes SINTESIS PROTEICA

ADICION DE UNION DE FOSFORILACION SEGUNDA DE PROTEINAS SUBUNIDAD LIGANDO

DESENMASCARAMIENTO

ESTIMULACION DE ENTRADA AL NUCLEO

INACTIVA

ACTIVA

A)

la proteína es sintetizada sólo cuando se requiere y se degrada rápidamente para evitar su acumulación

B)

activación por unión de ligando

C)

activación por fosforilación (PROTEINAQUINASAS)

D)

formación de un complejo entre una proteína de unión a DNA y otra proteína con un dominio de activación transcripcional

E)

desenmascaramiento de un dominio de activación por la fosforilación de una proteína inhibidora

F)

estimulación de la entrada al núcleo por la remoción de una proteína inhibidora que de otra manera mantiene a la proteína regulatoria fuera del núcleo.

Imprinting • La mayoría de los genes son expresados en igual proporción desde ambos alelos (paternos y maternos) • Imprinting genómico es la “marca o sello” de un gen basado en su origen parental, lo que resulta en una expresión de un solo alelo. • Imprinting genómico involucra: 1.- Metilaciones de dominios ricos en CpG. 2.- Remodelamiento de cromatina. 3.- RNA antisentidos

Genes silenciados por Imprinting • Existen Aproximadamente 100-200 genes. • Involucrados en muchos aspectos del desarrollo: – Crecimiento fetal y de placenta – Proliferación celular – Desarrollo del cerebro – Comportamientos en el adulto

Prader-Willi syndrome

Angelman syndrome

Remodelación de nucleosoma

Colas de las Histonas son modificadas

RNA antisentido (Factor de Crecimiento tipo Insulina)

Igf2r mRNA Alelo materno

Alelo paterno

Air RNA

RESUMEN • La transcripción de genes individuales es encendida o apagada por la acción de proteínas regulatorias. • En procariontes, estas proteínas se unen normalmente a secuencias regulatorias en el DNA cercanas al sitio de inicio de la transcripción y actúan, ya sea activando o reprimiendo la expresión. • En eucariontes lo más común es que estas proteínas regulatorias se unan al DNA a distancias muy lejanas del inicio de transcripción • Aunque la RNA polimerasa de procariontes puede iniciar la transcripción por sí sola, las RNA polimerasas de eucariontes requieren del ensamblaje de factores generales de trasncripción sobre el promotor. • Mientras la transcripción de un típico gen de procarionte requiere de la unión de una o dos proteínas regulatorias, la de un gen de eucarionte es mucho más compleja y puede requerir de una serie de proteínas regulatorias.