2 regulación de expresión génica eucariotas (definitivo)
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Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Universidad de Carabobo Núcleo Aragua Facultad de Ciencias de la Salud
Escuela de Medicina Dr. Witremundo Torrealba Departamento de Bioquímica y Fisiología.
Docente:• Fabiola Sarcolira
Bachilleres:• Rincones Nixa• Trejo Javier• Trocel Naian• Valera Pierina
Regulación de la expresión génica
en células eucariotas
Abril 2015Abril, 2015
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
ContenidoOBJETIVO: Explicar las principales formas de regulación genética en los organismos eucariotas a. Control Pre-transcripcional. Remodelado de la cromatina,
acetilaciones y desacetilaciones. Metilaciones.
b. Control Transcripcional. Mediación de hormonas esteroides. Segundos mensajeros. Secuencias silenciadoras. Secuencias potenciadoras (enhancers).
c. Control Post-transcripcional. Procesamiento alternativo del ARNm. Regulación de la estabilidad del ARNm. Reagrupamiento y amplificación de genes. Edición o corrección del ARNm.
d. Control Traduccional. Mecanismos alternativos.
e. Control Post-Traduccional. Ubiquitinación. Proteosoma.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Expresión Génica
Proceso completo por el cual se decodifica la información codificada en un gen para formar una proteína.
Regulación de la expresión génica
Se le conoce a la regulación de la síntesis de macromoléculas, es decir, de proteínas que conforman un gen; de acuerdo a las necesidades de las células.
Procariotas• Control de la transcripción,
traduciéndose todo mensaje transcrito en proteínas.
• Responde al ambiente nutricional y físico.
Eucariotas• Esta al servicio de la
especialización celular.• Algunos genes no responden a
cambios fisiológicos.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
La cantidad de una determinada proteína puede regularse en
distintos niveles
Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-
Transcripcional
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-Transcripcional
Independientemente del estado de la maquinaria intrínseca de la transcripción (ARN polimerasa) y sus factores de transcripción; la disponibilidad del gen para ser transcrito depende de otros factores como son: estructura de la cromatina y grado de metilación del ADN
Control Epigenéti
co
Cromatina
ADNProteína
s Histonas
Proteínas No Histonas
Esquemas extraídos de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Cromatina
Eucromatina(Transcripcionalmente
Activa)
Heterocromatina(Transcripcionalmente
Inactiva)
Control Pre-Transcripcional
Estructura de la cromatina no permanente.
Remodelado de la Cromatin
a
Se ejerce fundamentalme
nte sobre la estructura del nucleosoma
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-Transcripcional
Modificación covalente de determinados residuos de aminoácidos de las histonas.
ACETILACION DESACETILACION Histonas
La acetilación disminuye la carga positiva de las
histonas y su interacción electrostática con el ADN.
Residuos de Lys
Esquemas extraídos de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-Transcripcional
Complejos enzimáticos encargados de acetilar/desacetilar las histonas
Acetiltransferasas de Histonas (HAT)
Desacetilasas de Histonas (HDAC)
HAT nucleares
HAT citosólicas
La acetilación del nucleosoma es crítica para la interacción del nucleosoma con
otras proteínas..
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-Transcripcional
Modificación covalente de grupos metilo en las bases.
METILACION
De los procesos de metilación se encarga una ADN metiltransferasa o metilasa.El proceso de desmetilación lo cataliza una desmetilasa que reconoce la secuencia CpGm
Residuos de Citosina del extremo 5´
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-Transcripcional
METILACION
Residuos de Citosina del extremo 5´
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.
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Control Pre-Transcripcional
CROMATINA HISTONA ADNNo condensada
(transcripcionalmente activa)
Acetilada No metilado
Condensada (transcripcionalment
e inactiva)
Desacetilada Metilado
<<El efecto final de la remodelación de la
cromatina consiste en aumentar la
accesibilidad y en marcar un segmento de la cromatina para facilitar la unión y la
actividad de los factores de
transcripción que regulan la expresión del gen o de genes
que allí se encuentran>>
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Pre-Transcripcional
ACTIVACIÓN TRANSCRIPCIONAL
- ADN Hipometilado - Histona Hiperacetilada
REPRESIÓN TRANSCRIPCIONAL
- ADN Hipermetilado - Histona Hipoacetilada
REMODELADO DE LA CROMATINA
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Transcripcional
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Transcripcional
Determina la frecuencia o velocidad de inicio de transcripción mediante la accesibilidad de los sitios de inicio, la disponibilidad de los factores de transcripción y la eficacia de los promotores.
Presencia de factores de
transcripción activos
Proteinas activadoras
Proteinas coactivadoras
Principal mecanismo de la regulación de la transcripción
Factores que lo estimulan:• Mediación de Hormonas
esteroideas.• Segundos mensajeros• Secuencias potenciadoras y
silenciadorasElementos cis-trans
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Control Transcripcional
MEDIACION DE HORMONAS ESTEROIDES
Interacción con receptores intracelulares.
No se unen a receptores de
membrana plasmática.
Interacción directa de señales moleculares con la modulación de proteínas reguladoras
La unión hormonal provoca
cambios en la conformación de la proteína
receptora.
El complejo hormona receptor puede tanto potenciar como suprimir la expresión de los genes adyacentes.
Esquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud.
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Control Transcripcional
Activación de genes tras
interacciones de hormonas
hidrofílicas con receptores de membrana.
SEGUNDOS MENSAJEROS
Son biomoléculas pequeñas e iones cuyas concentraciones cambian como respuesta a un estimulo y dan lugar a la transmisión de una señal hasta generar algún tipo de respuesta final.
AMPc Fosforilación de
proteína nuclear
Activación de
expresión de genes
Esquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud.
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Control Transcripcional
SECUENCIAS SILENCIADORAS Y POTENCIADORAS
La expresión de algunos genes sufre una regulación aun mas compleja, que depende de secuencias situadas a
gran distancia del punto de inicio.
Esto ocurre especialmente para los genes inducibles, aquellos que no expresan continuamente en la célula.
En general se les llama secuencias promotoras distales, por encontrarse alejadas del origen o también, de acuerdo con su función.
¿PROMOTOR?
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Estas secuencias promotoras son muy variadas y especificas para cada gen. De acuerdo a ello se clasifican
en dos tipos:
POTENCIADORES ( ENHANCERS): Pueden
aumentar mucho la velocidad de inicio de transcripción.
SILENCIADORES O INHIBIDORES (SILENCERS): Tienen el efecto
opuesto, factores de transcripción que se unen a ellos y compiten con la acción de los específicos de los
promotores potenciadores y proximales.
Control Transcripcional
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.
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Control Post-
Transcripcional
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
GENES EUCARIÓTICOS
Unidades de transcripción
sencillas
El transcrito primario sólo puede sufrir un procesamiento único
Unidades de transcripción complejas
A partir de un mismo transcrito primario se puedan formar
diferentes moléculas de ARNm
Dando lugar a varias proteínas relacionadas, pero diferentes
SEÑALES DE POLIADENILACIÓN
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
Splicing Alternativo
Regulación de la estabilidad del
ARNm
Reagrupamiento y amplificación de
genes
Edición o corrección del
ARNm
Esquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud..
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
El ARN mensajero primario es la transcripción literal de ADN a ARN.
SPLICING ALTERNATIVO
Es un proceso de edición post-transcripcional que se produce tras la obtención del ARNm primario.
Los ARNs de algunos genes tienen patrones de splicing,
cuando un solo gen da lugar a más de una secuencia.
En los genes de eucariotas no todo el ADN que se transcribe en el mensajero primario va a
ser traducido.
Distintas Isoformas
Intrones y Exones
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
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Control Post-Transcripcional
SPLICING ALTERNATIVO
Permite que en un mismo gen pueda estar codificada la información necesaria para sintetizar distintas proteínas.
Se obtienen varias secuencias de ARN mensajero maduro
dependiendo de cuáles sean los exones que se
combinen.
Mecanismo de Splicing Alternativo
Originar distintas isoformas
Funcionales de una misma
proteína.
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
REGULACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL ARNm
La regulación de la estabilidad de las moléculas de ARNm es otra variante que puede afectar a la cantidad de proteína sintetizada por
una célula.
La modificación de la duración de la vida de los mensajeros es un factor importante en la regulación de la expresión de algunos genes
Ciertas hormonas pueden afectar
dicha estabilidad
La estabilización de los mRNAs de oncogenes.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
REGULACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL ARNm
Regulación de la estabilidad de los mensajeros de Histonas: Fuera de las divisiones celulares, la duración de vida de los mensajeros de histonas es muy débil para poderse estimar. Durante la división, su duración de vida es de alrededor de 15 a 60 minutos.
Núcleo de histonas
Horquilla ARNm
Si la replicación del DNA está bloqueada por inhibidores, la duración de vida de los mensajeros de histona se derrumba
La delección de la horquilla en el extremo 3’ conlleva una estabilización de los mensajeros y su acoplamiento a un mensajero estable lo desestabiliza.
Esquemas extraídos de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
REGULACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL ARNm
Una región rica en AU en la porción 3' del mensajero pudiera ser la diana para la fijación de una proteína que pudiera provocar un acortamiento de la cola poli A.
Los mRNAs de las histonas no son poliadenilados, pero la estructura en horquilla que poseen en 3' pudiera interactuar con el ribosoma al cual se asocia una actividad 3' exonucleásica susceptible de destruir el RNA.
La cual juega un importante rol estabilizador en los
mensajeros.
En la región codificadora y en el extremo 5' no traducido también pueden existir estructuras y regiones que determinan la estabilidad de los mensajeros.
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
REAGRUPAMIENTO Y AMPLIFICACIÓN DE GENES
Aunque la organización del genoma es relativamente estable, existe una pequeña fracción del mismo que puede sufrir
cambios.
Estos procesos son mas comunes en las células eucariotas
inferiores que en las animales.
En las levaduras se producen translocaciones de copias de genes
desde posiciones silenciosas a posiciones activas.
Mediante el cambio del gen que se encuentra en la posición activa por
una copia de otro gen, se puede activar un gen y silenciar otro
Célula de levadura
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
REAGRUPAMIENTO Y AMPLIFICACIÓN DE GENES
En las células animales, la reorganización de secuencias génicas es un acontecimiento muy poco frecuente, con la excepción del sistema inmunitario.
En cada linfocito B tiene lugar una recombinación
somática en la que se selecciona una de las
diferentes secuencias de cada tipo
Reagrupamiento único de secuencias, originando la
síntesis de una inmunoglobulina
específica.
La organización de los genes o secuencias que codifican las inmunoglobulinas es diferente en los linfocitos B, que en las células germinales o en el resto de las
células somáticas del organismo. Molécula de Ig
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-TranscripcionalREAGRUPAMIENTO Y AMPLIFICACIÓN DE GENES
En las células animales también se ha observado el fenómeno de amplificación
de determinados genes.
Como respuesta a una presión exógena.
Las células en cultivo se hacen resistentes a
determinados inhibidores enzimáticos.
Amplificando el número de copias del gen que codifica la
enzima afectada por el inhibidor.• El metotrexato (inhibidor de
dihidrofolato reductasa, DHFR), induce la amplificación del gen de DHFR.
• El DFMO (un inhibidor de ornitina descarboxilasa, ODC), produce la amplificación del gen de ODC.
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
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Control Post-Transcripcional
EDICIÓN O CORRECIÓN DEL ARNm
Se ha comprobado que un mismo gen puede dar lugar a dos proteínas de diferente tamaño en tejidos diferentes, en función de un cambio en una sola base de la secuencia nucleotídica del ARNm.
La proteína sintetizada (apolipoproteína B-48) utilizando este ARNm modificado tiene un tamaño menor (2152 aminoácidos), pero una secuencia similar a la mitad N-terminal de la apolipoproteína B-100 hepática.
Un triplete interno del ARNm de la apolipoproteína B-100, que en el hígado da lugar a una cadena polipeptídica de 4536 residuos, es modificado enzimáticamente en el intestino, transformándose el triplete CAA , codificador de lisina, en un triplete de terminación (UAA),
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Transcripcional
EDICIÓN O CORRECIÓN DEL ARNmEsquema extraído de Lozano, Bioquímica y Biología
Molecular para Ciencias de la Salud..
Editado o corregido de ARNm. a) Determinadas bases de ciertas moléculas de ARNm son desaminadas enzimáticamente, con la consiguiente transformación en otras bases. b)Ejemplo del editado del ARNm de la apolipoproteina B.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
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Control Traduccional
Existen genes que se regulan tanto en
las etapas de transcripción como
de traducción, estando implicada esta última en el ajuste preciso en
los niveles de proteínas celulares
1• Fosforilación de factores de inicio de la
traducción.
2• Unión de proteínas represoras al ARNm.
3• Impedimento en interacción entre eIF4E y
eIF4G.
4• Regulación de expresión génica dirigida
por ARN.
Modulación de la frecuencia de la traducción celular en respuesta a las necesidades bajo diferentes condiciones
ambientales.
Iniciación, etapa
limitante.
Complejo de preiniciación.
Estructuras secundarias
en ARNm
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
FOSFORILACIÓN DE FACTORES DE INICIO DE LA TRADUCCIÓNForma fosforilada es menos activa y causa
depresión general en la traducción celular.Ej. Síntesis de Hb.
Velocidad de traducción ARNm
- [Hemo].
Interfiere en reutilización de
eIF-2
Activación de “Inhibidor
Controlado por Hemo”.
No se añade Met inicial.
Afecta a traducción de
todos los ARNms de la célula.
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
Proteína específica + 5´-ARNm = Represión de traducción
UNIÓN DE PROTEÍNAS REPRESORAS AL ARNm.
Fe = Núcleo Fe – S
Sin interacción con ARNm
Proteínas Reguladoras
de Hierro (IRP) + 5´ ARNMm
Fe = elevada afinidad por Horquilla – ARNm IRE
EJ. Ferritin
a
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
Proteína específica + 3´-ARNm = Protección ARNm – vida media ARNm
UNIÓN DE PROTEÍNAS REPRESORAS AL ARNm.
Fe = IRP + ARNm
Motivos IRE 5´Síntesis.
Protección frente a
degradación
Ej. Receptor de
Transferrina
Fe = IRP inactiva ante
ARNmMotivos IRE 5
´Síntesis.
Degradación ARNm Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e
Ingeniería Genética .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
IMPEDIMENTO EN INTERACCIÓN ENTRE eIF4E - eIF4G.
Impedimento o disminución de traducción. Represores de traducción.
Crecimiento celular lento = limitación de
traducción
Crecimiento celular aumenta =
inactivación de proteínas unión.
Complejo de iniciación.
Subunidad ribosómica 40S
Región 3´no traducida (3´UTR)
Gen
Casquete 5´
Cola de Poli (A) 3
´
Subunidad ribosómica 40S
Proteína de unión a Poli (A)
3´
Casquete 5´
Región 3´no traducida (3´UTR)
Esquemas extraídos de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
REGULACIÓN DE EXPRESIÓN GÉNICA DIRIGIDA POR ARN.
Ej. Reticulocito
s.
eIF2 se une al ARNt-Met
Ribosoma (P).
eIF2 reciclado por eIF2B.
Destrucción de núcleo celular =
Hb.
ARNm citoplasma (antes de pérdida
nuclear) = Reposición de Hb.
Fe traducción de ARNm globina se reprime.
HCR (Represor controlado por
Hemina) – Proteína quinasa.
eIF2 inestable,
no participa en
traducción.
Interacción del ARN bajo ciertas condiciones interrumpe/reprime la traducción.
Eritrocito Reticulocitos.Esquema extraído de The Medical
Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Traduccional
REGULACIÓN DE EXPRESIÓN GÉNICA DIRIGIDA POR ARN.Silenciamiento de genes por interferencia de
ARN ARN-micro
Interacción con ARNm = silenciamiento
genes.
Control del desarrollo temporal.
ARNst (pequeños
temporales).
Corte de precursores del
ARNmi por endonucleasas.
(RISC).
Unión a ARNm diana.
Complementariedad Parcial o Casi
Perfecta.
Precursor
ARN Dúplex
ARNm silenciado
Degradación
Inhibición de la traducción Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica
5ª Edición
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post -
Traduccional
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Traduccional
VÍA UBIQUITINA - PROTEOSOMA
Procesos degradativos de
proteínas.
Control de las modificaciones post traduccionales que sufren las
proteínas.
Sin intervención
de lisosomas.
UBIQUITINA
Señalización
PROTEOSOMA
Degradador
CICLO DE LA UBIQUITINA Y DEGRADACIÓN PROTEICA
DESCONJUGACIÓN
CONJUGACIÓN
DEGRADACIÓN
Esquema extraído de The Medical Biochemistry .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Traduccional
UBIQUITINA (Globular – Rígida – Estable)
UBIQUITINA
UBIQUITINA
UBIQUITINA
Proteína Diana
Proteína Diana
La repetición del ciclo conduce a la fijación de más
ubiquitina
Ubicua
Citoplasma
Núcleo
Marcador Selectivo
de Degradació
n
Reacción en
cascada
3 Enzimas
E2Conjugadora de Ubiquitina
E3Ubiquitina
Ligasa
E1Activadora
de Ubiquitina
Enlace Isopeptídico = Beso de la Muerte
Señales:- Residuos
Amino terminal
- Secuencias PEST
(Pro,Glu,Ser,Thr)
Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Traduccional
UBIQUITINA
Desubiquitinasas Hidrólisis enlace Gly
- Lys
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Traduccional
PROTEOSOMA (Complejo Proteico – Proteososma 26S)
Enlace Isopeptídico = Beso de la Muerte
Proteína Sustrato
La Poliubiquitina unida a la proteína interacciona con el proteasomaPartícula
Reguladora 19S
Proteasoma CompletoPartícula Núcleo 20S
PROTEASOMA 20S -Cilíndrica-28 Subunidades -Núcleo Catalítico
COMPLEJO 19S -17 – 20 Subunidades-Partícula Reguladora-Actividad ATPasa-Reconoce Conjugados Proteína -Poliubiquitina
Isopeptidasa - desnaturaliza
-Subunidades: α y β(centro activo) -Proteólisis Secuenciales
Esquema extraído de Lehninger de Bioquímica 5ª Edición.
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
Control Post-Traduccional
PROTEOSOMA
Control del ciclo celular, metabolismo, procesamiento de información genética y colaboración con enzimas
proteolíticas.
Esquema extraído de Luque, Biología Molecular e Ingeniería Genética .
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
- David L. Nelson, M. M. (2007). Lehninger - Principios de Bioquímica,
5ta Edición. New York, Basingstoke: Omega
- Thomas M. Devlin. Bioquímica: Libro de texto con aplicaciones
clínicas. 4ª Ed . Editorial Reverté, S.A. 2004.
- Lozano, J.A., Galindo J.D., Garcia-Borron, J.C., Garcia-Liarte, Penafiel,
R. y Solano, F. Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la
Salud. Mc Graw–Hill-Interamericana. 2005.
- Luque, J., Herráez, A. Biología Molecular e Ingeniería Genética.
Editorial Harcout. 2001.- King, M. W. (02/2015). The medical biochemistrypage. Recuperado
el 20 de 02 de 2015, de themedicalbiochemistrypage.org
BIBLIOGRAFÍA
Regulación de la expresión génica en células eucariotas
!Muchas Gracias por su atención¡