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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
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
Objetivosparticulares
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. Reconocerá la importancia de los eventos epigenéticos en determinar la expresión génica y el fenotipo. X
2.2. Comprenderá los procesos de acetilación/desacetilación de histonas como eventos que modifican la estructura de la cromatina y la expresión génica.
X
2.3. Conocerá los efectos de la metilación del DNA sobre la expresión génica. X
2.4. Conocerá las características de los factores de transcripción y su papel en la regulación de la expresión genética.
X
ObjetivosparticularesEl alumno... Conoci-
miento Compren-
sión Aplica-
ción
3. Regulación del ciclo celular y cáncer.
3.1. Reconocerá al ciclo celular como un proceso en el que participan diversos mecanismos regulatorios. X
3.2. Comprenderá la función de ciclinas y cinasas dependientes de ciclinas en la regulación de las diferentes fases del ciclo y las transiciones entre fases.
X
3.3. Comprenderá las diferentes formas en que se controla la actividad de los complejos ciclinas-cinasas en las diferentes fases del ciclo celular: fosforilación, localización, transporte, degradación.
X
3.4. Distinguirá las diferentes subfases de la mitosis y la función de ciclinas, cinasas, fosfatasas y proteasas en su regulación.
X
3.5. Describirá el mecanismo molecular por el que las células transforman la percepción de un medio ambiente propicio en uno de promoción de la proliferación, ingresando así a la fase G1.
X
3.6. Comprenderá el mecanismo molecular del punto de control (checkpoint) de la fase G1/S mediado por la vía de retinoblastoma
X
3.7. Comprenderá la transición metafase/anafase como uno de los puntos críticos requeridos para la salida de mitosis. X
1. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA
EN PROCARIOTES
Regulación de la expresión de los genes
DIFERENTES NIVELES DE 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
Es necesaria para controlar la actividad de las enzimas o de las proteínas en general, en momentos precisos de la vida de la célula
Transcripción
DNA
mRNA PROTEÍNA Traducción
Regulación a nivel de:
• Transcripción
• Traducción
A nivel de la cantidad de proteína en una célula (síntesis)
Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos
mecanismos
Regulación transcripcional
Aumenta el número de transcritos
Aumento en la cantidad de proteína
A B B B B B B B B
B B B B B B B B
Regulación traduccional
Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos
mecanismos
Mismo número de transcritos
Aumento en la cantidad de proteína
Regulación de la expresión genética a nivel trascripcional
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”
(se transcribe menos o no se transcribe)
El modelo del Operón lac
F. Jacob J. Monod A. Lwoff
Jacob F.; Monod J (June 1961). "Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins". J Mol Biol. 3 (3): 318–56. doi:10.1016/S0022-2836(61)80072-7
Estudios en E. coli
Premio Nobel de Fisiologia o Medicina,
1965
La β galactosidasa también convierte parte de la lactosa en alolactosa
La lactosa es hidrolizada por la β-galactosidasa para generar glucosa y galactosa
Alolactosa
La β-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 β-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
Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que
obedece a las mismas señales de encendido o apagado.
E: genes estructurales que codifican enzimas 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
DNA RNA polimerasa
El operón de lactosa tiene tres genes estrucutrales LacZ, LacY y LacA y un gen
regulador LacI.
Galactosidasa Permeasa Transacetilasa
Para ello, el represor se une al sito operador previniendo la transcripción de los genes z, y, a
Cuando NO hay lactosa en el medio, las enzimas que metabolizan la lactosa NO son necesarias por lo que el operón lac
está apagado
Cuando hay lactosa en el medio, las enzimas que metabolizan la lactosa son necesarias por lo que el operón lac se
transcribe
Entonces, el complejo represor-inductor NO se une al sito operador permitiendo la transcripción de los genes z, y, a
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 β-galactosidasa en la célula
La lactosa es convertida a alolactosa por la β galactosidasa. La alolactosa
es el inductor del operón lac.
El operador actúa en cis regulando los genes adyacentes a éste
El gen regulador LacI actúa en trans produciendo un producto difusible.
No necesita estar al lado del operador para regularlo.
Los trabajos de Jacob y Monod con mutantes en genes del operón lac permitieron definir los
conceptos regulatorios en cis y en trans
La activación del operón lac requiere, además de que el represor se despegue del operador, la
participación de un activador: CRP o CAP cAMP receptor protein (CRP) o Catabolite Activator
Protein (CAP). Proteína que une AMP cíclico (cAMP).
Si los niveles de glucosa son altos, hay poco cAMP.
Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho cAMP.
Este activador regula la expresión del operón lac 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.
Incrementa la transcripción 50 veces
El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa facilitando la unión de la RNA polimerasa al promotor
RNApol
Se transcribe a niveles muy bajos (basales)
¿Cómo se regula el operón lac cuando hay glucosa en el medio?
Represor
+ glucosa – lactosa
Regulación Negativa: la expresión de genes disminuye por la unión del represor
Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, hay una transcripción muy baja y muy poca β galactosidasa
+ glucosa + lactosa
Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo.
¿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.
La transcripción es alta
Activador
¿Qué le pasa al operón lac cuando solo hay lactosa en el medio y no
hay glucosa? - glucosa + lactosa
Regulación positiva: la expresión de genes aumenta por la unión del activador
Cuando hay lactosa y la glucosa es baja, los niveles de cAMP son altos. El complejo CRP cAMP se une al DNA y la transcripción del
operón lac aumenta mucho.
- glucosa - lactosa
¡No hay transcripción!
¿Qué le pasa al operón lac cuando no hay glucosa ni tampoco lactosa?
RNApol
Aunque los niveles de cAMP sean altos y se forme el complejo CRP-cAMP, el
represor esta bloqueando a la RNA pol.
Regulación negativa Enpresenciadeglucosayausenciadelactosa
La unión del represor disminuye la expresión de los genes
Regulación positiva
[glucosa]
[AMPc]
+ lactosa
La unión del activador aumenta la expresión de los
genes
Represión por
catabolito
CAP= Catabolite activator protein
Activación del operón lac
Muchas bacterias prefieren primero consumir glucosa que otro azúcar
(Elección del mejor azúcar a metabolizar)
Secuencias regulatorias en el operón lac
Sitio donde se une CAP
Sitio Operador
• Operón lac, operón inducible, la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa) induce la transcripción de los genes estructurales.
• Operón lac también se encuentra bajo control positivo. Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible (represión catabólica). Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de cAMP, el cual tiene influencia en la activación del operón lac.
• El cAMP actúa uniéndose a CAP (proteína activadora por catabolito) o CRP. Cuando la concentración de este complejo es alta (poca glucosa), el CAP-cAMP se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora por la RNA polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón.
• 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 triptófano Este 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 en presencia de lactosa.
Operón reprimible, se expresa en ausencia de triptófano.
La lactosa es el inductor
El triptófano es el co-represor
El represor se sintetiza en forma activa uniéndose a su DNA blanco (operador lac).
El represor se sintetiza en forma inactiva, se une a su DNA blanco en presencia del co-represor (trp).
Las enzimas codificadas por los genes de este operón participan en un vía catabólica
Las enzimas codificadas por los genes de este operón participan en 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