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Universidad Nacional
Autónoma de México
Curso Genética y Biología Molecular (1630)
Licenciatura
Químico Farmacéutico Biológico
Facultad de Química
Dra. Herminia Loza Tavera
Profesora Titular de Carrera
Departamento de Bioquímica
Lab 105, Edif E
5622-5280
VIII. 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
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
PROTEINA
Traducción
Regulación a nivel de:
• Transcripción
• Traducción
Los genes se expresan con diferente eficiencia
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
POR LO TANTO, PARA QUE HAYA REGULACIÓN DE LOS GENES TIENE QUE HABER REGULACIÓN
POSITIVA Y NEGATIVA
GENE CON
Regulación positiva (+)
El gene “se enciende”
(se transcribe o se
transcribe más)
GENE CON
Regulación negativa (-)
El gene “se apaga”
(no se transcribe o se
transcribe menos)
P: promotor de los genes estructurales E1 ... 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)
Regulación en bacteria
Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.
El modelo del Operon LAC
F. Jacob J. Monod A. Lwoff
Expresión inducible
El Operon lac funciona para la utilización de lactosa
como fuente de carbono
Genes estructurales
Gen regulador
También convierte parte de la lactosa en alolactosa
La -galactosidasa hidroliza a la lactosa para generar glucosa y galactosa
La -galactosidasa se encuentra en niveles muy bajos si no hay lactosa en el medio.
Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste.
Los operones están formados por genes estructurales y una región de control
Galactosidasa Permeasa Transacetilasa
El Operon lac funciona para la utilización de lactosa
como fuente de carbono
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los genes
z, y, a
El inductor se une al
represor y entonces éste
ya no se une al DNA
Galactosidasa Permeasa Transacetilasa
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los genes
z, y, a
Normalmente, hay una expresión baja del operón lac
lo que permite que haya un poco de galactosidasa
en la célula
La lactosa es convertida a alolactosa
por la galactosidasa. La alolactosa
es el inductor.
Aún en ausencia del represor, el promotor del operón lac no es muy fuerte por lo que requiere
la actividad de otra proteína: 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
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
RNA polimerasa
No se transcribe
Represor
¿Cómo se regula el operón lac cuando hay
glucosa en el medio? + glucosa– lactosa
Regulación
negativa
Regulación del operón de lactosa.
Regulación Negativa. Represor
Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay 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 (transcripción
basal).
¿Qué le pasa al operón lac en
presencia de lactosa aún cuando
exista glucosa?
RNA polimerasa
inductor (lactosa)
La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar
Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos. La síntesis del mRNA lac es pobre.
Regulación positiva
- glucosa+ lactosa
La transcripción es alta
Activador
¿Qué pasa al operón lac cuando hay lactosa en el medio y no hay glucosa?
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!
En ausencia de lactosa
Aunque el activador esté presente....
RNA polimerasa
Modelo de la regulación negativa
Modelo de la 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
El operador actúa en cis y regula a los genes que
están ligados al lado de éste
El gen I actúa en trans
La proteína codificada por el gen I actúa reconociendo al operador, 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
El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es deciraquel en el cual la presencia de una sustancia específica (eneste caso la lactosa) induce la transcripción de los genesestructurales.
El operón lac también se encuentra bajo control positivo.Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza estemonosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbonodisponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en elmedio, mayor es la concentración de AMPc, el cual tieneinfluencia en la activación del operón lac.
El AMPc actúa uniéndose a una proteína fijadora de AMPcdenominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuandola concentración de este complejo es alta (poca glucosa), elCAP-AMPc se fija a un sitio específico del promotor lac,aumentando la afinidad de la región promotora para la RNApolimerasa, 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.
El Operón Trp
– Triptofano
De manera normal, E. coli está expresando su operón Trp. En este caso el represon codificado por el gen regulador, es inactivo.
Regulación negativa
Complejo Represor-Corepresor
+ Triptofano
¿Qué ocurre cuando hay triptofanoen el medio?
El triptofano (corepresor) se une al represor, activándolo. Éste ahora se puede unir al operador impidiendo la transcripción del operón trp.
Operón de triptofano
Este operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la biosíntesis de triptofano. Bajo control del promotor (Ptrp) y del operador (Otrp)
El represor se une a triptofano y este complejo se une al operador reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.
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. Actúa solo.
El represor se sintetiza en formainactiva. Actúa en presencia delco-represor.
Sus enzimas participan en un víacatabólica
Sus enzimas participan en unavía anabólica
Comparación entre Operón Lac y Operón Trp
Regulación de la expresión
genética a nivel traduccional)
Atenuación del operón Trp
Mecanismo de atenuación
Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón
+ triptofano tRNA-Trp El ribosoma NO se detiene
Se basa en la existencia de secuencias invertidas repetidas en el mRNA capaces de formar tallos-asa que pueden pausar la traducción.
En presencia de trp hay mucho tRNAtrp
por lo que la traducción es rápida, esto hace que se forme un pasador en la región 3-4 que bloquea la transcripción.
Ocurre la transcripción y traducción del resto del operón
Mecanismo de atenuación
– triptofano 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 1-2 que permite que la transcripción del resto del operón continúe.
En el operón de triptofano 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.
Regulación por posición del gen en el
operón
Traducción mas eficiente Traducción menos eficiente
Regulación por Shine-Dalgarno
Traducción mas eficiente
Traducción menos eficiente