Regulación de la Expresión Génica: Mecanismos y Control en Procariotas y Eucariotas

Regulación de la Expresión Génica

Operones

Los genes relacionados se agrupan en operones en el cromosoma y se transcriben a partir de un único promotor. Los operones son comunes en procariotas.

Constituyentes de los Operones

* Secuencias de codificación de los genes * Secuencias de DNA reguladoras: Sitios donde se unen las proteínas reguladoras (sintetizadas por genes reguladores, que generalmente no están en el operón). Funcionan a partir de una molécula pequeña que se une a la proteína, cambia su forma y altera su capacidad de unión al DNA. * Promotores: Sitios donde se une la RNA polimerasa. * Operadores: Sitios donde se unen los represores, reduciendo la transcripción. * Sitio DNA: Sitios donde se unen los activadores, aumentando la transcripción.

Operón Trp - Reprimible

Se apaga por el correpresor (triptófano). Codifica las enzimas para la síntesis del triptófano. Cuando el represor trp se une al operador, evita que la RNA polimerasa se una y el operón no se transcribe. Solo se une cuando hay Trp en el medio (correpresor). El represor Trp está codificado por el gen trpR, que no es parte del operón.

Operón Lac - Inducible

Se enciende por el inductor (alolactosa, isómero de la lactosa); se une al represor lac para evitar su unión al DNA. Codifica las enzimas para el metabolismo de la lactosa.

* Gen lacZ: Codifica la β-galactosidasa que divide la lactosa en glucosa y galactosa. * Gen lacY: Codifica la lactosa permeasa que permite que la célula importe lactosa. * Gen lacA: Codifica la transacetilasa que añade grupos a moléculas objetivo.

Represor Lac

Sensor de la lactosa. Codificado por el gen lacI, que no es parte del operón, aunque se encuentra cerca y se transcribe continuamente.

CAP

Sensor de la glucosa. Codificado lejos del operón y de manera constante. Su actividad es regulada por el AMPc (sintetizado cuando hay poca glucosa). El AMPc se une a CAP y promueve altos niveles de transcripción. El operón lac se expresará:

* Glucosa no disponible: El AMPc se une a CAP y este al DNA. Promueve que la RNA polimerasa se ensamble con el promotor. * Lactosa disponible: El represor lac se libera del operador por unión de la alolactosa. Promueve que la RNA polimerasa transcriba el operón.

Si la glucosa y la lactosa están presentes, se da la transcripción del operón a un nivel bajo (no hay mucho AMPc).

Regulación de la Expresión Génica en Eucariotas

Introducción

La regulación génica explica las diferencias en la forma y función entre diferentes especies con secuencias de genes relativamente similares.

En los organismos, tiene como finalidad ejecutar decisiones de desarrollo precisas para expresar los genes apropiados en las células apropiadas durante la diferenciación y el desarrollo. El patrón de la expresión génica lo determina el interior de la célula (DNA, proteínas de las células madre y ATP) y el exterior (señales y nivel de nutrientes).

Etapas de Regulación

* Accesibilidad de la cromatina * Transcripción: Activadores y represores * Procesamiento del RNA: Adición del 5' CAP y la cola poli-A, y salida del núcleo * Estabilidad del RNA: Tiempo de vida del RNA * Traducción: Reguladores * Actividad de la proteína: Modificaciones

Regulación Transcripcional

Los factores de transcripción deben tener acceso al promotor del gen para iniciar la transcripción. La cromatina debe estar relajada y permisiva.

Epigenética

Estudio de los cambios heredables en la expresión de los genes, que no pueden atribuirse a cambios en la secuencia del DNA.

Metilación del DNA

Unión covalente de -CH3 en 5-citosina. Silenciamiento génico. Genera estabilidad. Desplaza la unión habitual de los factores al DNA, atrae SBB a citosinas metiladas.

Las citosinas suelen ir seguidas de guaninas (dinucleótidos CpG). Esta metilación se hereda por replicación o metilación durante la replicación.

Funciones Habituales de la Metilación

* Inactivación del cromosoma X * Defensa contra virus y parásitos * Remodelación de la cromatina

Cáncer

* Hipometilación: Inestabilidad y activación de oncogenes * Hipermetilación: En un gen supresor de tumores

Modificación de las Histonas

Modificaciones postraduccionales. Las señales relajan el nucleosoma (expresión) o lo condensan (silencian).

* Acetilación en Lys (acetil transferasas ↑, desacetilasas ↓) * Metilación en Lys o Glu de AN (metil transferasas ↑, demetilasas ↓) * Fosforilación de Ser, Thr, Tyr (proteína-kinasas ↑, proteína-fosfatasas ↓)

Remodelado de Cromatina

Requieren ATP y pueden regularse para relajarla o condensarla.

Transcripción

Cuanto más se transcribe un gen, más se produce. Lo determina el grado de enrollado y los factores que determinan qué genes están activos en cada célula.

Regiones de Control

* Promotor: Se ensambla el complejo de preiniciación con los TF. Desde -40 a +40. * Caja TATA: TATAANAA. Marca el inicio de la transcripción. * Secuencia iniciadora Inr: Entre -3 y +5. NYYAN(TA)YYoYYCAYYYYY. Transcribe la 1ª A. * Secuencia BRE: Orientación de la transcripción mediante TFIIB. Cerca de TATA. * Secuencias DPE y MTE: Zona codificante. Aparecen cuando no hay caja TATA.

Secuencias de DNA Reguladoras

* Elementos proximales: Desde -200 a -30. Determinan la frecuencia de inicio. * Caja CAAT, Caja GC: Permiten expresión constante pero baja. Frecuentes sin TATA., SDE * Elementos distales: Aparecen en genes inducibles. Desde -1 a -5 kbp. Funcionan independientemente de su orientación y están en tándem. * Silenciadores: No transcriben el gen sin cambiar el grado de compactación. * Potenciadores: Aumentan la velocidad de transcripción.

Factores de Transcripción

Ayudan a unir la RNA polimerasa con el promotor.

* Basales o generales * Específicos: Funcionan para genes determinados * Activadores * Represores

Regulación Combinatoria

Un gen está bajo control de diversos factores y se requiere una combinación específica para activarlo.

Dominios de Unión al DNA

* Dedos de Zn * Cremalleras de leucina * Hélice – bucle/giro – hélice

Sitios Alternativos

* Poliadenilación * Inicio

Regulación Post-Trans

cripcional

Splicing alternativo Expresa diferentes proteínas a partir de una unidad de transcripción compleja. Forma isoformas. Ejemplo: fibronectina mRNA produce fibroblastos y hepatocitos.

- Inclusión o exclusión de exón

- Alternative 3’-terminar- or 5’ –empezar- splice sites

- Mutually exclusive exons: si se escoge uno el otro no

- Intron retention: no se elimina

Estabilidad del mRNA fuera del núcleo

- Degradación de los mRNAs: exosoma 3’ --> 5’; exonucleasas: 5’ --> 3’   Eliminaciónde5’-CAP

Eliminacióndecoapoli(A)

Cortes endonucleotílicos

- Silenciamiento génico mediante microRNAs no codificantes 22 nt. Si se unen completamente, corta el mRNA, sino queda unido y evita su traducción

Regulación de la traducción Pueden regularse las proteínas auxiliares del complejo porque la célula no puede permitirse hacer nuevas proteínas

Ejemplo: elF2 si se fosforila no puede desempeñar su papel.

Control post-traduccional Ayuda a las células a responder estímulos o cambiar su comportamiento rápidamente. Ejemplo: la insulina se corta para activarse

- Fosforilación: activa, desactiva o cambian su comportamiento

- Ubiquitinación: adición de ubiquitina. Marca a la proteína para ser degradada (en el

proteosoma)