Blgo. Mg. Cs. CARLOS SCOTTO ESPINOZA

CURSO DEBIOLOGIA MOLECULAR

EXPRESIÓN Y REGULACIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

¿QUE ES UN GEN?

Es una secuencia de nucleótidos a lo largo de una molécula de ADN que representa una unidad estructural y funcional de herencia.

Los genes pueden dividirse en los que codifican para PROTEINAS, y los que transcriben a ARN.

Un gen también es la base bioquímica de los rasgos fenotípicos.

PARTES DE UN GEN

- Poseen 3 partes:

- A. REGION PROMOTORA

- B. REGION CODIFICADORA

- C. REGION TERMINADORA

REGION PROMOTORA

- Es la encargada de controlar la transcripción de la región codificadora.

- Esta dividida en dos Regiones:

- 1. REGION PROMOTORA: Posee secuencias altamente repetitivas en tandems que son reconocidas por la RNA polimerasa para iniciar la transcripción.

- 2. REGION REGULADORA U OPERADOR: Posee secuencias repetitivas (TATATA) que son reconocidas por la Proteína Reguladora que bloquea la transcripción (Negativa) o la promueve (Positiva). Esta proteina es sintetizada por otro gen.

REGION CODIFICADORA

Es la región que posee la secuencia que codifica

para una molécula funcional, sea proteína o

RNA.

En Procariotas esta secuencia es continua.

Mientras que en Eucariotas es discontinua, pues

presenta SECUENCIAS CODIFICANTES

denominadas EXONES y secuencias no

codificadoras llamadas INTRONES.

REGION CODIFICADORA

En eucariotas y procariotas la secuencia inicial

para una proteína esta codificada por el

Triplete AUG. Pero codifica el aminoácido

Formilmetionina para procariotas y el

aminoácido Metionina para eucariotas.

También para ambos, el codón del último

aminoácido se encuentra antes de los tripletes

UAG, UAA o UGA.

REGION CODIFICADORA

En eucariotas existe una secuencia

anterior al codón incial que determina la

METILACION DE UNA GUANINA, llamada

7-Metilguanosina o CAP (Capuchón).

Su función es darle al RNAm estabilidad y

facilitar su ensamblaje con el ribosoma.

REGION CODIFICADORA

En eucariotas, en el extremo del codón de

terminación encontramos una secuencia de

consenso que permite la POLIADENILACION

del RNAm.

Esta “cola de Adeninas” puede tener de 50 a 150

Adeninas. Cuya función es determinar el tiempo

de vida media del RNAm.

REGION TERMINADORA

Esta región esta compuesta por secuencias terminadoras. La RNA polimerasa lee éstas secuencias y el RNAm transcrito se pliega (HORQUILLA o Loop), haciendo que la RNA polimerasa frene la adición de nucleótidos y disociando al RNAm de la cadena de DNA molde.

La horquilla se forma porque posee SECUENCIASPALINDROMICAS (7 a 20 nucleótidos) flanqueadas por Secuencias de Uracilo.

También se utiliza la RNA polimerasa posee el FACTOR RHO.

REGULACION GENICA EN PROCARIOTAS

Existe 2 mecanismos para la regulación de

la expresión de un gen en procariotas

(Transcripción):

1. Regulación negativa intergénica a nivel

del DNA.

2. Regulación positiva intergénica nivel del DNA.

1. REGULACION NEGATIVA

Este gen presenta una región operadora que

tiene mucha afinidad con una proteína represora,

que es codificada por una región reguladora (otro

gen).

Al unirse el represor a la región operadora evita

que la RNA polimerasa transcriba la región

codificadora.

Ejemplo: Operón Lac (Degradación de Lactosa).

2. REGULACION POSITIVA

Este gen presenta una región operadora que NO

tiene afinidad con una proteína represora

codificada por la región reguladora (otro gen).

Al NO unirse el represor a la región operadora la

RNA polimerasa transcribe la región codificadora.

Ejemplo: Operón Triptofano (Síntesis de

Triptofano).

REGULACION GENICA EN EUCARIOTAS

Existe 4 mecanismos para la regulación de

la expresión de un gen en Eucariotas:

1. Regulación por metilación.

2. Regulacíón por condensación.

3. Regulación a nivel de la transcripción.

4. Regulación Homeótica.

1. REGULACION POR METILACION

Es el mayor control ejercido sobre la transcripción de un gen durante el desarrollo.

La metilación es llevada a cabo por las METILASAS sobre la CITOSINA (5-Metilcitosina). La metilación afecta la interacción (cargas) entre las proteínas y el DNA.

La metilación se HEREDA de una generación a la otra.

La metilación Inactiva genes.

2. REGULACION POR CONDENSACION

Es una forma de control de la replicación y

transcripción de un gen.

Con el bandeo se puede observar como

bandas coloreadas.

3. REGULACIÓN A NIVEL DE LA TRANSCRIPCIÓN

Existen distintas secuencias en el DNA eucariota: Regiones TATA, promotores, secuencias de unión de activadores y represores, enhancers, que permiten la unión al DNA de proteínas activadoras, represoras y factores de transcripción.

Actúan en conjunto por cargas con el DNA.

Estas secuencias de DNA estan situadas a miles

de nucleótidos de un gen. Y son reconocidos por

diversas proteínas que, en conjunto, favorecen el

acceso de la RNA polimerasa al promotor del

gen.

Pueden ser específicos de un tejido y responder

a señales externas.

4. REGULACIÓN HOMEÓTICA

SE CONOCE TODO EL DESARROLLO EMBRIONARIO DE

ALGUNOS ANIMALES ...

SE CONOCE TODO EL DESARROLLO EMBRIONARIO DE

ALGUNOS ANIMALES ...

SE CONOCE MALFORMACIONES ANATOMICAS...

SE CONOCE MALFORMACIONES ANATOMICAS...

EXPERIMENTALMENTE SE HA LOGRADO ...

1. Existe un patrón dentro de cada embrión. En la

cual a partir de varias partes ordenadas se forma un

organismo AUTOENSAMBLAJE

2. Esta gobernado por genes llamados GENES

HOMEOTICOS.

3. Se produce una cascada génica en un lugar (Espacio)

y momento (Tiempo) específico para cada célula. En

la que un gen activa o inactiva otros genes y éstos a

otros genes JERARQUIA

¿DÓNDE SE DESCUBRIÓ LOS GENES HOMEOTICOS?

Se encontró en la mosca Drosophila 8 genes homeóticos ubicados en el mismo cromosoma llamados GENES HOX.

Lo interesante fue que cada uno determinaba una parte del cuerpo de la mosca y además estaban en el mismo orden de la parte que determinaban.

BOCA-CARA-CABEZA-CUELLO-TORAX-ABDOMEN ANTERIOR-ABDOMEN POSTERIOR-

OTROS

¿QUÉ SON LOS GENES HOMEOTICOS?

1. Son genes que se encuentran situados uno al

lado del otro a lo largo del DNA.

2. Estan agrupados formando Complejos de

Identidad.

3. Cada complejo de identidad determina una

parte del cuerpo de un organismo como la

cabeza, el tórax o el abdomen.

4. Las mutaciones en los genes homeóticos producen alteraciones en la identidad de un segmento o porción corporal.

5. Los genes homeóticos sintetizan Factores de

Transcripción u Homeoproteínas que actuan sobre los elementos reguladores u Homeobox de otros genes homeóticos. Los cuales a su vez producen otras Homeoproteínas formando un gradiente molecular que determina el patrón corporal del embrión y el fenotipo final del organismo.

SECUENCIA DEL HOMEODOMINIO

Arg Lys Arg Gly Arg Gln Thr Tyr Thr Arg Tyr Gln Thr Leu Glu Leu Glu Lys Glu Phe His Phe Asn Arg Tyr Leu Thr Arg Arg Arg Arg Ile Glu Ile Ala His Ala Leu Cys Leu Thr Glu Arg Gln Ile Lys Ile Trp Phe

Gln Asn Arg Arg Met Lys Trp Lys Lys Glu Asn

ACCION DE LA HOMEOPROTEINA SOBRE EL DNA

¿QUÉ ES UN HOMEOBOX?

En 1983 fueron descubiertos los HOMEOBOX o CAJA

HOMEOTICA. Que es una secuencia de 180 nucleótidos de

longitud y se encuentra en todos los genes homeóticos.

Todos los homeobox producen una secuencia de

60 aminoácidos de longitud llamado Homeodominio que

es parte de una Homeoproteína (Factor de Transcripción)

que va actuar sobre otro homeobox para activar o

desactivar otro gen homeótico.

Poseen una distribución filogenética amplia y muy conservada evolutivamente. Encontrándose en la levadura de pan, plantas y todo el Phyla animal examinado hasta ahora.

ANCESTRO COMUN (Hace 530 millones de años).

En los organismos invertebrados los genes homeóticos se presentan en números pequeños y formando un solo grupo. Mientras que en los vertebrados se presentan en varias copias y en varios grupos (de hasta 4).

* En humano se encuentran en el cromosoma 12.

ALTERACIONES EN EL HOMEOBOX

Una mutación en un Homeobox puede tener un efecto grande en el fenotipo de un individuo ACUMULATIVO

Los cambios producen embriones:

1. Con segmentos duplicados: Con dos cabezas, doble espina dorsal, pezones supernumerarios, bitórax, presencia de cola.

2. Pérdida de segmentos: Ausencia de una extremidad donde debería haberla.

3. Transformación de segmentos: Piernas donde deberían haber antenas.

¿QUÉ SUCEDE EN EL EMBRION DE LA MOSCA DEL VINAGRE DE LA FRUTA?

Después de la fecundación, el RNA de origen

materno de la mosca comienza a producir la

homeoproteína llamada BICOIDE en el embrión.

Esta proteína difunde a través del

huevo formando un Gradiente

Molecular que estable los ejes

anteroposterior y dorsoventral

del embrión.

SECUENCIA DEL DESARROLLO EMBRIONARIO

RESUMEN

1. El citoplasma del cigote no es Homogeneo. Contiene

gradientes de mRNAs y proteínas que son los

productos de genes maternos.

2. El clivaje del cigote en miles de células contiene una

particular mezcla de mRNAs y proteínas.

3. Esta mezcla actúa sobre los genes homeóticos de los

núcleos de las miles de células embrionarias. Los

cuales producen Factores de Transcripción u

Homeoproteínas que actúan sobre otras células.

4. Así, el patrón de expresión génica de una célula es

única (Tiempo y Espacio)

5. En conclusión, la construcción de un organismo

con miles de tipos células diferenciadas requiere de

la localización correcta y el momento preciso

para llevar a cabo su función correctamente.

¿QUÉ SUCEDE EN EL EMBRION HUMANO?

En los vertebrados existe 39 genes homeóticos

llamados HOX. Que estan organizados en cuatro

grupos cromosómicos: Hox A, Hox B, Hox C y

Hox D.

Estan encargados de regular la morfogénesis y de

conferir la identidad axial para el desarrollo del

embrión.

Hox 1 = AtlasHox 2,3,4 = Vertebras Cervicales Inactivación = Pérdida de vértebras Sobrestimulación = Presencia de cola, espina

bífida

Hox 9 = Cintura escapularHox 10 = HúmeroHox 11 = Cúbito y radioHox 12 = CarpianosHox 13 = Metacarpianos y falanges Inactivación = Pérdida de extremidades Sobrestimulación = Polidactilia, pezones supernumerarios

Hoxa y Hoxd = Determinan las variaciones de los

patrones combinatorios de expresión de las

extremidades

Hox b, c y d = Rombencéfalo

Hoxd-13 = Produce sindactilia

Lim-1 = Cerebro anterior y medio

MFH-1 = Aorta

NSC-2.1 = Hipotálamo

Pax-1 = Formación de vértebras

Shh = Regula el eje anteroposterior del embrión

Nkx2-5 = Tabica el corazón

Wnt = Desarrollo de músculos