Regulación de la Expresión Génica (1)

7/16/2019 Regulación de la Expresión Génica (1)

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TEMA VI: GENÉTICA MOLECULAR1. Maduración del RNA

2. Código Genético3. Traducción del mRNA: Síntesis de Proteínas

4. Regulación de la Expresión Génica



Regulación de la expresión génica

-Describir los niveles que existen en la regulación de la expresión génica en la célula y su importanciafuncional.-Citar que secuencias y proteínas regulan la unión de la RNA polimerasa al promotor procariota yeucariota.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

-Dibujar un esquema que resuma los 4 posibles tipos de regulación transcripcional, teniendo en cuentala presencia de efectores.-Conocer las estructuras típicas de los factores de transcripción como hélice-giro-hélice, dedos dezinc, región básica-cremallera de leucina, y hélice-lazo-hélice básica.-Definir operón, proteína represora y proteína activadora en el contexto de la regulación de laexpresión génica en procariotas.-Explicar cómo y porque se inducen los genes del operon lac en presencia de lactosa y en ausencia deglucosa.-Describir las características generales de la regulación transcripcional en eucariotas.-Dar algún ejemplo de modificaciones en los nucleosomas que regulan la transcripción.

- .

-Enumerar el orden de sucesos en la activación de la transcripción de un promotor eucariota típico.-Dar algún ejemplo de regulación de la transcripción en eucariotas inducida por ligandos.-Describir los mecanismos básicos de regulación traduccional.-Entender como se forman los micro-RNAs y cual es su importancia biológica.-Conocer que es el proteasoma y el esquema general de degradación de proteínas ubiquitinadas.-Dar un ejemplo de regulación del desarrollo embrionario por localización diferencial de mRNAs.



A: Textos recomendados

NELSON D.L. y COX M.M. Lehninger. Principios de Bioquímica .5º ed. Ed. Omega, 2009.

Molecular & Cellular Biolo Education Pro ect

Recursos en la Web

. ., . ., . . . .Recombinant DNA: Genes and Genomes- a short course. 3rd ed.Ed. W.H. Freeman and Company, 2007.

Virtual Cell Animation Collection

Lac Operon : The Moviehttp://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/lacOperon/movie-flash.htm



REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

1. Niveles de regulación de la expresión génica

2. Regulación de la transcripción: generalidades

3. Regulación de la transcripción en procariotas

4. Regulación de la transcripción en eucariotas

. egu ac n e a ra ucc n6. Degradación de proteínas: ubiquitina y proteasoma



1. NIVELES DE REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

El inicio de la vía es unpunto de control eficaz(favorable energéticamente)

“El problema fundamental de la

La concentración de proteínaviene determinada por sieteprocesos

química fisiológica y de la

embriología es comprender por qué todas las células de los tejidos no expresan en todo momento todas las potencialidades inherentes a su

genoma”

F. Jacob y J. MonodJ. Mol. Biol. (1961)



PROMOTOR PROCARIOTA

1. La secuencia del promotor determina la afinidad de la RNA polimerasa y condiciona la tasa de

2. REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN: GENERALIDADES.

Secuencia rica en AT

RNA polσ70

PROMOTOR EUCARIOTA

transcripción en los genes constitutivos o “housekeeping”.

2. La expresión de los genes regulables depende de proteínas reguladoras que favorecen o interfierenla interacción de la RNA polimerasa con el promotor (induciendo o reprimiendo la expresión génica).

RNA pol II

TBP

reguladoras

La RNA polimerasa presenta baja afinidad por el promotor y requiere, generalmente, un conjunto defactores de transcripción que se unen a diferentes secuencias reguladoras situadas:

-En la región promotora-En regiones muy alejadas del promotor (secuencias potenciadoras o “enhancers”).

Las secuencias de los promotores eucariotas son muy variables y pueden carecer incluso de cajaTATA o de la secuencia Inr.

Í Ó



PROTEÍNAS REGULADORAS DE LA TRANSCRIPCIÓN:

-FACTORES DE ESPECIFICIDAD: forman parte de la maquinaria de la RNA polimerasa ymodulan la especificidad de la misma para un promotor o conjunto de promotores

determinados.RNA pol

σ32procariotas

E. coli tiene 7 subunidades σ, que permite el reconocimiento de distintos promotores por la RNApolimerasa. Cuando las bacterias están sometidas a estrés térmico se sustituye la subunidad σ70 por la subunidadσ32 que dirige a la RNA polimerasa a una serie de promotores con una secuencia consenso diferente, controlando la

expresión de genes específicos.

En eucariotas algunos factores de transcripción generales, como la proteína de unión a TATA (TBP)pueden considerarse factores de especificidad.

-REPRESORES: impiden el acceso de la RNA polimerasa al promotor, o bloquean sumovimiento una vez que se ha unido. En procariotas el sitio de unión del represor sedenomina operador, y se encuentra generalmente cerca del promotor. Se denominaregulación negativa.

-ACTIVADORES: potencian la interacción de la RNA polimerasa con el promotor, uniéndosea secuencias en el promotor (procariotas y eucariotas) o a secuencias alejadas del promotoro “enhancers” (eucariotas). Se denomina regulación positiva.



La unión derepresores yactivadores alDNA estaregulada porseñalesmoleculares(EFECTORES).

Los efectorespueden activar

o inhibir latranscripciónactuando tantosobre losre resorescomo sobre losactivadores.



PROTEÍNAS REGULADORAS DE LA TRANSCRIPCIÓN

1) Se unen a secuencias de DNA específicas

Suelen unirse a repeticiones invertidas de una secuencia corta (palíndromo).Frecuentemente se unen varias subunidades.

Ejemplo: Unión del represor Lac al operador

Las cadenas laterales de los aminoácidos (en elfactor de transcripción) interaccionan congrupos dadores o aceptores de enlaces de H enlas bases del DNA formando enlaces dehidrógeno.

2) Tienen dominios de unión característicos:

Hélice-giro-héliceDedo de zinc

Región básica-cremallera de leucinaHélice-lazo-hélice básica

Para interaccionar con las bases en elsurco mayor del DNA, una proteínarequiere una estructura relativamentepequeña que sobresalga de forma

estable de la superficie de la proteína.



Hélice-giro-hélice (HTL: Helix-Turn-Helix):

Dominio de 20 aminoácidos formado por doshélices α (de 7-9 aminoácidos) separadas porun giro β. Una de las hélices sobresale de laproteína y se sitúa en el interior del surco mayordel DNA hélice de reconocimiento .

Ejemplos:represor Lac (procariotas)proteínas homeodominio (eucariotas)

hélice α

DNA HTL

Dominio de unión al DNAdel represor Lac

hélice α dereconocimiento

giro β

Rojo : puentes de HNaranja: interacciones hidrofóbicas



Dedo de zinc (Zinc Finger):

Dominio de unos 30 aminoácidos, cuatro deellos (4 Cys o 2 Cys y 2 His) coordinan unátomo de zinc y estabilizan una estructuraprotuberante en forma de dedo.

La interacción de un dedo de zinccon el DNA es débil. Muchas

roteínas tienen varios dedos de

El lazo alargado esta sujeto en su base por un ión Zn2+ que estabiliza la estructura.El dedo de zinc se une al surco mayor del DNA mediante la hélice α de uno de loslados del dedo.

zinc (en la figura superior 3 dedos

de zinc).

Las proteínas con dedos de zinc tambiénse pueden unir al mRNA actuando comorepresores de la traducción.

Ejemplos: TFIIIA, Sp1, receptores dehormonas esteroides



Región básica-cremallera de leucina (bZIP: Basic Leucine-Zipper):

Hélice α anfipática con la presencia de una leucina cada siete posiciones que contribuye a

formar una cara hidrofóbica que podrá interaccionar con otras proteínas que presenteneste tipo de dominio. Presentan también una región básica de interacción con el DNA.

Los aminoácidos básicos (K, R) interaccionan con

Cremallera de Leucinas

Región básicalos fosfatos cargados negativamente del DNA.

Ejemplos: fos, jun, C/EBP, CREB.



Hélice-lazo-hélice básica (bHLH: Basic Helix-Loop-Helix):

Región de unos 50 aminoácidos importante tanto en la unión al DNA como en la

dimerización de las proteínas. Una subunidad esta formada por dos hélices aanfipáticas separadas por un lazo de longitud variable (hélice-lazo-hélice, HLH),diferente del motivo hélice giro hélice (HTH). La primera de las hélices presentauna zona terminal básica que interacciona con el DNA, la segunda hélice forma

meros e manera s m ar a as crema eras e euc na.Leucinas

Subunidad 1

C-terminal

Subunidad 2

C-terminal

hélice α básica

hélice α

Ejemplos: SREBP, myo D, myc, Max.Subunidad 1N-terminal

Subunidad 2N-terminal

lazo



3. REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS.

Mecanismo general de regulación de la expresión génica basada en

OPERONES.ESTRUCTURA GENERAL DE UN OPERÓN

El o erón es una unidad de ex resión énica constituida or un con unto

de genes que suelen estar metabólicamente relacionados, un promotorúnico y secuencias adicionales que regulan el promotor. La transcripciónconjunta de estos genes da lugar a un único mensajero policistrónico (quepuede codificar para distintas proteínas).

mRNApolicistronico A B C

Ó



EJEMPLO: OPERÓN DE LA LACTOSA (LAC)

Galactósido- alactosidasa Tiogalactósido

DNA

Se representa solo 1 operador, pero hayotras 2 regiones capaces de unir el represor

permeasa ransace asa(Unión del represor)

(Regulación positiva)

-Galactosidase

Cuando hay lactosa en el medio se inducenlos genes que pueden metabolizarla

Ó Ó



Regulaciónnegativa O1 O2

REGULACIÓN DEL OPERÓN POR LACTOSA(Explicación en 4 pasos)

1) El gen I se transcribe a partirde su propio promotor dando

lugar al represor Lac

LACTOSA

3 Al suministrar lactosa se induce el o eron lac.

2) El represor Lac es un tetrameroque se une fuertemente a O1 y deforma secundaria a O2 y O3. Parareprimir el operón se da unión a 2sitios formando un lazo.

La lactosa se transforma en alolactosa (un

isómero de la lactosa) que se une al represor yprovoca un cambio de conformación en elrepresor Lac disociándolo del operador.

Galactósidopermeasaβ-galactosidasa

Tiogalactósidotransacetilasa

4) Se induce la expresión de los genes Z, Y, A.

REGULACIÓN DEL OPERÓN POR GLUCOSA Y LACTOSA



REGULACIÓN DEL OPERÓN POR GLUCOSA Y LACTOSA

Abundancia de lactosaDeficiencia de lactosa

Proteína receptorade cAMP (CRP)

En realidad la regulación del operón también depende de la [glucosa]. No tiene sentido inducir genes del metabolismo dela lactosa si hay glucosa disponible en el medio. Cuando hay glucosa se incrementa la [cAMP], que se une a la CRP.

CRP Represor LacRegulaciónpositiva:

Regulación negativa:

La CRP interaccionan con la RNA polimerasa

(Transcripción muy débil)

4 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS



1. Acceso a promotores restringido por la estructura de la cromatina

4. REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS

LOS PROMOTORES EUCARIÓTICOS SE ENCUENTRAN GENERALMENTEINACTIVOS EN CONDICIONES BASALES

-

4.1 CARACTERISTICAS GENERALES

2. Los mecanismos de activación predominan sobre los de represión.

3. Combinatoria de factores de transcripción muy compleja.

.

-La cromatina menos condensada (eucromatina) es parcialmente activa. Gran parte de laeucromatina está silenciada por metilación de citosinas en sitios CpG y por la presencia dehistonas, impidiendo de esta forma el acceso de la maquinaria de transcripción.

- Es más rentable activar selectivamente un programa genético concreto que mantenerinhibido todo el genoma. La estructura de la cromatina hace redundante tener represores.

4. Transcripción y traducción separadas.

-El riesgo de que proteínas reguladoras puedan unir a secuencias inespecíficas aumenta

con el tamaño del genoma. La presencia de varios factores de transcripción uniendo asecuencias concretas y formando un complejo activo garantiza la especificidad.

-En los eucariotas la transcripción tiene lugar en el núcleo y la traducción en el citoplasma.Hay por tanto una separación de ambos procesos en el espacio y en el tiempo, que estánsometidos a distintos mecanismos de regulación.



4.2. MODIFICACIONES EN LOS NUCLEOSOMAS REGULAN LATRANSCRIPCIÓN

1) Composición de los nucleosomas: Una disminución de histona H1 o bien unincremento de las histonas H3,3 y H2AZ favorecen la transcripción.

2) Modificaciones covalentes de histonas: Mediante metilación (puede activar

o inhibir) y acetilaci n (generalmente activa) en residuos específicos deldominio amino-terminal de las histonas se regula la transcripción.

3) Reposicionamiento de los nucleosomas: El movimiento de nucleosomas(dependiente de ATP) hace que queden más espaciados y permite la unión de

factores de transcripción.

Es posible obtener múltiples

combinaciones de histonasmodificadas. Se ha propuesto quepodría existir un “código dehistonas” que determina los genesactivos ó inactivos. Estos cambiossuelen ser muy estables. Se piensaque el ambiente podría causar

cambios epigenéticos en el DNA oen las histonas que se transmitiríana la descendencia.

Nucleosoma:147 bp DNA

+ 8 histonas(H2A, H2B, H3, H4)

O Í O Ó



PROTEÍNAS DE MODIFICACIÓN YREMODELACIÓN DE LA CROMATINA

La acción de activadores y coactivadores sobre lashistonas facilita el deplazamiento del nucleosomaexponiendo el sitio de unión para la RNA polimerasa II.

Nucleosoma

4 3 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN POR METILACIÓN DEL DNA



4.3. REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN POR METILACIÓN DEL DNA

● La metilación de las bases en el DNA (mediada por metiltransferasas) se hereda ypuede producir inactivación de la región promotora en los genes.

● La metilación del DNA se suele producir en citosinas de las secuencias 5’CpG. Lasmetilcitidinas pueden sufrir desaminación espontanea dando lugar a timidina, lo queincrementa el porcentaje de mutaciones.

Puede ser reparadopor la maquinaria

celular

No es reconocido como unabase alterada y puede darlugar a una mutación puntual(substitución de C por T).



4.4. ACTIVADORES Y COACTIVADORES QUE FACILITAN LA TRANSCRIPCIÓN

Para unir de forma eficaz la RNA polimerasa II al promotor se necesita normalmente:

1) Activadores de la transcripciónSe unen a secuencias específicas y pueden activar a muchos promotores o a unospocos. A menudo son sensibles a la unión de moléculas señal (en respuesta a

.movilidad) que se unen de forma no específica al DNA y permiten la formación delazos para que los activadores interaccionen con la RNA pol II.

2) Proteínas de modificación y remodelación de la cromatina

3) CoactivadoresActúan indirectamente, no se unen al DNA pero permiten (o en algunos casosinterfieren) la comunicación entre activadores y el complejo de la RNA pol II. Entre los

-fuertemente al dominio carboxilo terminal (CTD) de la RNA pol II. Los complejoscoactivadores funcionan cerca de la TATA.

4) Factores de transcripción basalPara formar el complejo de preinicio (PIC) en la secuencia TATA, se debe unir primero

la proteína de unión a TATA (TBP), y después otros factores de transcripción (TFIIA,TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH, además de la RNA pol II.

PROMOTORES EUCARIÓTICOS Y PROTEÍNAS REGULADORAS



PROMOTORES EUCARIÓTICOS Y PROTEÍNAS REGULADORAS

(Favorecen el plegamiento del DNA)

Intermediarios entre los

Unión al DNAActivación

RNA polimerasa

4 5 COREOGRAFÍA DE LA ACTIVACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN



4.5. COREOGRAFÍA DE LA ACTIVACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN

El orden de sucesos en la activación de la transcripciónen un promotor de Pol II típico es:

1) Unión del activador a una secuencia específica.

2) Modificación y remodelación de la cromatina.

3) Interacción con el mediador.

4) Unión de TBP en la TATA.

5) Unión de otros factores de transcripción, incluida laRNA pol II: formación del complejo de preinicio (PIC)

6) La fosforilación del dominio carboxilo-terminal (CTD)de la RNA pol II por TFIIH provoca el inicio de latranscripción.

El mediador estabiliza la unión de la RNA pol II y losfactores de transcripción asociados

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR EL RECEPTOR DE



HORMONAS ESTEROIDEAS

Secuencias de DNA donde se une el receptor: Mecanismo de activación transcripcional porhormonas esteroideas:

2) Dominio deunión al DNAcon dos dedos

El receptor se

suele unir alDNA en formade dímeros.

†Forma un dímero con el receptor del ácido retinoico o con elreceptor de la vitamina D

Estructura del receptor:

de zinc.

1) Unión de ligando (hormona) alextremo carboxilo.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR PPAR



REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR PPAR

Los PPAR son factores de transcripciónque al unirse a su ligando específico (T)forman heterodímeros con el receptor

PPAR: Peroxisoma proliferator activated receptor(Receptor activado por proliferadores peroxisomales)

nuclear RXR. El dímero se une a regionesespecíficas del DNA conocidas comoelementos de respuesta, estimulando latranscripción de los genes que contienenestos elementos.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓNGÉNICA POR FOSFORILACIÓN

La fo foril ión d f or d r n ri iónpor proteínas quinasas (activadas en vías de

señalización) puede activar ó inhibir a estosfactores de transcripción, regulando así laexpresión génica.

5 REGULACIÓN DE LA TRADUCCIÓN



5. REGULACIÓN DE LA TRADUCCIÓN

1) En eucariotas la transcripción y transporte de un mRNA hacia el citoplasma

requiere un tiempo. Sin embargo, la traducción de un mRNA reprimido (almacenadoen el citosol) producirá una rápida síntesis de proteína.

2) En algunas células (eritrocitos inmaduros, oocitos inmaduros) no haytranscripción y el control traduccional es esencial.

3) La regulación traduccional es responsable de formar gradientes de proteínadurante el desarrollo.

Destacaremos 4 mecanismos de regulación traduccional:

1) Represores de la traducción: Proteínas que se unen al 3’UTR o 5’UTRde los mRNA e interaccionan con factores de inicio de traducción o conla subunidad ribosómica 40S.

2) Fosforilación de factores de inicio de traducción.

3) Proteínas de unión que impiden la interacción entre eIF4E y eIF4Greprimiendo así la traducción. En mamíferos se denominan proteínasde unión eIF4E (4E-BP). (Cuando 4E-BP se fosforila es inactivo, permitiendo la traducción)

4) Represión dirigida por RNA

INTERACCIÓN DE PROTEÍNAS REPRESORAS CON EL mRNA



5’UTR

INTERACCIÓN DE PROTEÍNAS REPRESORAS CON EL mRNA

3’UTR

Uno de los mecanismos más importantesde regulación de la traducción eneucariotas tiene lugar por la unión deproteínas represoras en la región 3’UTRdel mRNA. Estas proteínas interaccionan

con factores de iniciación o con elribosoma para inhibir la traducción.

Ó Ó Ó



REGULACIÓN DE LA TRADUCCIÓN MEDIANTE FOSFORILACIÓN

Los factores de crecimiento inducen la fosforilación de diversos factoresde iniciación de la traducción (eIF4G, eIF4B) activando la síntesis deproteínas.

En situaciones de estrés se suele inhibir la traducción mediante:

● Activación de quinasas que fosforilan eIF2.● Activación de caspasas (un tipo de proteasas) que proteolizan factores

a os or ac n e 4 - tam n act va a tra ucc n.

.

REPRESIÓN DIRIGIDA POR RNA



Micro-RNA (miRNA):pequeños RNA de 70nucleótidos consecuenciascomplementarias

PROCESAMIENTO miRNA

1) Podemosintroducir RNAduplex en unacélula

APLICACIÓN MÉDICA

estructuras enhorquilla

Procesamiento de losmiRNA

2) Se generanpequeños RNA deinterferencia (siRNA)

Una de las hebras del miRNAmaduro se asocia con mRNA

diana provocando inhibiciónde la traducción odegradación del mRNA

3) Que degradan osilencian el mRNAdiana

2% de los genes animales son miRNA



2% de los genes animales son miRNA

1/3 de los mRNA pueden estar reguladospor los miRNA

Los miRNA regulan:

- Desarrollo- Muerte celular- Patrón espacial

- Patrón neuronal- Diferenciación celular- Proliferación celulary supervivencia en cáncer

6. DEGRADACION DE PROTEÍNAS: UBIQUITINA Y PROTEOSOMA



UNIÓN A UBIQUITINA DEGRADACIÓN POR EL PROTEOSOMA

La ubiquitina es una proteína de 76aminoácidos que se une covalentemente a

19S

20S

26S

dependiente de ATP en la que intervienentres enzimas diferentes.

son degradadas por un grancomplejo denominadoproteasoma 26S.

Por ejemplo, la partícula 19S se puede reemplazar por otro regulador alternativo,degradando a otras proteínas no ubiquitinadas

El proteasoma 26S puede ser complementado con complejos reguladores

que cambian en función de las condiciones celulares.

DESARROLLO TEMPRANO EN DROSOPHILA



El huevo de Drosophila junto con 15 células nodriza,esta rodeado por una capa de células foliculares. Amedida que se forma la célula huevo se depositandistintos mRNA en la zona anterior y posterior.

Ejemplo: bicoid (anterior) y nanos (posterior)

BicoidF t d t i ió Nanos



Factor de transcripciónque activa genes desegmentación.

Es también un represorde la traducción.

NanosRepresor de la traducción

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