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Tema 10. Control de la expresióngénica

Genética CC. Mar 2004-05

Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 2

Objetivos

•Estudiar el funcionamiento del controlde la expresión génica en procariotas:operones

•Regulación transcripcional y notranscripcional en eucariotas

•Introducción a la genética del desarrollo


Genes regulados y constitutivos

• Adaptación al medio ambiente => habilidad deactivar e inactivar genes como respuesta a señalesextracelulares

• Producción de tipos específicos de proteínas cuandoy dónde se necesite.

Genes regulados o adaptativos: genes cuya actividadestá controlada en respuesta a las necesidades de unacélula u organismo.

Genes constitutivos o “housekeeping”: genes quesiempre permanecen activos, independientemente delas condiciones del medio.


Sistemas inducibles y represibles enprocariotas

• Sistemas inducibles: un inductor activa laexpresión génica. Catabolismo (degradación delactosa, maltosa).

• Sistemas represibles: un represor reprime laexpresión génica. Metabolismo (síntesis detriptófano, histidina).

• Control positivo: el producto del gen reguladoractiva la expresión de los genes.

• Control negativo: el producto del gen reguladorreprime o impide la expresión de los genes


Operones•Operón: grupo de genes estructurales cuya expresión está

regulada por los mismos elementos de control (promotor yoperador) y por genes reguladores:

– Genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata delos genes cuya expresión está regulada. Se transcriben juntos en unmRNA poligénico.

– Promotor: secuencia de DNA reconocida por la ARN polimerasa parael comienzo de la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes delos genes estructurales

– Operador: secuencia de ADN reconocida por la proteína reguladora.Se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales

– Gen regulador: codifica la proteína reguladora que reconoce lasecuencia del operador. Está cerca de los genes estructurales deloperón pero no inmediatamente al lado.

– Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Se une ala región del operador.

– Inductor: compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.


Uso de lactosa por E. coli

• En E. coli, si la fuente de carbono es únicamentelactosa (glucosa + galactosa), tres enzimas van a sersintetizados rápidamente para metabolizar la lactosa– !-galactosidasa: rompe la lactosa en glucosa y galactosa,

pudiendo además transformar lactosa en alolactosa– Lactosa permeasa: proteína de membrana que transporta

lactosa en la célula– Transacetilasa: función desconocida

• En ausencia de lactosa en el medio hay ~3 moléculasde !-galactosidasa. En presencia de lactosa estácantidad puede aumentar hasta 3000.


Operón lactosa (lac)

• Sistema inducible bajo control negativo.• Genes estructurales: lacZ+ (!-galactosidasa), lacY+

(lactosa permeasa) y lacA+ (transacetilasa).• Operador lacO+.

• Gen regulador lacI+: separado, se expresa de deforma constitutiva, pero débilmente, y codifica unaproteína represora.

Org anización del operón lac


Operón lac en ausencia de lactosa

• En ausencia de lactosa, la proteína represora se une aloperador: la RNA polimerasa puede unirse alpromotor pero no es capaz de iniciar la transcripción.

• Las pocas moléculas de enzima que se producen lohacen aprovechando las constantes uniones ydesuniones del represor.

Operón lac en ausencia de lactosa


Operón lac en presencia de lactosa

• Única fuente de carbono es lactosa• Lactosa -- !-galactosidasa --> alolactosa.• La alolactosa se une al represor, modificando su

conformación. Éste pierde su afinidad por el operador.

Operón lac enpresencia delactosa


Operón triptófano (trp)

• Sistema represible bajocontrol negativo.

• Genes estructurales:trpE, trpD, trpC, trpB,trpA. Biosíntesis detriptófano.

• Gen regulador (trpR):proteína aporrepresora

• Región líder (trpL):incluye un sitioatenuador (att)

• Dos mecanismos deregulación:– interacción represor-

operador.– longitud de los

tránscritos.Org anización del operón trp


Operón trp en presencia/asuencia detriptófano

• trpR => proteína aporrepresora: represor que no sepuede unir al operador por sí sola.

• El tritptófano es el efector: interactúa con elaporrepresor y lo convierte en un represor activo.

• El represor activo se une operador e impide latranscripción de los genes estructurales.

• Esta represión puede reducir unas 70 veces la tasa detranscripción de estos genes.

• Cuando no hay triptófano en el medio los genes trp seexpresan al máximo nivel


Atenuación del operón trp

• La atenuación controla laproporción de transcritoscompletos e incompletosque terminan en elatenuador

• La región líder del mRNAcontiene 4 regionescomplementarias quepueden aparearse yplegarse. Antes del codónde terminación hay doscodones de Trp.

• Las regiones 1 y 2 de la región líder del mRNA se emparejan justodespués de ser sintetizadas formando una estructura secundaria queparaliza temporalmente la RNA polimerasa (señal de pausa) y le permiteal ribosoma acoplarse al mRNA de forma que comienza a traducir justodetrás de la RNA polimerasa

Estructura de la reg ión líder del mRNA en el operón trp de E. coli


Atenuación en ausencia de trp

• Poco Trp => poco tRNA.trp => el ribosoma se para en los codones de Trp• El ribosoma cubre la región 1; no hay señal de pausa 1-2• Se produce el apareamiento 2-3, que es una señal de antiterminación, ya

que evita que se forma la señal de terminación (3-4)• Los genes estructurales se transcriben

Atenuación del operón trp en E. coli: ausencia de Trp


Atenuación en presencia de trp

• Suficiente Trp => suficiente tRNA.trp => el ribosoma llega al codón determinación

• El ribosoma cubre la región 2; no hay señal de antiterminación 2-3• Se produce el apareamiento 3-4, que es una señal de terminación

• Los genes estructurales no se transcriben

Atenuación del operón trp en E. coli: presencia de Trp


Regulación génica en eucariotas• La regulación de la expresión

génica puede producirse a corto-plazo, como respuesta a cambiosen el ambiente, o a largo plazo,durante la diferenciación y eldesarrollo

• En eucariotas la regulación de laexpresión génica es complicada– Transcripción– Procesamiento del mRNA– Transporte del mRNA– Traducción– Procesamiento de las proteínas– Degradación del mRNA


Control de la transcripción: factoresde regulación

• Control positivo y negativo.• Los factores de regulación cis están físicamente

relacionados con la secuencia de DNA que regulan,mientras que los factores trans no están físicamenteanclados a su diana.

Reg ulación positiva y neg ativa de la transcripción


Control de la transcripción:promotores e intensificadores

• Los genes codificantes de eucariotas contienen elementospromotores e intensificadores

• Algunos elementos de los promotores, como la cajaTATA, son necesarios para especificar dónde comienza latranscripción (promotores basales).

• Otros elementos de los promotores controlan sí latranscripción se produce o no (promotores proximales)

• Los intensificadores y represores regulan los niveles deexpresión

• Proteínas regulatorias específicas se unen a estas regionespara activar o reprimir, o para intensificar, la transcripción


Control de la transcripción: factoresde transcripción

• Los factores de transcripciónson proteínas se unen aactivadores o a elementosproximales de lospromotores para regular latranscripción (de forma trans).

• En general presentan dosdominios, uno de unión alDNA y otro de unión aproteínas (p.e., dedos dezinc), que es el queinfluencia la transcripción.


Cambios cromosómicos y controltranscripcional

• La regiones cromosómicas que se están transcribiendopresentan una estructura de la cromatina más relajada

• Las histonas pueden a su vez actuar como represoresde la transcripción: los nucleosomas alrededor deelementos de un promotor (por ejemplo, caja TATA)impiden que las proteínas reguladores o los factoresde transcripción se unan a estos elementos

• Es posible que las proteínas activadoras se unan a losintensificadores desplazando las histona y“rompiendo” los nucleosomas: la caja TATA quedaexpuesta a las factores de transcripción.


Metilación y control transcripcional

• Después de la replicación, algunas citosinasson metiladas por la DNA metilasa para darlugar a 5-metilcitosina (5mC).

• En mamíferos, un 3% de las citosinas estánmetiladas, y el 90% de las 5mC se encuentranen la secuencia CG. En Drosophila oTetrahymena casi no hay 5mC.

• Parece ser que existe una correlación negativaentre metilación y transcripción en algunoscasos, aunque no se sabe si es causa o efecto.


Regulación hormonal

• Las hormonas sonmoléculas efectorasproducidas por unacélula, y que causanuna respuestafisiológica en otrascélulas

• Determinados tipos decélulas presentandeterminados tipos dereceptores paradeterminados tipos dehormonas.

Mecanismos de acción de hormonas polipeptíd icas y esteroideas


Proteínas inducidas por hormonasesteroides


Acción de los esteroides

• Los genes regulados poresteroides específica presentanuna secuencia de DNA comúna la que se une el complejoesteroide-receptor,denominadas elementos derespuesta a las hormonasesteroides (HREs)

• Los HREs se encuentran, amenudo en copias múltiples, enregiones intensificadoras.

• Dependiendo de la presenciade otras proteínas regulatorias,los HREs pueden activar genesdiferentes en distintos tipos decélulas.

Modelo de acción de una hormona g lucocorticoide en células de mamíferos.


Procesamiento del RNA:poliadenilación y splicing alternativo

• Este tipo de control regulala producción demoléculas de RNAmaduras a partir deprecursores

• La poliadenilaciónalternativa puede resultaren la producción demoléculas de pre-mRNAdiferentes (p.e., calcitonina)

Poliadenilación y splicing alternativos del g en humano de la calcitonina


Determinación del sexo en Drosophila

• El corte y empalmealternativo desempeñaun pape crucial en ladeterminación del sexoen Drosophila

• En Drosophila el sexoestá determinado por laproporción cromosomaX : autosoma (A)– Si X:A " 1, hembra– Si X:A # 0.5,s macho– Si 1 > X:A > 0.5, “intersex”

Cascadareg ulatoria dedeterminacióndel sexo enDrosophila.


Control del transporte del mRNA

• Varios experimentos parecen demostrar quequizás la mitad de los transcritos primarios degenes codificantes nunca llegan a abandonarel núcleo

• Modelo de retención por el spliceosoma– El spliceosoma previene el transporte nuclear,

retiene el RNA inmaduro en el núcleo hasta quetodos los intrones han sido eliminados

– El mRNA maduro con la caperuza 5’ (que parecedesempeñar un importante papel) interacciona conlos poros nucleares y abandona el núcleo.


Control de la traducción

• Las moléculas de mRNA son sometidas a uncontrol traduccional a través de la selecciónde mRNAs por parte de los ribosomas

• Los mRNA citoplasmáticos podrían asociarsecon proteínas que los protegen de ladegradación y previenen su traducción.

• La cola poli(A) podría estar implicada en estetipo de control: los mRNA inactivosalmacenados suelen tener colas poli(A) máscortas que los mRNAs activos.


Control de la degradación del mRNA

• Los tRNA y rRNA son bastante estables.• Los mRNAs pueden durar de minutos a meses, como

respuesta a diversas señales de regulación.• Mecanismo importante, aunque desconocido.

Estabilidad de mRNAs en respuesta la presencia de moléculas efectoras


Control de la degradación deproteínas

• La vida media de las proteínas es un controlpost-traduccional de la expresión génica.

• En eucariotas la proteolisis parece requerir elfactor proteico ubiquitina, que se une a lasproteínas “marcándolas” para su degradación.

• La regla del N-terminal predice que la vidamedia de una proteína depende delaminoácido N-terminal.


Genética del desarrollo

• Los eucariotas complejos presentan muchos tipos de células,tejidos y órganos con funciones especializadas, pero con un únicogenoma.

• El desarrollo es el proceso de crecimiento regulado que resulta delas interacciones del genoma con el citoplasma y el ambientecelular externo, y que involucra una secuencia programada deeventos fenotípicos a nivel celular, de forma típicamenteirreversible.

• La diferenciación implica la formación de diferentes tipos decélulas, tejidos y órganos a través del proceso de regulaciónespecífica de la expresión génica; las células diferenciadaspresentan propiedades estructurales y funcionales características.

• Los procesos de desarrollo y diferenciación son el resultado de unpatrón programado de activación e inactivación génica.


Actividad genómica en eucariotas

• Un 20-40% del DNA de eucariotas multicelulares es altamente repetitivo; elresto es moderadamente repetitivo o de copia única.

• Se cree que tan sólo un 1.5% del genoma humano es codificante/• En erizos de mar, en cualquier momento un máximo del 6% de las

secuencias únicas se está transcribiendo.• La función del DNA que no se transcribe es eucariotas multicelulares podría

ser “DNA basura” acumulado durante la evolución, o podría desempeñarfunciones regulatorias todavía por determinar.

Organismo

Tamaño estimado (millón de bases)

Número estimado de genes

Densidad (1 gen cada x bases)

Número de cromosomas

Homo sapiens 2900 ~30000 100000 4 6

Rattus norvegicus 2750 ~30000 100000 4 2

Mus musculus 2500 ~30000 100000 4 0

Drosophila melanogaster 1 8 0 13600 9000 8

Arabidopsis thaliana 1 2 5 25500 4000 5

Caenorhabditis elegans 9 7 19100 5000 6

Saccharomyces cerevisiae 1 2 6300 2000 1 6

Escherichia coli 4 .7 3200 1400 1

H. influenzae 1 .8 1700 1000 1


Constancia del genoma durante eldesarollo

• La clonación de la oveja Dollydemostró que las célulasomáticas poseen toda lainformación genética necesariapara producir un desarrollocompleto desde el comienzo.

• El núcleo celular es totipotente

Clonación de la oveja Dolly


Actividad genética diferencial entretejidos y durante el desarrollo

• En humanos, se producen diferentestipos de hemoglobinas a lo largo deldesarrollo:– hemoglobina embrionaria (2$ + 2% )

en el saco vitelino.

– hemoglobina fetal (2& + 2') enhígado y al bazo.

– hemoglobina adulta (2& + 2!; 1/40son 2& + 2() en la médula espinal.

• Los genes de las globinas se sitúan enlos cromosomas en ordencronológico.

Síntesis de g lobina durante el desarrollo humano

Genes humanos de la g lobina


Inmunogenes

• Cuándo un antígeno las activa,los linfocitos B se producenanticuerpos, que consistenproteínas especializadasdenominadas inmunoglobulinas.

• 2 cadenas pesadas (H) idénticas y2 cadenas ligeras (L) idénticas.

• Regiones variables (VH y VL) yregiones conservadas (CH y CL).

• Los mamíferos (IgA, IgD, IgE, IgGe IgM) presentan 106-108

anticuerpos distintos, originadospor recombinación somática.Molécula de inmunog lobulina G (Ig G)


Recombinación de la cadena ligera

• En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos quecodifican partes de la cadena ligera: 350 L-V* (L es una secuencia líder), 4segmentos J* de unión y 1 segmento C*

• Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmentoparticular L-V* se asocia con un segmento particular J* y con elsegmento C*

• Así, se pueden producir 350 ) 4 ) 1 = 1400 cadenas ligeras * diferentes.

Producción de la cadena lig era * en ratón porrecombinación de los seg mentos g énicos V, J,y C durante el desarrollo. El reordenamientoque se muestra es uno de muchos posibles.


Recombinación de la cadena pesada

• En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos que codificanpartes de la cadena pesada: 500 L-VH, 12 segmentos D, 4 segmentos JH deunión y 5 segmentos CH para las IgM, IgD, IgG, IgE e IgA.

• Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmento particularL-VH se asocia con un segmento particular D, con otro JH y con un segmento CHque especifica el tipo de Ig.

• De esta forma, se pueden producir 500 ) 12 ) 4 = 24000 cadenas pesadasdiferentes, y por lo tanto 24000 ) 1400 (cadenas ligeras *) = 33600000moléculas de anticuerpo.

Producción de g enes de la cadena pesada enratón por recombinación de los seg mentosg énicos V, D, J, y C durante el desarrollo paradar lug ar a Ig G. Dependiendo del seg mentoCH usado, el anticuerpo resultante es Ig M,Ig D, Ig E o Ig A. El reordenamiento que semuestra es uno de muchos posibles.


Genética del desarrollo enDrosophila

• Gradientes en los ejes posterior-anterior y dorsal-ventral en elhuevo.

• Subsiguiente determinación deregiones en el embrión que secorresponden directamente consegmentos del cuerpo del adulto.

• En Drosophila hay tres clasesprincipales de genes del desarrollo– genes de efectos maternos:

especifican los gradientes en elhuevo

– genes de segmentación:determinan los segmentos delembrión y del adulto

– genes homeóticos: especifican laidentidad de los segmentos.


Genes de efectos maternos y desegmentación

• Los genes de efectos maternos bicoid, nanos y torsoregulan la formación de las estructuras anterior,posterior y terminal, respectivamente.– La proteína BICOID se acumula en la parte anterior del

huevo y la NANOS en la posterior. La proteína TORSO sedistribuye homogéneamente, pero sólo será activada en laspartes terminales.

• Los genes de segmentación se dividen en tres clases:– Los genes gap dividen embrión en grandes regiones.– A continuación los genes de la regla de pares dividen el

embrión en un número de regiones, cada una de las cualescontiene un par de parasegmentos.

– Finalmente los genes de polaridad del segmento se expresanpara determinar las regiones que se corresponderán con lossegmentos en el embrión y en el adulto.


Genes homeóticos (Hox)

• Determinan la identidad de cadasegmento con respecto la parte corporal ala que darán lugar en el adulto.

• Los mutantes homeóticos provocan queun segmento se desarrolle en una partecorporal diferente de la normalmenteespecificada.

• Comparten secuencias similares de unos180 pb que se denominan homebox, quedan lugar a homeodominios proteicoscapaces de unirse al DNA. Estassecuencias suelen estar muy conservadastambién han sido observadas en otrosorganismos.

• Los genes homeóticos aparecen en todoslos fila animales, a excepción de esponjas ycnidarios.

Complejo bithorax


Mutaciones homeóticas

• El complejo Antennapedia agrupa varios genes que determinan la identidadanterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.

• El complejo Bithorax agrupa varios genes que determinan la identidadposterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.

Mutaciones bithoraxMutaciones antennapedia

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