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Regulación de la expresión genética
Las moléculas en el Dogma
Asas regulatorias en el Dogma Central
DNA
RNA
Proteína
RNAs: regulan a DNA, RNA y proteínas
Proteínas: regulan a DNA, RNA y proteínas
Niveles de Regulación de la expresión genética
Inicio de la Transcripción
Co- y Post- Transcrpcional
(Inicio de la Traducción)
Co- y Post- Traduccional
Cambios en la expresión genética a nivel TRANSCRIPCIÓN
¡ Regulación transcripción !
Cambios en la expresión genética a nivel TRADUCCIÓN
A B B B B B B B B
B B B B B B B B
¡ Regulación traducción !
(Procariontes vs. Eucariontes)
P: promotor de los genes estructurales E1 ... E4 R: gen regulador (codifica una proteína que regula la transcripción de los genes estructurales) O: operador (secuencia de DNA reconocida por la proteína que regula la transcripción)
Estructura de un operón bacteriano
ACTIVACIÓN REPRESIÓN
Tipos de Regulación
Moléculas involucradas a nivel TRANSCRIPCIONAL
Factor σ
Reguladores
El operón LAC tiene una expresión INDUCIBLE
El REPRESOR siempre está presente El represor está unido al OPERADOR Lactosa funciona como el INDUCTOR
REPRESIÓN
F. Jacob J. Monod A. Lwoff
La lactosa se une al represor, y este se separa del operador
Activación de la transcripción por LACTOSA
Regulación adicional del operón lac (Elección del mejor azúcar a metabolizar)
CAP= Catabolite activator protein
Activación del operón lac ACTIVACIÓN
En ausencia de glucosa
Lactosa
IPTG
No hidrolizable por β-gal
Hidrolizable por β-gal
Utilizado en: Ø Inducción sostenida del
operón Ø Análisis de regulación
El operón lac se expresa bien cuando hay lactosa Y NO hay glucosa
[glucosa]
[AMPc]
+ lactosa
[glucosa]
[AMPc]
+ lactosa
En ausencia de lactosa
Represor
RNA polimerasa
¡No hay transcripción!
– lactosa
+ glucosa + lactosa
¡La transcripción es baja (basal)!
En presencia de lactosa y glucosa
RNA polimerasa
inductor (lactosa)
En presencia de lactosa y ausencia de glucosa
- glucosa + lactosa
¡La transcripción es alta (constitutiva)!
Activador
- glucosa - lactosa
¡No hay transcripción!
En ausencia de lactosa y glucosa
Aunque el activador esté presente....
RNA polimerasa
El Operon TRP (expresión reprimible)
– Triptofano
Existe un represor, pero se sintetiza en forma inactiva
El Triptofano se une al Represor y lo activa
Complejo Represor-Corepresor
+ Triptofano
El Operon TRP: Atenuación Genes estructurales
péptido
Regulación Co-transcripcional y Traduccional Sólo es posible por la Transcripción/Traducción simultáneas
El Operon TRP: Atenuación Regiones del mRNA correspondiente al péptido líder
Terminador transcripcional
+ triptofano
En presencia de Triptofano
Se forma un tallo-asa entre secuencias 3 y 4 que actúa como terminador de la transcripción y no hay transcripción de genes estructurales
tRNA-Trp El ribosoma NO se detiene
Péptido líder
La falta de Trp ocasiona que el ribosoma NO cubra la secuencia 2 Se forma tallo-asa entre 2 y 3 en lugar de 3 y 4 lo cual está lejos de La RNA polimerasa, la transcripción prosigue y se transcriben y traducen los genes Estructurales del operón
– triptofano tRNA-Trp El ribosoma SE DETIENE
En ausencia de Triptofano
OPERÓN LAC
OPERÓN TRIPTÓFANO
Operón inducible, se expresa en presencia de lactosa.
Operón reprimible, se expresa en ausencia de triptófano.
La lactosa es el inductor
El triptófano es el co-represor
El represor se sintetiza en forma activa. Actúa solo.
El represor se sintetiza en forma inactiva. Actúa en presencia del co-represor.
Sus enzimas participan en un vía catabólica
Sus enzimas participan en una vía anabólica
Comparación entre Operón Lac y Operón Trp
¿Cómo funciona la regulación en el DNA?
1. Elementos en el DNA (secuencias específicas) actúan en CIS 2. Proteínas de unión a DNA (factores de transcripción) actúan en TRANS 3. Moléculas de RNA (reguladores de transcripción) actúan en TRANS 4. Otras moléculas que regulan a las proteínas de unión a DNA o a los RNAs
reguladores (metabolitos) actúan en TRANS
Sitio del operador lac al que se une el represor I
Sitio del promotor lac al que se une CAP
Los factores transcripcionales (activadores o represores) reconocen secuencias específicas en el DNA
Un factor transcripcional posee motivos estructurales específicos en los dominios de unión a DNA - Existen 4 principales motivos estructurales:
Generalmente, las partes que interactúan directamente con el DNA son ⍺ hélices (hélices de reconocimiento).
Un factor transcripcional posee motivos estructurales específicos en los dominios de unión a DNA - Existen 4 principales motivos estructurales:
La interacción con el DNA se da en un surco mayor. La unión puede ser en homodímeros o heterodímeros
Los factores de transcripción son proteínas de unión a DNA
Dominio de unión a DNA Dominio transactivador Domino regulable (p.ej. por hormona)
A)
B)
C)
D)
E l d o m i n i o d e transactivación ejerce la función activadora o represora de la transcripción. El dominio de unión a DNA funciona para reconocer elementos específicos en el DNA
Las secuencias reguladoras adquieren mayor complejidad en eucariontes
Los elementos adicionales al PROMOTOR BASAL pueden estar distantes al sitio de inicio de la transcripción
Promotor Basal: secuencia de nucleótidos necesaria para la fijación de la RNA polimerasa.
Secuencias reguladoras: A) Intensificadores (enhancers): secuencias que estimulan la transcripción y
cuya localización puede ser a miles de nucleótidos de distancia "río arriba o abajo" del promotor
B) Silenciadores (silencers): secuencias que inhiben la transcripción. También pueden hallarse muy distantes del promotor.
Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con el
sitio promotor. Son esenciales para la transcripción pero no pueden aumentar o disminuir su ritmo.
Factores específicos de la transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser activadoras o represoras.
A) Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del
gen (enhancers).
B) Proteínas represoras: interaccionan con las secuencias silenciadoras del gen (silencers).
Activadores
Represores
Co-activadores Co-represores
MEDIADOR
Factores de transcripción
basal
Otras proteínas reguladoras de Transcripción
Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen (enhancers).
Reclutan a la maquinaria transcripcional
Estimulan la transcripción
No interactúan directamente con la RNA polimerasa.
La posición/orientación de un enhancer puede variar
Activación del inicio de la transcripción mediante el reclutamiento de la maquinaria transcripcional.
B A
Los activadores pueden actuar de manera conjunta
Proteínas represoras: interaccionan con las secuencias silenciadoras del gen (silencers).
Inhiben la transcripción
Formas de acción de las proteínas reguladoras
Cada gen tiene una combinación particular de secuencias intensificadoras y silenciadoras. Genes distintos pueden compartir idénticas secuencias intensificadoras o silenciadoras, pero no existen dos genes que posean la misma combinación de estas secuencias reguladoras.
Formas de acción de las proteínas reguladoras Proteínas presentes Proteínas organizadas para cada GEN
La expresión genética en eucariontes requiere de cambios en el estado de la cromatina
Modificadores de Histonas Remodeladores de Cromatina Metilación en el DNA
Desacetilasas de Histonas
(HDACs)
Acetilasas de Histonas
(HATs)
Complejos remodeladores de cromatina
Heterocromatina DNA metilado
Histonas desacetiladas
Transcripción OFF
Eucromatina Histonas acetiladas
Transcripción ON
HOW GENETIC SWITCHES WORK
(A) rN SOLUTTON
to)
(B) ON DNA
coactivator\ ACTIVATES
PTION
.****liaGENE ON
coactivator ACTIVATESTRANSCRIPTION
II
447
Figure 7-51 Eucaryotic Aene regulatoryproteins often assemble into complexeson DNA. Seven gene regulatory proteinsare shown in (A). The nature and functionof the complex they form depends on thespecif ic DNA sequence that seeds theirassembly. In (B), some assembledcomplexes activate gene transcript ion,while another represses transcript ion.Note that both the red andthe greenproteins are shared by both activating andrepressing complexes. Proteins that do notthemselves bind DNA but assemble onother DNA-bound gene regulatoryoroteins are often termed coactivators orco-reoressors. However, these terms aresomewhat confusing because theyencompass an enormous variety ofproteins including histone readers andwriters, chromatin remodeling complexes,and many other classes of proteins. Somehave no intr insic act ivi ty themselves butsimply serve as a "scaffolding"to attractthose that do.
activates+ . transcfl pI|on
Figure 7-52 Schematic depict ion of acommittee of gene regulatory proteinsbound to an enhancer. The proteinshown in yel lowis cal led an architecturalprotein since i ts main role is to bend theDNA to al low the cooperative assemblyof the other components. The structuredeoicted here is based on that found inthe control region of the gene that codesfor a subunit of the T cel l recePtor(discussed in Chapter 25), and i t act ivatestranscription at a nearby promoter. Onlycertain cel ls of the developing immunesystem, which eventually give rise tomature T cells, have the complete set ofDroteins needed to form this structure.
GENE OFF
coactivator\ ACTIVATES
PTION
GENE ON GENE ON
Typically, a few relatively short stretches of nucleotide sequence guide theassembly of a group of regulatory proteins on DNA (see Figure 7-51). However,in some extreme cases of regulation by committee a more elaborateprotein-DNA structure is formed (Figure 7-52). Since the final assemblyrequires the presence of many gene regulatory proteins that bind DNA, it pro-vides a simple way to ensure that a gene is expressed onlywhen the cell containsthe correct combination of these proteins. We saw earlier how the formation ofheterodimers in solution provides a mechanism for the combinatorial control ofgene expression. The assembly of complexes of gene regulatory proteins onDNA provides a second important mechanism for combinatorial control, onethat offers far richer opportunities.
Compf ex Genetic Switches That Regulate DrosophiloDevelopment Are Built Up from Smaller ModulesGiven that gene regulatory proteins can be positioned at multiple sites alonglong stretches of DNA, that these proteins can assemble into complexes at eachsite, and that the complexes influence the chromatin structure as well as therecruitment and assembly of the general transcription machinery at the pro-moter, there would seem to be almost limitless possibilities for the elaborationof control devices to regulate eucaryotic gene transcription.
A particularly striking example of a complex, multicomponent geneticswitch is that controlling the transcription of the Drosophila Euen-skipped (Eue)gene, whose expression plays an important part in the development of theDrosophila embryo. If this gene is inactivated by mutation, many parts of theembryo fail to form, and the embryo dies early in development. As discussed inChapter 22, at the stage of development when Eue begins to be expressed, theembryo is a single giant cell containing multiple nuclei in a common cytoplasm.This cytoplasm is not uniform, however: it contains a mixture of gene regulatoryproteins that are distributed unevenly along the length of the embryo, thus pro-viding positional information that distinguishes one part of the embryo fromanother (Figure 7-53). (The way these differences are initially set up is discussedin Chapter 22.) Although the nuclei are initially identical, they rapidly begin toexpress different genes because they are exposed to different gene regulatoryproteins. The nuclei near the anterior end of the developing embryo, for exam-ple, are exposed to a set of gene regulatory proteins that is distinct from the setthat influences nuclei at the posterior end of the embryo.
The regulatory DNA sequences controlling the Eue gene are designed to readthe concentrations of gene regulatory proteins at each position along the lengthof the embryo and to interpret this information in such a way that the Eue geneis expressed in seven stripes, each initially five to six nuclei wide and positionedprecisely along the anterior-posterior axis of the embryo (Figure 7-54). How isthis remarkable feat of information processing carried out? Although not all ofthe molecular details are understood, several general principles have emergedfrom studies of Eue and other Drosophila genes that are similarly regulated.
Secuencia de eventos en la activación transcripcional
1. Los activadores se unen a enhancers.
2. Los Activadores interaccionan con co-activadores, estimulan la remodelación de la cromatina y la acetilación de histonas.
3. Los activadores unen al Mediador para reclutar la maquinaria de transcripción al promotor basal.
¿Cómo se percibe la señal de activación transcripcional?
Ejemplo 1: Hormonas liposolubles
1. La hormona es un ligando que entra a la célula (CORTISOL). 2. El receptor de la hormona es un FACTOR TRANSCRIPCIONAL (GR) que se encuentra inactivo y es liberado (activado) por el ligando. 3. GR entra al núcleo donde se dimeriza y actúa sobre sus elementos de respuesta (enhancer) estimulando la transcripción de genes específicos.
En este caso el ligando NO entra a la célula y su receptor es una proteína de membrana. 1. Al unir el ligando, el receptor se activa por FOSFORILACIÓN y actúa como cinasa ejecutando una cascada de fosforilaciones en el citosol. 2. El blanco final es un FACTOR TRANSCRIPCIONAL, el cual al fosforilarse se dimeriza y entra al núcleo donde actúa sobre genes específicos.
Ejemplo 2: Receptor de membrana
¿Cómo se percibe la señal de activación transcripcional?
Regulación de la expresión genética a nivel POST-TRANSCRIPCIONAL
Genome Biology 2002
Región 5’ UTR: Entre el 5’Cap y codón AUG
Región 3’ UTR: Entre codón STOP y cola de poli A
microRNA
IRES Tallo-asa Poliadenilación (polyA)
Proteínas reguladoras
Cap
Regulación Traduccional Localización sub-celular Estabilidad
Regulación por grupo HEMO en eritrocitos
En ausencia de HEMO se activa una proteína cinasa que fosforila a eIF2. eIF2 fosforilado no es capaz de intercambiar el GDP por GTP, ya que queda formando complejo inactivo con el eIF2B. Hay depleción de complejo ternario e inhibición de la traducción.
Control transcripcional
A- Factores de transcripción B- Grado de condensación de la cromatina C- Grado de metilación del DNA
Control procesamiento del mRNA
Capping Empalme (Splicing) alternativo Poliadenilación Control transporte del
mRNA
Mecanismos que determinan si el mRNA maduro sale o no a citosol
Control traduccional
Mecanismos que determinan si el mRNA presente en el citosol es o no traducido
Control de la degradación del mRNA
Mecanismos que determinan la supervivencia del mRNA en el citosol
Control de la actividad proteica
Mecanismos que determinan la activación o inactivación de una proteína, así como el tiempo de supervivencia de la misma
RESUMEN
