TEMA 6 (10 horas)REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA

Características generales de la regulación genética en procariotas y eucariotas. Niveles de la regulación.

Regulación de la expresión genética en procariotas.1. El modelo del operón de Jacob y Monod. Elementos integrantes del operón: genes estructurales, operador, promotor, genes reguladores, moléculas reguladoras.2. Inducción y represión. Regulación positiva y regulación negativa. El operón lactosa.

Regulación de la expresión genética en eucariotas.1. Niveles de regulación.2. Regulación a nivel transcripcional. RNA polimerasa I, II y III. Factores de transcripción. Promotores. Potenciadores.3. Regulación por modificaciones post transcripcionales.4. Regulación a nivel traduccional.

Genética teoríaTema 6Regulación Genética

• Los sistemas procariotas y eucariotas

• La transcripción

• Control de la expresión genética en procariotas

• El operón lactosa

• Sistemas de control positivo y negativo

• El operón triptófano

Vibrio cholerae

Organismos unicelulares• Contacto directo con el ambiente externo• Capacidad de respuesta a cambios en el ambiente con cambios en la expresión genética

Bacterias en el agua contaminada

Toma de agua contaminadaAmbiente ácido del estómago

• Paso de sobrevivientes al intestino delgado• Penetración de la mucosa intestinal: proteasas y flagelina• Adherencia al epitelio intestinal: proteínas de virulencia, toxina

Diarrea producto de la fuga de Cl-,deshidratación y muerte

Los procariotas regulan la expresión genética mediante:La activación, el incremento, la disminución y la prevención dela transcripciónRegulación negativa: bloquea Regulación positiva: activa

ADN ARN

TRANSCRIPCIÓN

PROTEINAS

TRADUCCION

Organización del genoma refleja los mecanismos de control en ambos sistemas procariotas y eucariotas

Expresión genética

• Empaquetamiento del ADN

• Organización de los genes: monocistrónicos vs policistrónicospresencia de intrones y exones

• Compartamentalización : núcleo y citoplasma

• Tipos de ARN polimerasas: Tres en eucariotas

La transcripción: pasos en el proceso

Iniciación

Promotor

Elongación

ADN desenrrollado

Promotor

TerminaciónDependiente de Rho

TerminaciónIndependiente de Rho

Asa señala liberación del ARNm

ARNm desprendido de la polimerasa

o

Cada paso puede ser un punto de control

Procariotas

Procariotas

Existen señales diferentes de inicio y terminaciónpara cada proceso

El nivel más importante de control es la iniciación de la transcripción

Interacción directa de proteínas y ADN:Reconocimiento del promotor por la ARN polimerasa

Traducción se inicia antes que la transcripción termine

Transcripción

Traducción inmediata

Proteína naciente

Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa

• Permeasa• β - galactosidasa

1000 X

Inducción

Inductor

InductoresAlolactosa

Unión de proteínas regulatorias a regiones específicas del ADNcontrola la transcripción:

Inhibición de la actividad de la ARN polimerasa:regulación negativa

Incremento de la actividad de la ARN polimerasa:regulación positiva

Interior de la célula

Permeasa Permeasa

Periplasma

Membrana interna

Lactosa

β-Galactosidada

Lactosa

Lactosa

Glucosa

Galactosa

Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa

Ventajas• Cultivos de gran número de células mutantes Lac–

genes no esenciales

lacZ lacY lacA

Pruebas de complementación y mapeo determinaron:

Tres genes agrupados

lacZ : β-galactosidasalacY : PermeasalacA :Transacetilasa

• Mapeo del mutante por conjugación Hfr y complementación

• Capacidad de medir niveles de expresión de las enzimasSustratos químicos o-nitrofenil galactosido ONPG y X-gal

Mutaciones en lacI eran constitutivaslacI : Represor

Un cuarto genlacI : Represor

Las mutaciones lacI - eran constitutivasLa β-galactosidasa y la permeasa siempre presentes

¿Había un regulador negativo que impedía la expresión en la ausencia del inductor?

Arthur PardeeJacobJacques Monod

Medio sin lactosa

HfrlacI+ lacZ+

F-

lacI- lacZ-X

Ca

ntid

ad

es

rela

tiva

s d

e s

ínte

sis

de

β –

ga

lact

osi

da

sa

en

la r

ece

pto

ra F

– m

uta

nte

lacI

– la

cZ –

Tiempo (horas)

Genes lacI+ lacZ+ entran en F- por conjugación

Sin inductor al expresarse lac I+ se produce el represor y cesa la síntesis de β-galactosidasa

β-galactosidasa inmediatamente de la transferenciaEl gen lacZ+ se expresa

Sínteisis de

Al añadir el inductor, lactosa continua la síntesis de β-galactosidasa

El experimentoPaJaMo

Represor normalRepresor mutante superrepresor

Propusieron al represor como elemento regulador

Se une al operadorLas enzimas no se sintetizan

No puede unirse al operadorLa enzima es constitutiva

Represor mutante

El complejo represor/inductor no se une al operador:TRANSCRIPCION

El inductor no se une al represor y el represor se une al operador aun en presencia del inductor:

NO HAY TRANSCRIPCION

Represor normal

Represor mutante

Represor normal

lacI + Inductorpuede unirse al represor

lacI S mutante

Mutaciones en lacI

lacI –

No induciblees constitutiva

lacI S

No inducibleSuper reprimida

Análisis estructural del represor

Dominio de uniónal ADNMutaciones lacI -

Dominio de unión al inductorMutaciones lacI S

El represor es una proteína alostérica:cambia su confirmación de manera reversible al interactuar con otras moléculas

N- terminal

C- terminal

Mutaciones en el operador: son constitutivas

Operador mutante OC

Cambio en la secuencia de nucleótidos

El represor no reconoce ni se une al operador,Las enzimas del operon lac se sintetizan constitutivamente

Propusieron otro elemento regulador en el ADN: el operador

Otras mutaciones constitutivas que mapean en lacO: lacOC

¿Cómo distinguir las mutaciones constitutivas en el represor y en el operador?

Elementos regulatorios CIS y Trans: ADN y proteínas

Uso de merozigotos F’ para definir interacción alélica: dominancia/recesividad

Bacteria lacI - O + lacZ +

F´ lacI + O + lacZ -

El producto lacI + difunde y es dominante sobre lacI – El represor difunde,actúa en trans

¿Sistema inducible?

SI

Elementos regulatorios CIS y Trans: ADN y proteínas

Uso de merozigotos F’ para definir interacción alélica: dominancia/recesividad

Bacteria lacI + O + lacZ +

F´ lacI S O + lacZ -

El producto lacI S difunde yes dominante sobre lacI + El represor difunde,actúa en trans

¿Sistema inducible?

No, está super reprimido

Elementos regulatorios CIS y Trans: ADN y proteínas

Bacteria lacI + O C lacZ +

F´ lacI + O + lacZ -

El producto lacI + difunde y es dominante pero no puede actuar en el operador mutante el operador actúa CIS sobre lacZ +

¿Sistema inducible?

NO

En general los productos génicos (proteínas) difundibles que se unen a un blanco de ADN, actúan en trans y el alelo dominante cubre toda la función

Los genes de acción cis solo afectan a los genes contíguos, generalmente se altera el sitio de unión en el ADN y no una proteína

La teoría del operón

Unidad de organización genética que permite la regulación simultánea de genes estructurales generalmente relacionados en respuesta a cambios ambientales

Inducción

Represión

No hay lactosa en la célulaEl represor está unido al operadorLos genes Z, Y y A no se expresan

Represor +inductorNo se uneal operador y se expresan Z, Y y A

La ARN polimerasa inicia la transcrición porque el promotor está accesible

Los actores

Genes estructuralesGenrepresor

Promotor

Operador