Estructura y regulación génica

Presentación del tema: "Estructura y regulación génica"— Transcripción de la presentación:

1 Estructura y regulación génica
Profesora Marcela Saavedra A.

2 Material genético El material genético determina y controla las características estructurales y metabólicas de todos los seres vivos. Se transmite de una generación a otra. DNA

3 Material genético en procariontes
El cromosoma procariota es un filamento simple, continuo (circular) de ADN de cadena doble, con una anchura de 2 nanómetros. En Escherichia coli contiene 4,7 millones de pares de bases y cuando se extiende completamente alcanza una longitud de 1 milímetro. Una célula de E. coli mide menos de 2 micrómetros, por lo que el cromosoma es una 500 veces mayor que la misma célula. Dentro de la célula, el cromosoma se halla plegado formando una masa irregular llamada nucleoide.

4 Escherichia coli

5 DNA extra nuclear Moléculas de DNA circular también se encuentran en las mitocondrias de numerosas células eucariontes y en los cloroplastos de las plantas.

6 Material genético en eucariontes
En eucariontes el material genético consiste en moléculas lineales de DNA no ramificadas, de diferente longitud pudiendo llegar a ser extremadamente largas (megabases) las que se encuentran unidas a un grupo de proteínas básicas llamadas histonas. Este complejo formado por el DNA y las proteínas recibe el nombre de cromatina.

7 DNA en eucariontes

8 Genes La información que contiene el DNA de todos los seres vivos se encuentra almacenada en unidades estructurales que se conocen con el nombre de Genes. “fragmento de DNA que contiene la información que codifica para la síntesis de una cadena polipeptídica o RNA funcional (tRNA, rRNA, mRNA)”.

9 Genes

10 Organización de los genes en el DNA
La organización de los genes en el DNA presenta bastantes diferencias en procariontes y eucariontes. Ejemplo: serie de enzimas que sintetizan el aminoácido triptófano Bacterias Levaduras Codificadas en secuencias continuas Genes ubicados en cromosomas distintos Bajo una misma región reguladora Region reguladora en cada cromosoma

11 Procariontes Eucariontes

12 Organización de los genes procariontes
En el ADN procarionte los genes que codifican proteínas relacionadas funcionalmente se encuentran agrupados en regiones que funcionan como una unidad que se transcribe desde un sitio único y genera un ARNm codificante de numerosas proteínas.

13 Cada sección del ARN mensajero representa una
unidad (gen) que instruye al aparato de síntesis de proteína para la construcción de una proteína particular. Este arreglo de genes en serie, funcionalmente relacionados, se llama operón, porque actúa como una unidad con un solo sitio de inicio de la transcripción para varios genes.

14 Operón Triptófano Es un segmento continuo del cromosoma de E. coli, que contiene 5 genes, los cuales codifican las enzimas necesarias para las distintas etapas de la síntesis de triptófano.

15 Transcripción El operón entero es transcrito desde un sitio del ADN y origina un largo y continuo ARNm.

16 Traducción La traducción de este ARNm empieza en cinco sitios distintos de inicio, uno para cada enzima distinta codificada en este ARNm. El orden de los genes en el ADN bacteriano corresponde al orden de las enzimas que catalizan las distintas etapas de síntesis del triptófano

17 El modelo operón fue propuesto por Jacob, Monod y Wollman basado en sus estudios genéticos y bioquímicos sobre las mutaciones de E. coli que requieren lactosa.

18 E. coli crece en el medio cuando hay glucosa. Pero
sino la hay y si hay lactosa, crece con lactosa. Jacob y Monod comprobaron que cuando en el medio había lactosa aumentaba la concentración intracelular de beta-galactosidasa, además se producían dos proteínas: permeasa que introduce la lactosa en el interior de la bacteria y la transacetilasa. Beta galactosidasa Lactosa galactosa + glucosa.

19 Operón Lac

20 Componentes del operón Lac
Un gen regulador: El gen regulador codifica una proteína reguladora, llamada represor. Por ejemplo, el represor lac, codificado por el gen lac I, es la proteína reguladora del operón lac.

21 Componentes del operon Lac
Un operador. El operador es la región de DNA en el operón a la que se une la proteína reguladora.

22 Componentes del operón Lac
Un promotor. El promotor es la secuencia de DNA en el operón reconocida por la RNA polimerasa. El lugar de iniciación para la síntesis del RNA está situado inmediatamente tras el promotor.

23 Componentes del operón Lac
Genes estructurales. El operón contiene uno o más genes que codifican enzimas inducibles. El operón lactosa codifica las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa, incluyendo ß-galactosidasa, ß-galactósida permeasa y ß- galactósido transacetilasa.

24 Z: beta-galactosidasa
Genes del operón Lac Z: beta-galactosidasa Y: permeasa A: transacetilasa

25 Actividad Existen algunos mutantes de E. coli que son incapaces de regular la producción de enzimas y producen, por ejemplo, beta-galactosidasas incluso en ausencia de lactosa, o enzimas para sintetizar triptófano incluso cuando hay triptófano. ¿Qué desventaja tienes estos especímenes comparándolos con normales?

26 ¿Cuál es el beneficio que se puede obtener de
conocer la función especifica de los operones, sobre todo en el área biotecnológica medica? Según tus conocimientos previos, ¿Cuál es la principal diferencia entre el control génico en procariontes y eucariontes?

27 Regulación génica En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesario regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. Economía celular en la expresión de genes Obtención de energía de distintas fuentes

28 Regulación génica La regulación de la producción de proteínas (síntesis) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en las tres etapas del dogma. En el proceso influyen proteínas reguladoras que pueden actuar como controles negativos (inhibiendo) o controles positivos (estimulando la transcripción) De los tres niveles de regulación, uno de los mejor conocidos actualmente es la regulación durante la transcripción. Aunque la regulación de la transcripción en eucariontes es más compleja que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. Por tanto, comenzaremos por el estudio de la regulación de la transcripción en bacterias.

29 Genes constitutivos Necesidades básicas para el mantenimiento normal de una célula implica la expresión continua de genes, con el fin de sintetizar proteínas necesarias (metabolismo). Su regulación conlleva que se estén expresando siempre, codificando para sistemas enzimáticos que funcionan continuamente.

30 Genes regulados Genes que se expresan solamente en determinadas situaciones y que, por consiguiente, codifican para enzimas que solamente se necesitan en momentos concretos, codifican para sistemas enzimáticos adaptativos, por su característica de expresarse según las condiciones del medio.

31 Sistemas inducibles y represibles
Sistemas inducibles: cuando el sustrato sobre el que va actuar la enzima provoca la síntesis del enzima. Al efecto del sustrato se le denomina inducción positiva. Ej. Lactosa Inductor Sistemas represibles: cuando el producto final de la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa Ej. Triptófano Correpresor

32 Operón Lac (sistema inducible)
El Operón lactosa, es un sistema inducible, el inductor es la lactosa que estimula la transcripción de los genes estructurales.

33 Operón Lac sin Inductor
Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor (la lactosa), la proteína represora producto del gen I se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales.

34 Operón Lac sin Inductor

35 Operón Lac con Inductor
En presencia del inductor (la lactosa), este se une a la proteína reguladora que cambia su conformación y se suelta de la región operadora dejando acceso libre a la ARN-polimerasa para que se una a la región promotora y se transcriban los genes estructurales. Por consiguiente, la presencia del inductor hace que se expresen los genes estructurales del operón, necesarios para metabolizar la lactosa.

36 Operón Lac con Inductor

37 Sistema Inducible

38 para recordar…. Los tres genes estructurales del operón lactosa se transcriben juntos en un mismo ARNm, es decir que los ARN mensajeros de bacterias suelen ser policistrónicos, poligénicos o multigénicos.

39 Operón triptófano Genes estructurales: cinco genes en el siguiente orden trpE-trpD-trpC-trpB-trpA. Las enzimas codificadas por estos cinco genes estructurales actúan en la ruta metabólica de síntesis del triptófano en el mismo orden en el que se encuentran los genes en el cromosoma. Elementos de control: promotor (P) y operador (O). Gen regulador (trpR): codifica para la proteína reguladora. Este gen se encuentra en otra región del cromosoma bacteriano aunque no muy lejos del operón. Correpresor: triptófano.

40 Operón triptófano (sistema represible)

41 Operón triptófano sin Correpresor
En ausencia de triptófano, o cuando hay muy poco, la proteína reguladora producto del gen trpR no es capaz de unirse al operador de forma que la ARN-polimerasa puede unirse a la región promtora y se transcriben los genes del operón triptófano.

42 Operón triptófano sin Correpresor

43 Operón triptófano con Correpresor
En presencia de triptófano, el triptófano se une a la proteína reguladora o represora cambiando su conformación, de manera que ahora SI puede unirse a la región operadora y como consecuencia la ARN-polimerasa no puede unirse a la región promotora y no se transcriben los genes estructurales del operón trp.

44 Operón triptófano con Correpresor

45 Sistema represible

46 en síntesis…. Por tanto, la diferencia esencial entre el operón lac (inducible) y el operón trp (represible), es que en este último el represor del triptófano solamente es capaz de unirse al operador cuando previamente está unido al trp.

47 REGULACIÓN GÉNICA EN EUCARIONTES

48 Recordar… En bacterias, el control génico le permite a una célula ajustarse a cambios de su medio ambiente nutricional. En organismos eucariontes multicelulares, en cambio, el control de la actividad génica esta relacionado con un programa genético, que depende del desarrollo embriológico y de la diferenciación de distintos tejidos.

49 Regulación en eucariontes
Una célula eucariota regula las proteínas que sintetiza; Regula el momento y la frecuencia con que un determinado gen es transcrito (control transcripcional); Controla el procesamiento del ARNm transcrito (control de procesamiento de ARNm); Regula las moléculas de ARNm que son exportadas del núcleo al citoplasma (control de transporte del ARNm);

50 Controla la vida media del ARNm (control de degradación del ARNm)
Regula los ARNm que son traducidos por los ribosomas en el citoplasma (control de traducción); Controla la vida media del ARNm (control de degradación del ARNm) Regula la activación e inactivación de proteínas (control de la actividad de las proteínas). De todas estas etapas de regulación, la primera es la que resulta más económica para la célula. La transcripción en los eucariotas difiere de la de los procariotas en varios aspectos.

51 Diferencias Separación física entre la transcripción y la traducción (núcleo---citoplasma) El cromosoma eucarionte difiere en muchos aspectos del cromosoma procarionte Aún siendo la transcripción el principal punto de regulación, al igual que en procariontes, la expresión de los genes suele estar sometida también a distintos tipos de control post- transcripcional

52 Cromosoma procarionte y eucarionte

53 Mientras que las células procariotas transcriben casi todos sus genes, las células eucariotas eligen qué genes transcribir, dependiendo de señales intra y extra celulares, además de las relaciones que se sostienes con otros tipos celulares. Cada tipo celular eucariota expresa sólo una fracción de los genes que tiene, esta fracción compromete alrededor del 20% de ellos. Es decir, sólo el 20% de los genes se transcribirá en ARN y luego se traducirá en proteínas.

54 La estructura básica de los genes eucariontes presenta las siguientes características:
Secuencias promotoras o promotor constituidas por: TATA BOX, CAAT BOX, GC BOX. Secuencias potenciadoras o enhancers. Secuencia TAC Exones Intrones Secuencia de acoplamiento para la cola de poli A. Codón TTA que indica el final de la traducción.

55 Promotor: secuencias que sirven de reconocimiento para los distintos tipos de ARN polimerasa existentes en eucariontes. Contienen varias regiones diferenciadas: TATA box (Caja TATA) : secuencia de 7 nucleótidos (TATAAAA) ubicada a 30 pares de bases antes del inicio de la transcripción. CAAT box, (Caja CAT): secuencia GGC CAAATC ubicada a 90 pares de bases del inicio de la transcripción a la cual se unen los factores de la transcripción. GC box. (Caja rica en GC):secuencia ubicada a 110 pares de bases antes del inicio de la transcripción. Se asocia también a la unión de factores de la transcripción.

56 Secuencias potenciadoras o enhancers: regiones del DNA que aumentan la eficiencia del promotor cuando se unen a ellas factores de transcripción que las activan. Su localización es variable. Exones. Corresponde a las secuencias codificantes. Intrones. Corresponde a las secuencias no codificantes

57 ¿Cuál es la secuencia de inicio en el ARNm?
Secuencia trailer (acoplamiento para la cola de poli A): corresponde a la secuencia AATAAAAA la cual es necesaria para el agregado de la cola de poli A en el extremo 3´ del transcrito. Secuencia TAC que en el ARNm corresponde a la secuencia que señala el inicio de la traducción ¿Cuál es la secuencia de inicio en el ARNm? Codón TTA que señala el final de la traducción.

58 Componentes del gen eucarionte

59 Elementos reguladores
Se requiere una variedad de proteínas en la regulación de la expresión génica. Para poder iniciar la transcripción, la ARN polimerasa requiere que un grupo de factores generales de transcripción (proteínas) , se ensamblen en la región promotora del gen. Esto permite la unión de la ARN polimerasa y la posterior transcripción. Algunas de estas proteínas tienden a activar el gen y otras a desactivarlo.

60 Factores de Transcripción

61 A modo de organización de los procesos de regulación se identifican las siguientes etapas de regulación: Controles transcripcionales Controles postranscripcionales Controles postraduccionales

62 Control transcripcional
Por medio de la regulación del inicio de la transcripción se puede elegir qué genes “encender” (activar) o “apagar” (inhibir) en un momento determinado. Hay regiones de ADN que están siempre apagadas y cuyos genes no se transcriben nunca. Uso de secuencias reguladoras que permiten la unión de factores de transcripción, que se unen a regiones cercanas al promotor, facilitando o impidiendo la transcripción.

63 Control post- transcripcional
Un casquete de metil-guanina (CAP) al extremo 5’ de la molécula. Una cola de poli-A al extremo 3’ al terminar la transcripción.

64 Se produce remoción de intrones y unión de exones en el ARNm antes de dejar el núcleo.
Este proceso es conocido como empalme o "splicing"( Del inglés corte y empalme. )

65 Mecanismo molecular del splicing
Proceso muy exacto, donde los intrones son cortados del ARNm inmaduro por un sistema específico que reconocen secuencias cortas dentro del intrón y que se encuentra cerca de los límites con exones. Estas secuencias son llamadas "sitio dador"

66 Ejemplo de maduración de ARNm

67 Spliceosoma, El corte y empalme esta catalizado por una estructura pequeña, compuesta por ribonucleoproteínas llamadas spliceosoma, la que reconoce las secuencias en los intrones y su posterior fijación. Luego hay una secuencia de pasos que determinan el ligado de los exones

68 Spliceosoma

69 Edición y transporte del ARNm
En algunas casos se incluyen ribonucleotidos en regiones especificas, los que genera un corrimiento de la lectura sintetizando proteínas diferentes. El ARNm procesado correctamente se transporta hacia el citoplasma a través de los poros de la carioteca

70 Control post- traduccional
Una vez sintetizadas, las proteínas pueden ser modificadas mediante la unión de distintas moléculas (grupos fosfato, adenilatos, azúcares) Estos agregados permiten regular la acción proteica muy rápido porque no dependen del proceso de síntesis. Estas modificaciones generalmente le otorgan la funcionalidad a la proteínas (hormona, enzima)

71 Resumen