Control de la expresión génica Dra. María Isabel Fonseca

Expresión génica Se aplica con frecuencia a todo el proceso por el cual la información codificada en un gen particular se descodifica para producir una proteína particular.

La regulación en cualquiera de los diversos pasos del proceso de expresión génica podría conducir a una expresión génica diferencial en tipos celulares o etapas del desarrollo diferentes o en respuesta a condiciones externas.

En humanos hay 200 tipos celulares distintos Distintos tipos celulares, distintos momentos… distinto contenido de proteínas En humanos hay 200 tipos celulares distintos 10.000 – 20.000 proteínas distintas por célula 22% de los genes están destinados a controlar la expresión génica Diferente expresión según la etapa el ciclo, el desarrollo del individuo y necesidades metabólicas…

En propósito más característico y de mayor alcance biológico del control génico en los organismos multicelulares es la ejecución del programa genético que subyace al desarrollo embriológico. La generación de numerosos tipos celulares diferentes que forman en conjunto un organismo multicelular depende de que los genes adecuados se activen en las células adecuadas en el tiempo adecuado durante el periodo de desarrollo

Visión global del control génico PROCARIOTAS

La necesidad de regulación En procariotas la regulación de la síntesis de proteínas tiene lugar principalmente a nivel de la trascripción. En bacterias, el control génico sirve principalmente para permitir que una única célula se ajuste a los cambios en su ambiente de manera que se optimice su crecimiento y división.

Pero solo produce las necesarias y en cantidades suficientes Los procariotas han desarrollado procedimientos que les permiten utilizar al máximo los nutrientes destinados al crecimiento celular Puede sintetizar E. colli 1700 enzimas y prot. dif. Pero solo produce las necesarias y en cantidades suficientes En presencia de lactosa como fuente de carbono fabrican aprox. 3000 moléculas de beta-galactosidasa. Mientras que en ausencia de lactosa hay una sola molécula de la enzima. Es decir la lactosa INDUCE la producción de la enzima necesaria para degradarla. Por el contrario la presencia de un nutriente determinado puede REPRIMIR (inhibir la transcripción de un grupo de genes.Ej. Triptófano)

Modelo del Operón (Jacob y Monod) Los grupos de genes que codifican proteínas con funciones relacionadas se disponen en unidades conocidas como operones. Un operón comprende el promotor, los genes estructurales y otra secuencia conocida como operador (situado entre el P y los GE). La trascripción de los GE depende de los genes reguladores que codifican para una proteína llamada represor que se une al operador. La capacidad del represor de unirse al operador y asi bloquear la síntesis depende del efector q puede activar o inactivar el represor de ese operón en particular.

Operón inducible

En procariotas varios genes se controlan juntos

Operón represible

Operón represible

En procariotas podemos encontrar 4 alternativas

Visión global del control génico: eucariotas

La alteración de cualquiera de los pasos implicados en la expresión génica pueden causar enfermedades como por ejemplo el cáncer.

Control Pre-transcripcional y transcripcional en eucariotas

Control pre-transcripcional y transcripcional Accesibilidad del ADN a la transcripción: Condensación de la cromatina Metilacion del ADN Control pre-transcripcional Frecuencia/velocidad de inicio de transcripción Velocidad de elongación del ARN (poco regulada Eficacia de terminación de la trascripción Punto de inicio accesibles Factores de trascripción eficacia de promotores Control de transcripción

Control pre-transcripcional Se controla el acceso a las secuencias génicas del DNA La condensación de la cromatina: acetilación y desacetilación de histonas Regulación epigenética: metilación del ADN TFIID RNApol II TFIIH TFIIB TFIID

Control pre-transcripcional Se controla el acceso a las secuencias génicas del DNA La transcripción no puede tener lugar sobre DNA en estados de condensación superiores a la fibra de 10nm

Regulación genética de la transcripción Factores involucrados Secuencias promotoras (factores cis) Factores proteicos (factores trans) Presentes en el DNA – porción reguladora del gen Reconocen las secuencias promotoras Factores de trascripción – Codificados en otros genes

Regulación genética de la transcripción Promotores: secuencias consenso Promotores: Secuencias consenso

Factores de transcripción para cada promotor Promotor basal TF generales Promotor proximal TF proximales Activador o enhancer Silenciador o silencer Promotor distal TF inducibles

3’ 5’ En eucariotas cada gen posee varios promotores Promotor proximal Promotor basal -30 a -40 pb Promotor proximal -50 a -200 pb Promotores distales Secuencia TATA Inr CAAT GC

Modelo general de los elementos de control que regulan la expresión génica en los eucariotas multicelulares y en las levaduras

Varios TF reconocen estos promotores

Tres polimerasas catalizan la formación de RNA diferentes en los eucariontes

Factores de transcripción Dominio de unión al ADN Dominio de activación que interactúa con otras proteínas para estimular la transcripción a partir de un promotor cercano (Activadores) Dominio de represión (Represores)

Los dominios de union al ADN pueden clasificarse en varios tipos estructurales Por lo general la capacidad de las proteínas de unión al DNA para unirse a secuencias especificas de DNA es resultado de las interacciones no covalentes entre átomos en una helice alfa del dominio de unión al DNA y átomos en los bordes de la base dentro de un surco mayor del DNA. También contribuyen a la unión las interacciones con los átomos de la columna de azucares fosfato y en algunos casos átomos de un surco menor del DNA

Los factores proteicos leen el DNA

Los factores proteicos poseen motivos para leer el DNA: Motivo hélice-giro-helice (HTH)

Los factores proteicos poseen motivos para leer el DNA: Motivo homeodominio

Los factores proteicos poseen motivos para leer el DNA: Motivo hélice-bucle-helice (HLH) y cremallea de leucina

Los factores proteicos poseen motivos para leer el DNA: Motivo de zink

Los TF pueden actuar de dos maneras - Regulando el acceso a las secuencias de inicio

Los TF pueden actuar de dos maneras - Colaborando con la estabilidad del complejo de inicio

Los TF inducibles pueden activarse de diferentes maneras - Biosíntesis de la proteína - Unión a un ligando - Fosforilación - Complejo con otra proteína - Desenmascaramiento - Traslado al núcleo

Los TF inducibles forman dímeros Dominio de activación Dominio de unión al DNA

Los receptores de hormonas esteroideas: TF

Glucocorticoides

Control post-transcripcional

Control pos-transcripcional Velocidad de procesamiento Maduración alternativa Corte y empalme. Modificaciones Control de procesamiento del ARN Control de transporte del ARN Selección del los RNAs son transportados Transporte activo a través de los poros Control de degradación del RNA Estabilidad del ARNm maduro

SPLICING ALTERNATIVO Regulación de la maduración del ARN Los exones se pueden empalmar de manera alternativa SPLICING ALTERNATIVO

Regulación de la maduración del ARN Los exones se pueden empalmar de manera alternativa

EDICIÓN solo se expresa en el hígado y forma parte de VLDL, IDL y LDL se genera únicamente en el intestino delgado y forma parte de los quilomicrones

Se puede regular la vida media de los RNA Transferrina

Diversas proteínas regulan el transporte del mRNA

Complejo de iniciación 80S La traducción se puede controlar por fosforilación de IF GDP eIF-2 GTP eIF-2 GTP eIF-2 Met-tRNAi P Met-tRNAi GDP eIF-2 GDP CBP AUG eIF-4 eIF-3 Ribosoma 40S Complejo de iniciación 80S

Controlar la frecuencia de traducción Ferritina

Enlaces que se utilizaron en el diseño Modern Genetic Analysis. Griffiths, Anthony J.F.; Gelbart, William M.; Miller, Jeffrey H.; Lewontin, Richard C. New York: W. H. Freeman & Co.; c1999. Molecular Biology of the Cell. 3rd ed. Alberts, Bruce; Bray, Dennis; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Watson, James D. New York and London: Garland Publishing; c1994. Molecular Cell Biology. 4th ed. Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. New York: W. H. Freeman & Co.; c1999. Human Molecular Genetics 2. 2nd ed. Strachan, Tom and Read, Andrew P. Oxford, UK: BIOS Scientific Publishers Ltd; 1999. Genomes. 2nd ed. Brown, T. A. Oxford, UK: BIOS Scientific Publishers Ltd; 2002