Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E 5622-5280 hlozat@unam.mx

VIII. Regulación de la Expresión genética Objetivo general El alumno identificará los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

Objetivos particulares El alumno... Conoci-miento Compren-sión Aplica-ción 1. Regulación genética en procariontes 1.1. Conocerá los distintos niveles de regulación genética. X 1.2. Identificará las diferencias entre regulación positiva y negativa. 1.3. Comprenderá el concepto de inducción y represión. 1.4. Conocerá el concepto de operón, genes reguladores, genes estructurales, promotor, reguladores en cis y trans. 1.5. Comprenderá el funcionamiento del operón lac. 1.6. Comprenderá el modelo de represión catabólica: AMPc y CAP. 1.7. Conocerá los sistemas de regulación por atenuación: operón del triptófano. 2. Regulación genética en eucariontes 2.1. Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas en la regulación genética. 2.2. Conocerá las características de los factores de transcripción y su papel en la regulación de la expresión genética. 2.3. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la regulación de la expresión genética. 2.4. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de la expresión genética (microRNAs).

1. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EN PROCARIOTES

La regulación de la expresión de los genes se establece de la necesidad de controlar la actividad de las enzimas o de las proteínas en general, en momentos precisos de la vida de la célula REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA CELULAR ALOSTERISMO POSITIVO O NEGATIVO REGULACIÓN COVALENTE a) MODIFICACIONES POST-TRADUCCIONALES b) ZIMÓGENOS POR PRODUCTO, RETROALIMENTACIÓN ISOENZIMAS CANTIDAD DE ENZIMA SÍNTESIS DEGRADACIÓN

Regulación a nivel de: Transcripción DNA mRNA PROTEÍNA Transcripción Traducción Regulación a nivel de: Transcripción Transcripción

Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos mecanismos Aumenta el número de transcritos Resultando en un aumento en la cantidad de proteína Regulación transcripcional

Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos mecanismos B Regulación traduccional

En bacterias, el principal nivel de regulación es el transcripcional GENE CON Regulación positiva (+) El gene “se enciende” (se empieza a transcribir o se transcribe más) GENE CON Regulación negativa (-) El gene “se apaga” (no se transcribe o se transcribe menos)

El modelo del Operón lac F. Jacob J. Monod A. Lwoff Expresión inducible

La lactosa es hidrolizada por la -galactosidasa para generar glucosa y galactosa Alolactosa La b galactosidasa también convierte parte de la lactosa en alolactosa

La síntesis de la b-galactosidasa se induce cuando hay lactosa en el medio La -galactosidasa se encuentra en niveles muy bajos dentro de la célula si no hay lactosa en el medio. Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste.

En bacterias los genes están organizados en operones por lo que la expresión es coordinada DNA RNA polimerasa

Componentes de un operón DNA RNA polimerasa P: promotor de los genes estructurales E1, E2, E3 y E4 R: gen regulador (codifica una proteína represora que regula la transcripción de los genes estructurales) O: operador (secuencia reconocida por la proteína represora que impide la transcripción) Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.

Los operones están formados por genes estructurales y una región de control Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

Cuando no hay lactosa en el medio, el operón lac está apagado El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a

Cuando hay lactosa en el medio, el represor se disocia del operador y los genes z, y, a pueden ser transcritos El inductor se une al represor y éste ya no se une al DNA. La RNA polimerasa reconoce al promotor y transcribe los genes estructurales

b Galactosidasa Permeasa Transacetilasa El inductor se une al represor y entonces éste ya no se une al DNA, permitiendo la transcripción El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a Operón reprimido Operón inducido b Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

El Operon lac se activa para poder utilizar a la lactosa como fuente de carbono Genes estructurales Gen regulador

Normalmente, hay una expresión baja del operón lac lo que permite que haya un poco de b-galactosidasa en la célula

La lactosa es convertida a alolactosa por la b galactosidasa La lactosa es convertida a alolactosa por la b galactosidasa. La alolactosa es el inductor del operón lac.

Activador CRP. cAMP receptor protein Aún en ausencia del represor, la activación del operón lac requiere la pariticipación de un activador: CRP o CAP Activador CRP. cAMP receptor protein También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein. CRP une cAMP Este activador regula la expresión con base en los niveles de glucosa presentes en el sistema Si los niveles de glucosa son altos, hay poco cAMP. Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho cAMP.

Cuando los niveles de cAMP se incrementan, éste se une a la CRP El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa y causa un giro en el DNA que facilita la unión de la RNA polimerasa al promotor, activándolo.

El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa facilitando la unión de la RNA polimerasa al promotor e incrementando 50 veces la transcripción

¿Cómo se regula el operón lac cuando hay glucosa en el medio? – lactosa Represor RNApol Regulación negativa No se transcribe

Regulación del operón de lactosa Regulación Negativa Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay b galactosidasa

¿Qué le pasa al operón lac en presencia de lactosa aún cuando exista glucosa? inductor (lactosa) RNApol Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción basal). La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar

Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos. La síntesis del mRNA lac es pobre.

¿Qué le pasa al operón lac cuando hay lactosa en el medio y no hay glucosa? Activador Regulación positiva La transcripción es alta

Regulación positiva. Inducción. Cuando hay lactosa y la glucosa es baja, los niveles de cAMP son altos. El cAMP se une con la CRP que activa a la RNApol para transcribir al operón lac. Por lo tanto, se sintetiza mucho mRNA lac.

¿Qué le pasa al operón lac cuando no hay glucosa ni tampoco lactosa? Como el represor está unido al promotor RNApol ¡No hay transcripción! Aunque los niveles de cAMP sean altos y el activador esté presente....

Regulación negativa En presencia de glucosa y ausencia de lactosa En presencia de lactosa y ausencia de glucosa

Regulación positiva + lactosa [glucosa] [AMPc]

Represión por catabolito del operón lac (Elección del mejor azúcar a metabolizar) CAP= Catabolite activator protein Activación del operón lac

El operador actúa en cis y regula a los genes que están ligados al lado de éste

El gen I actúa en trans La proteína codificada por el gen I actúa reconociendo al operador, por lo que el gen I no necesita estar al lado de un operador para regularlo.

Secuencia del operador lac al que se une el represor I Sitio del promotor lac al que se une CAP

El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es decir aquel en el cual la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa) induce la transcripción de los genes estructurales. El operón lac también se encuentra bajo control positivo. Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de cAMP, el cual tiene influencia en la activación del operón lac. El cAMP actúa uniéndose a una proteína fijadora de cAMP denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando la concentración de este complejo es alta (poca glucosa), el CAP-cAMP se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora para la RNA polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón. Para que se exprese el operón lac deben darse dos condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja.

Operón de triptófano Este operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la biosíntesis de triptófano. Bajo control del promotor (Ptrp) y del operador (Otrp)

El represor se une a triptófano y este complejo se une al operador reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.

Sin triptófano en el medio El Operón Trp Sin triptófano en el medio De manera normal, Escherichia coli está expresando su operón Trp. En este caso el represor codificado por el gen regulador, es inactivo.

¿Qué ocurre cuando hay triptófano en el medio? Complejo Represor-Corepresor + Triptófano en el medio El triptófano (correpresor) se une al represor, activándolo. Ahora el represor se puede unir al operador impidiendo la transcripción del operón trp. Regulación negativa

Comparación entre Operón Lac y Operón Trp 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

Regulación de la expresión genética a nivel traduccional

Atenuación del operón Trp Se basa en la existencia de secuencias específicas en el mRNA policistrónico Trp, en la región 5’ del mRNA, que al ser traducidas por el ribosoma y dependiendo de la presencia de tRNATrp, pueden controlar la transcripción .

En el operón de triptófano hay una región atenuadora en la que dos codones para Trp se encuentran muy juntos Cuando los niveles de Trp son altos, el ribosoma traduce rápidamente el mRNA incluyendo los dos codones de Trp. Esto favorece la formación de un tallo-asa que provoca la terminación de la transcripción. Cuando los niveles de Trp son bajos, el ribosoma se detiene en los codones de Trp, por lo que no se forma el tallo-asa y la transcripción continua.

Mecanismo de atenuación Se basa en la presencia de 4 secuencias invertidas repetidas en el mRNA capaces de formar tallos-asa que pueden pausar la traducción y la transcripción. + triptófano tRNA-Trp El ribosoma NO se detiene En presencia de trp hay mucho tRNAtrp por lo que la traducción es rápida, esto hace que se forme un tallo-asa en la región 3-4 que bloquea la transcripción. Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón

Mecanismo de atenuación – triptófano tRNA-Trp El ribosoma SE DETIENE En ausencia de trp hay poco tRNAtrp por lo que la traducción es lenta. Esto hace que se forme un pasador en la región 2-3 que permite que la transcripción del resto del operón continúe. La transcripción y traducción del resto del operón se lleva a cabo

Regulación del operón trp

Regulación por posición del gen en el operón Traducción más eficiente Traducción menos eficiente Regulación por Shine-Dalgarno Traducción más eficiente Traducción menos eficiente