Genética teoría Tema 6 Regulación 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

La teoría del operón Unidad de organización genética que permite la regulación simultánea de genes estructurales generalmente relacionados en respuesta a cambios ambientales Los actores Inducción Represor + inductor No se une al operador y se expresan Z, Y y A La ARN polimerasa inicia la transcrición porque el promotor está accesible Genes estructurales Gen represor Promotor Operador Represión No hay lactosa en la célula El represor está unido al operador Los genes Z, Y y A no se expresan

Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa E. coli en un medio con glucosa y lactosa NO utiliza la lactosa, NO inicia la transcripción de los genes del operón lac hasta agotar la glucosa ¿Por qué la lactosa no actúa como inductor en estas condiciones? Existe otro tipo de control en el operón lac mediado por adenosine monofosfato cíclico cAMP y proteína activadora cAMP CAP Monómeros El inductor unido al represor no inhibe la expresión porque es necesaria la presencia del regulador positivo CAP-cAMP para la expresión del operón lac Regulación positiva: CAP unida a cAMP. CAP-cAMP permite la unión al ADN y promueve la expresión del operón lac AMPc-CAP actúa sobre otros operones: gal y ara Represión por catabolito: La glucosa disminuye la disponibilidad de la adenilato ciclasa y reduce los niveles del cAMP para la unión al CAP Adenil ciclasa Control positivo

Represión por catabolito afecta al operón lac y los operones gal y ara Pero hay otros reguladore positivos específicos de un operón: AraC Degradación del azúcar arabinosa es un sistema inducible en presencia de arabinosa Transcripción de los genes estructurales BAD RNA polimerasa Estudios de mutantes araC- NO expresan altos niveles de los genes araBAD Mutación en araC Recesiva pérdida de función La proteína AraC no se une al ADN del promotor No hay transcripción de los genes estructurales BAD Control positivo

Mutación en gen regulador activador represor Expresión de genes estructurales ausente constitutiva Tipo de control positivo negativo Cuando la mutación en una proteína regulatoria resulta en la no expresión de los genes debe ser un regulador positivo (activador), si la mutación causa una expresión constitutiva de los genes entonces es un regulador negativo (represor)

En el operón lac tanto el represor (el regulador negativo) como CAP (regulador positivo) son proteínas que ejercen su función a través de la unión al ADN en sitios específicos Proteína represora marcada radiactivamente ADN viral y bacteriano Operon lac lacO+ Mezclar ADN y proteína Sedimentar por centrifugación en gradiente de glicerol Cosedimentación del ADN operón lac y represor marcado ADN viral y bacteriano Operon lac lacOC Proteína represora marcada radiactivamente Mezclar ADN y proteína Sedimentar por centrifugación en gradiente de glicerol Solo ADN operón lac No hay represor marcado

Muchas proteínas de unión a ADN contienen motivos Helix-turn-Helix 2 α Hélices separadas por una vuelta en la estructura de la proteína (HTH) El motivo HTH encaja en el surco mayor del ADN Los amino ácidos en el α hélice identifica a la secuencia de bases del ADN Reconoce al operador en el fago P22434

¿Como las proteínas reguladoras interactúan con la ARN polimerasa? Sitio de unión de CAP-cAMP Sitio de unión de ARN polimerasa Sitio de unión en el operador Sitio de iniciación de la transcripción Sitio de iniciación del ORF de lacZ Contacto físico entre CAP y ARN polimerasa Sitio de unión de CAP

El represor no se une al operador, Otros sistemas modelo en Escherichia coli: la síntesis del triptófano La síntesis del triptófano es una ruta anabólica y la presencia del producto final reprime la expresión del operón Triptófano presente Co-represor represor Triptófano ausente La unión del co-represor altera la forma del represor y permite su unión al operador NO hay transcripción El represor no se une al operador, hay transcripción El triptófano actúa como un co-represor La máxima expresión de los genes trp ocurre cuando triptófano está ausente del medio

- NO + La atenuación del operón triptófano en E. coli Triptófano presente La unión del co-represor altera la forma del represor y permite su unión al operador Bacteria TrpR - O + trpE+ trpD+ trpC+ trpB+ trpA+ ¿Expresión constitutiva de los genes estructurales trp independiente de la presencia del triptófano? NO Expresión del Operón en cepas trpR+ y trpR- (%) Triptófano en el medio + - trpR+ 8 100 trpR- 33 Hay un mecanismo independiente del represor que reprime la expresión

La atenuación del operón triptófano en E. coli Sitio de atenuación Operador Promotor Leader Transcripción: produce dos ARN 140 pb ¿Por qué hay una terminación de la transcripción prematura? Atenuación: control de la expresión genética mediante la terminación prematura de la transcripción

La atenuación del operón triptófano en E. coli 2X codones trp En la secuencia leader potencialmente se pueden formar estructuras alternas secundarias de tallos y asas. Tallo 1-2 permite formar tallo 3-4 que es un terminador Rho independiente y detienen la transcripción. Tallo 2-3 no permite formar el tallo 3-4 y hay transcripción La lectura de los primeros 14 codones determina cual estructuras se forman. El codon trp UGG esta dos veces al principio y la transcripción censa la presencia de triptófano en la célula.

La atenuación del operón triptófano en E. coli Codones trp Triptófano presente El ribosoma transcribe pasando los 2 codones trp. No se forma el tallo 2-3 Se forma el asa 3-4 y termina la transcripción ARNttrp disponible Se produce un ARN atenuado, truncado de 140 pb

La atenuación del operón triptófano en E. coli Triptófano ausente El ribosoma se atasca en los codones trp Continua la transcripción Codones trp Al detenerse el ribosoma permite la formación de la horquilla con tallo 2-3 que previene la estructura del asa 3-4 ARNtTrp no disponible Se produce un ARNm policistrónicio con todos los genes estructurales del operón trp La traducción simultánea de un péptido de la región leader determina el control fino de la transcripción a través de censar los niveles de ARNtTrp. El sistema de atenuación existe para los operones His, Phe, Thr y Leu

¿Cómo demostramos que existe la estructura secundaria y que la traducción del leader participa en su formación? Deleción de la secuencia leader: pérdida del control por atenuación Mutantes trpR – no responde a triptófano en el medio Promotor Operador Sitio de atenuación Operador Promotor Leader Mutaciones que alteran la formación de la estructura del tallo: afectan la regulación, no hay atenuación mutaciones que restituyan el tallo, recuperan la atenuación X

El papel de la ARN polimerasa en la transcripción

La inducción de factores sigma alternativos que reconocen diferentes secuencias de promotores sirve como un mecanismo global de regulación en muchas bacterias Respuesta choque térmico en E. coli Esporulación en Bacillus subtilis Síntesis del flagelo Fijación del nitrógeno en Klebsiella y Rhizobium

Características Procariotas Eucariotas Diferencias básicas en la regulación de la expresión entre procariotas y eucariotas Características Procariotas Eucariotas Control de la transcripción a través de proteínas de unión al ADN SI SI Reutilización de los mismos motivos de unión a ADN por diferentes proteínas de unión a ADN SI SI Proteínas activadoras SI SI Proteínas represesoras SI SI Especificidad de unión al ADN de la proteína regulatoria Específica Altamente Específica Afinidad de unión Fuerte Muy fuerte Papel de la estructura de la cromatina NO SI Control coordinado alcanzado con los operones SI Raro Edición diferencial NO SI Atenuación SI NO Procesamiento del ARN NO SI Poliadenilación diferencial NO SI Transporte diferencial del ARN del núcleo al citoplasma NO SI