TEMA 9. regulación expresión génica (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 2º curso
Asignatura Genetica molecular
Año del apunte 2015
Páginas 19
Fecha de subida 15/01/2015
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Apuntes realizados con lo visto en clase y las anotaciones del docente.

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GENÉTICA MOLECULAR Tania Mesa González 2º CURS BIOLOGIA UAB TEMA 9: REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA.
 La regulación génica es funcional.
 Todas las células contiene TODOS los genes pero no se expresan todos.
 Expresión génica  transcribir y traducir un gen.
 Las bacterias son muy sensibles a los cambios ambientales como la temperatura, humedad, etc. Por lo que en estas circunstancias es capaz de transcribir los genes más adequados.
 La regulación  es la capacidad de transcribir selectivamente, traduciendo los genes que necesita.
 Tipos de genes:  Genes constitutivos (housekeeping) se expresan en todas las células. Garantizan la supervivencia y el funcionamiento.
 Genes no constitutivos  se expresan en diferentes tipos celulares como una especificación. En algunos casos se expresan solo como respuesta de un estímulo.
 Elementos que intervienen en la regulación génica a nivel de transcripción:  Si empezamos por el estímulo externo  permite que un gen que no se expresaba antes lo haga ahora.
 Si un gen no se está expresando y no lo necesita este continuará sin expresarse.
 Los genes que se regulan, tienen unos elementos que permiten su regulación que son los controles negativos y los positivos.
 Genes estructurales  Genes reguladores  Elementos reguladores  Los genes que responden a un estímulo  sufren inducción o represión.
 Los genes que sufren regulación:  Genes reguladores  sitios específicos del DNA que tiene una proteína con una funcionalidad regulador, ya que actúa modificando la expresión génica de susodicho.
 Los elementos reguladores  están en la estructura del gen. Por tanto son secuencias reguladoras.
 Para que la proteína reguladora pueda actuar necesita encontrar estos elementos reguladores, para actuar sobre ellos.
a) Reguladores represores  actúa sobre el gen impidiendo la transcripción i expresión de este gen tiene elementos represor = gen con control negativo.
b) Reguladores activadores  se unen a los genes con control positivo, ya que se une a elementos que incentiva a la expresión de dicho gen.
 El represor se origina a partir de la expresión de un gen.
 En procariotas es común el control negativo, mientras que en eucariotas es más común el factor positivo.
 El estímulo externo interacciona con el regulador, modificando su funcionalidad.
 El gen en función del estímulo activará la secuencia conveniente uniéndose al elemento activador o inhibidor.
 Tipos de regulación de la transcripción: - Regulador (trans) - Elemento regulador (cis)  Existen 4 tipos: 1. Control negativo  con represión, hace que la RNA polimerasa no se pueda unir, y por tanto no se podrá expresar el gen.
a) Inducción  en el estado normal ese gen no se esta expresando. El represor está unido al elemento regulador de tal manera que no interacciona con el RNA polimerasa. La señal externa induce a que no se vaya el represor.
b) Represión  el gen se expresa pero ya no lo necesitamos. Hay una señal externa que activa el represor y se une al elemento regulador e inhibir la expresión de dicho gen.
2. Control positivo  con activador, permite que la RNA polimerasa se una para poder actuar.
a) Inducción hacemos que un gen que no se exprese lo haga. El activador está en la célula pero no activa al gen porque no es funcional. Al recibir la señal se activa y permite que una al elemento regulador. Entonces permite que la RNA polimerasa se una.
b) Represión  hacemos que un gen que se exprese deje de hacerlo, ya que sintetizamos el corepresor que se une a la RNA polimerasa evitando su activación.
9.1 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN BACTERIAS  En bacterias encontramos diferentes niveles de regulación  operones y pequeños RNA reguladores.
 Actúa una regulación al inicio de trasncripción y a veces también al final.
 La estabilidad del DNA también afecta a este aspecto.
 Regulación al inicio de la transcripción  En bacterias las respuestas son a señales del ambiente:  Inducción  la expresión da una curva simboide, si la señal afecta a una ruta metabólica.
 Represión  la curva simboide hacia abajo, ya que la expresión va decayendo. En las rutas anabólicas.
 En los procariotas el genoma se organiza en operones  grupos de genes relacionados.
 Una sola secuencia promotora al principio, y un terminador también común.
 Todos los genes serán transcritos a la vez (un único RNA).
Operón inducible, con control negativo:  Operón Lac  En sintetiza para 3 enzimas.
 Los componentes del operón Lac son: a) Operador  punto donde se une el regulador, que en este caso es un represor.
Bloquea la RNA polimerasa.
b) Lac  es la secuencia anterior que sintetiza al represor.
 En situaciones normales el represor está unido y por tanto no hay expresión génica. La inducción de este gen se da por la lactosa en el medio.
 La lactosa entra en la célula e interaccionará con el represor, cambiándole sus características y por tanto su conformación. Hace el que represor pierda afinidad con el operado, haciendo que la RNA polimerasa se pueda unir.
 Se le considera un control negativo.
 El operón está es controlado a dos niveles, ya que además del operador tiene otros elementos que responde a un control positivo.
 Delante del punto p, se le añade un activador. El activador es CAP, que no siempre está unido a la secuencia. Solo se une cuando la concentración de glucosa es muy baja o inexistente.
 Si no hay glucosa aumenta el cAMP, que tiene afinidad con la proteína CAP y se unen.
El complejo permite unirse al elemento regulador, ya que lo reconoce.
 Esto activa el gen para que se transcriba.
 Si hay glucosa en el medio, la concentración de cAMP es baja, y por tanto no se une a CAP. Y si no hay represor, lo que se da es una transcripción basal que no es la idónea.
 Si no hay glucosa, se usa lactosa, pero entonces la lactosa solo es utilizada en falta de glucosa, ya que es la principal fuente.
 Operón trptófano:  El operón se está expresando.
 Tiene los mismos elementos, pero en este caso se dará la represión negativa  control negativo.
 El operón contiene la información cada 5 polipéptidos que participan en la síntesis del triptófano.
 Hay un operador (elemento regulador) entre el promotor y el punto de inicio de la transcripción.
 El estímulo externo es el triptófano.
 En condiciones normales no hay triptófano y por lo tanto hay transcripción, el operador está libre. El represor se sintetiza pero está inactivo.
 Al aumentar la concentración de triptófano, se une al represor que cambia de conformación y permite que se una el operador  inhibe la expresión del gen.
RNAs pequeños como reguladores en bacterias:  Los RNA pequeños que controlan y regulan la RNA de interferencia.
 Se centran en la regulación mediada por RNA pequeños  La clase más común es aquel RNA pequeño con efecto negativo.
 También pueden actuar con efecto positivo, pero son menos.
 RNA regulado postrancripcionalmente por el RNA pequeño, que es transcrito por otro gen específico pequeño (40-100 nucleótidos)  Los RNA pequeños interaccionan y se asocial a la xaperona Hfq:  Efecto negativo 1. Actúa inhibiendo la traducción, porque el RNA se une a la región 5’ del mensajero, donde se encuentra la señal de unión al ribosoma, y el RNA pequeño lo que hace es bloquear.
 El gen se transcribe, pero no se traduce.
2. Se unen a una RNAsa, que degrada de 3’ a 5’ lo transcrito.
 Efecto positivo  En el caso de los positivos, el RNA pequeño se une a Hfq, controla de forma positiva la expresión.
 El gen produce un mRNA que no es activo, ya que solo se activará añ unirse el RNA pequeño.
 No es activo porque tiene una estructura secundaria en 5’ que inhibe la activación.
 El RNA pequeño se sitúa en ese extremo formando un apareamiento que deja libre la unión de ribosomas.
9.2 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS  Hay muchos niveles de regulación.
 Para que el DNA este regulado tiene que tener determinadas secuencias, que responden ante diferentes estímulos.
Niveles de regulación:  Modificación de la estructura de gen (remodelación de la cromatina).
 Transcripción  regulación transcripcional  Procesamiento del mRNA  Estabilidad del mensajero  degradación  Traducción regulación traduccional  Modificaciones de la proteína (post-traduccionales) Dos niveles de transcripción: 1. Remodelación cromatina  Existen unos factores que harán que las regiones sean más laxas para que el DNA sea más accesible. Aunque este proceso es reversible y se puede volver a compactar.
2. Secuencias reguladoras y reguladores  Secuencias situadas en diferentes sitios. Contra más elementos tenga el gen, más posibilidades de regulación existen.
 Si hay una secuencia reguladora que actúa de forma positiva, por factores de transcripción se ponen en contacto con el RNA polimerasa, para que se sintetice mRNA.
Papel de la cromatina en la trasncripcción:  En bacterias los genes se expresan (activos) siempre y cuando no hayan elementos que lo impidan.
 En eucariotas lo más normal es que no todos los genes estén activos. Esta inactividad suele darse porque no hay accesibilidad a dichas regiones. Y aunque estos genes si lo sea, a no ser que hayan activadores, el gen también persiste inactivo.
Elementos que intervienen en la regulación de la trasncripción:  Secuencias que actúan en cis (misma molécula que al gen al que afecta): a) Promotor c) Aislador b) Enhancer d) Silenciador  Factores de transcripción trans (suelen añadirse sobre el gen al que afectan): a) Generales b) Activadores c) Represores  Los factores de transcripción se unen al promotor, enhacer y el silenciador específicamente.
Elementos que intervienen en la regulación de la transcripción en eucariotes:  Gen estructural  mRNA  Elementos próximos al promotor  Genes reguladores FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN  Factores de transcripción activadores:  Se unen a una región específica del DNA  Interactúan con otros factores de transcripción  También interactúan con otras proteínas para activar e incrementar la transcripción (hasta un incremento de 100 veces del nivel basal)  Como mínimo un factor de transcripción tendrá dos dominios estructurales, para reconocer la estructura de DNA y el otro dominio que interacciona con otro factor de transcripción específico o con otro en general.
 El dominio puede influenciar en la estructura e la cromatina.
 También puede interaccionar creando enlaces con proteínas cerca de su sitio regulador  actúa de forma cooperativa.
Un dominio que actúa como sensor de las condiciones celulares.
  Se les clasifica por su capacidad de unión al DNA, que requiere una estructura típica y específica de la proteína  se unen a promotores y enhancers.
a) Hélix-loop b) Dedos de Zn c) Cremalleras de leucina  Los represores  Son represores de la transcripción en eucariotas  actúan de forma similar a los activadores pero reprimen la transcripción.
 Tienen también dos dominios   Un dominio para el DNA  Otro competitivo A veces hay competencia entre activador o represor, cuando estos reconocen para la misma secuencia.
SECUENCIAS REGULADORAS  Enhancer o potenciador  elementos reguladores que actúan en cis, para incrementar la transcripción. Su posición en el gen es variable (delante o detrás de la transcripción).
 Secuencias reconocidas por activadores.
 Se encuentran esparcidos por todo el genoma  Son secuencias cortas que funcionan en cualquier orientación  Su posición respecto a los genes que regulan es muy variable (delante o detrás del gen o en intrones). Pueden actuar a más de 1000 pb del gene que regulan  Son secuencias reconocidas por activadores  Un enhancer puede regular más de un gen  La actividad del enhancer se restringe a un tejido en particular o línea celular, a un momento determinado de la vida del individuo,o a condiciones fisiológicas, patológicas específicas  Muchos enhancers tienen una secuencia conservada pero otros no (difícil de identificar)  Los aisladores impiden su actividad, ya que inactivan al activador y por tanto el enhancer no se activa.
 Aisladores:  Impiden que el efecto activador o represor se transmita  Actúan a dos niveles:   Bloquean la comunicación entre potenciador y promotor  Inhiben la propagación de las modificaciones de la cromatina Silenciador  elemento que permite que compactación de la cromatina.
REMODELACIÓN DE LA CROMATINA  Son cambios que afectan a la accesibilidad de los genes de forma positiva o negativa.
Constituye el epigenoma.
  Cambios que influyen en el fenotipo sin alterar el genotipo y que son heredables.
Epigenética:  Estudia los cambios en el genoma que afectan a la expresión geníca sin alterar la secuencia del DNA  Los cambios pueden ser reversibles, y pueden afectar de forma positiva o negativa.
 Con frecuencia los cambios son influenciados por el ambiente  Los cambios se mantienen después de varias divisiones celulares (mitosis) y, a veces, después de varias generaciones de individuos Cambios epigenéticos:  No cambian la secuencia, y por tanto tampoco la información son las metilaciones del DNA.
Hay una relacione entre el grado de metilación y la expresión génica.
 Metilación del DNA  La metilación se produce en las las citosinas que se encuentran en el dinucleótido CpG (citosina guanina) en eucariotas, auqnue sea raro en eucariotas inferiores.
 Se convierte en una metil citosina.
 CpG, están distribuidas al azar en el genoma  Hay regiones donde hay una alta concentración de esta secuencia. Están próximas al inicio de la transcripción.
 Islas CpG  regiones mayores de 200 pb ricas en el dinucleótido CpG.
 El 60% de los promotores en el genoma humano contienen islas CpG que, en general, no están metiladas en las células normales (solo el 6% se metilan de forma específica durante el desarrollo)  La metilación de las regiones provoca restrinción = silenciamiento de la transcripción.
 Por tanto cambia la región que no permite que se den las condiciones de transcripción.
 Tiene importancia porque algunas de estas modificaciones conducen a enfermedades, como por ejemplo en el cáncer.
 El gen supresor de tumores que no se expresa por medicación.
 Modificaciones postraducionales de las histonas:  Las histonas se organizan con una estructura molecular, pero presentan las colas Nterminal al exterior de dicha estructura y por ello pueden sufrir modificaciones después de la traducción, sobre todo las afectadas son H3 o H4.
 Todas la modificaciones de las colas de las histonas son reversibles.
a) Acetilación / desacetilación b) Metilación / desmetilación c) Fosforilación /desfosforilación d) Ubiquitinación.
 Relación metilación del DNA y modificación histonas:  En general cuando hay acetilación a las histonas  favorece a la activación, transcripción.
 Cuando no hay metilación se da la activación  Código de las histonas  patrón de modificación de histonas que determina qué regiones del genoma se expresan en un momento dado.
 Modificaciones coordinadas de la cromatina:  Hay modificaciones que se dan para compactar más la cromatina, mientras que otras provocan el efecto contrario haciendo que se pueda transcribir o no el gen.
TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES  Vías por las que las señales se comunican a los reguladores de la transcripción.
 El estimulo externo llega al receptor de la superficie celular, que activa a una cascada de kinasas celular haciendo que se transmita la señal al regulador.
 Hasta que no se da la señal, los reguladores no están activos.
 En algunos casos la señal puede actuar directamente sobre los factores reguladores.
 Ejemplo:  La concentración de un metal (cobre) afecta a la expresión génica, igual que otros elementos metálicos, que son esenciales para el correcto funcionamiento.
 En concentraciones mínimas de cobre (señal) interacciona con una proteína que activa unas serie de genes cuyo productos son proteínas que utilizan el cobre, el cobre interacciona con un regulador para que lo active.
 Si la concentración es muy elevada se activa otra proteína que actúa permitiendo la expresión de proteínas que destoxificante del cobre.
 Respuesta de hormonas esteroides:  Una hormona entra en las células e interacciona con un receptor que es un regulador, por tanto actúaa con las secuencias reguladoras y permite la expresión de los genes.
 Todos los receptores para las hormonas esteroides son muy similares.
 Los dos dominios importantes de ese receptor y la unión del RNA polimerasa son similares.
 Normalmente los receptores están bloqueados, Hsp90.
Copiar esquema, es como ABC.
REGULACIÓN POST TRANSCRIPCIONAL:  Splicing alternativo  el pre-mRNA se corta de diferentes maneras generando diferentes proteínas en diferentes tejidos o momentos del desarrollo.
 Ejemplo:  En Drosophila determina el sexo mediante una cascada de Splicing diferentes.
 El gen de la tropomiosina α genera distintos isomorfos de la proteína en diferentes tejidos.
 RNA de interferencia  mecanismos de silenciamiento génico que no afecta al gen, sinó al mRNA.
 Son RNA pequeños que se dividen en dos tipos:  Micros RNAs  miRNAs  RNA de interferencia pequeños  siRNAs  Regulan la expresión endógena de los genes:  Remodelación de la cromatina  Degradación de mRNA  Inhibición de la traducción.
 siRNA  depende de mRNA, transposones o virus. Degradan mRNA o inhiben la transcripción.
 Provienen de genes de doble cadena endógenos o exógenos.
 Sus efectores son los genes a partir de los que van a ser transcritos.
 miRNA  Degradan mRNA o inhiben la traducción.
 Provienen de genes que codifican para los miRNAs.
 Sus efectores son los genes a partir de los que van a ser transcritos.
 Ambos RNAs pequeños se diferencian por su biogénesis.
 miRNa y siRNa son precursores de doble cadena:  La endonucleasa Dicer corta y madura los mi, siRNAs.
 Estas se activan a través del complejo RISC (RNA indened solencing complex).
 Une el si/mi RNA al RNA sobre el que actúa  Degrada una cadena del si/miRNA y se forma una complementaria que es la que actuará para el silenciamiento.
 Procesamiento post traducción de las proteínas:  El polipéptido transcrito tiene que adquirir al menos la estructura terciaria para ser funcional.
 Plegamiento de las proteínas.
 Por degradación proteolótica  Por modificación química  Corte y empalme de inteínas.
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