TEMA 3 - NIVELLS DE REGULACIÓ GÈNICA (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2015
Páginas 11
Fecha de subida 14/03/2015 (Actualizado: 21/03/2015)
Descargas 8

Vista previa del texto

TEMA 3 – NIVELLS DE REGULACIÓ GÈNICA Transducció de senyals La visió clàssica de la transducció de senyals és la següent: hi ha una senyal externa que arriba a un receptor al qual s’hi uneix. Doncs, aquest receptor activa una via o cadena de transducció de senyals (hi ha enzims que d’un als altres es transmeten la senyal) fins arribar a una proteïna efectora que per exemple, es transloca al nucli i regula la transcripció de gens diana. En general, la proteïna efectora s’encarrega de produir un canvi en la cèl·lula, en la seua morfologia o nivell d’expressió. Pot afectar a tots els nivells d’expressió: transcripció, traducció, modificació post-traduccional, modificació del citoesquelet...
Diferents tipus de gens o molècules involucrades en la transducció de senyals Lligands: són molècules que han de transmetre la senyal d’una cèl·lula a una altra. Solen ser proteïnes o pèptids tant intracel·lulars com extracel·lulars. Seran extracel·lulars quan: - Les cèl·lules no estan separades per membrana. Per exemple, açò passa en l’embrió de Drosophila, on totes les cèl·lules formen un sincici.
Hi ha canals que connecten unes cèl·lules amb unes altres, com les unions GAP.
Receptors: poden ser de membrana o citosòlics. Si és de membrana: - Si el lligand és extracel·lular, el receptor serà una proteïna amb un domini extracel·lular, el qual interaccionarà amb el lligand, i un altre intracel·lular, el qual serà qui transmeti la senyal a dintre de la cèl·lula.
Si el lligand és intracel·lular, solament li caldrà un domini intracel·lular.
També hem dit que el receptor pot ser citosòlic, com l’NO (àcid nitrós). NO és un lligand que pot trobar-se dintre o for de les cèl·lules, ja que pot difondre per la membrana d’aquestes.
El receptor ha de tindre un domini que rebi la senyal i una altre que transmeti la informació. L’arribada de la senyal li provoca un canvi conformacional i aleshores: - - Activitat quinasa: fosforila altres proteïnes o molècules.
El canvi provoca que el receptor exposi uns dominis proteics que fan que se li uneixin altres proteïnes per formar un scaffold; és a dir, es converteix en un ancora perquè unes proteïnes interaccionen entre elles. És el que s’anomena Scaffolding: lloc d'unió d'altres proteïnes.
Si el receptor és un canal d'ions i aquest s'obre, ja que normalment es troba tancat.
Clivatges i altres catàlisis. Quan el receptor està activat, una proteasa li elimina un tros. Aquest pèptid tallat serà la molècula que transmeti la senyal a dintre de la cèl·lula.
Les molècules de transducció de senyal solen ser proteïnes: - Quinases i fosfatases: fosforilen/desfosforilen altres proteïnes o molècules. Tant una reacció com l’altra pot activar o desactivar un altre enzim.
Proteases: degraden proteïnes.
Enzims de segons missatgers: molècules no són enzims ni proteïnes citosòliques que transmeten senyals.
Poden ser: o Molècules o proteïnes petites que es mouen ràpid.
o Petits pèptids provinents de clivatges de proteïnes més grans.
o PIPs (lípids de membrana) difonen per la membrana i que serveixen d’unió de proteïnes.
o Ca2+ emmagatzemat al RE/mitocondris en grans concentracions contra-gradient. Quan s'activa fa explosions.
o AMPc.
Com hi ha diferents tipus de gens involucrats, la senyal acaba tenint un efecte sobre molts processos cel·lulars.
S’activen factors/proteïnes de: - Transcripció Traducció Degradació de mRNA per regular la seva vida mitja Proteolisis i ubiquitinització Localització de certes proteïnes/enzims a certa part la cèl·lula per unió al citoesquelet o altres.
Splicing alternatiu Modificació postraduccional És a dir, la transducció de senyals serveix per regular a tos els nivells possibles, però la gran majoria d'exemples afecten només a transcripció.
Exemple 1: Família FGF i EGF - R és un dimer R esdevé auto-quinasa  Unió de altres factors i canvis conformacionals Ras hidrolitza GTP i  activa la quinasa RAF  quinasa  MEK Cadena de quinases FGF i EFG són FC que actuen com a lligands d’aquest exemple.
El seu receptor és dimèric i de tipus tirosina quinasa. Els residus fosforilats del receptor fan que s’uneixi GEF, una proteïna adaptadora, la qual fa que RAS intercanviï el seu GDP (al qual està unida quan es troba inactiva) per un GTP. Quan RAS, un interruptor cel·lular, queda unida a GTP, es troba activa i activa a unes quinases que activen a unes altres que activen a unes altres que entren al nucli i activen la transcripció.
Per què es necessiten tantes quinases? Per dues raons: - - Per amplificar la senyal. Per exemple, un receptor activa a 10 quinases, les quals activen a unes altres 100, que activen a 1000... i així successivament.
Però per controlar açò, la cèl·lula necessita un mecanisme en el qual intervenen fosfatases per revertir l’efecte de les quinases.
Filtratge/llindar del senyal: la senyal provoca una resposta no lineal. A partir d'una certa quantitat de receptor activat la resposta de la cèl·lula serà màxima; però per sota d'un cert llindar les quinases activades no seran suficients per contrarrestar l'activitat basal de les fosfatases de la cèl·lula. És a dir, en lloc de ser una resposta linial o gradual, és més una resposta de sí o no.
Exemple 2: Família TGF B BMPs El seu receptor també és dimèric com el del cas anterior, però aquí els monòmers són diferents. És a dir, el receptor és heterodimèric. A més, és un receptor serina-treonina-quinasa.
Quan els monòmers s’ajunten es fosforilen unes quinases que per una cadena de fosforilacions unes arriben al nucli i afecten a la transcripció gènica.
Exemple 3: Shh - Shh inhibeix l'inhibidor del receptor.
Glis actua com a repressor de transcripció per defecte, i actua com a activador quan Shh és present.
Aquest sistema també afecta a la transcripció, però el mecanisme és més complex. Quan no hi ha lligand (SHH) els dos receptors es troben units, Ptc1 inactiva a Smo. Llavors, Glis es troba activa i provoca que s’inactivi la transcripció.
Però quan SHH és troba present, s’uniex a Ptc1, el qual no pot unirse a Smo i inactivar-lo. Doncs, Smo pot actuar sobre Glis, i llavors, s’activa la transcripció, encara que en realitat el que passa és que s’ha inhibit l’inhibidor de la transcripció.
Exemple 4: Wnts a) Via canònica o β-catenina pot actuar com FT, però és marcada per a degradació per APC o Disheveled inhibeix GSK3, alliberant β-catenina de APC o β-catenina es transloca al nucli i s'uneix a LEF/TCF convertint-lo de repressor en factor de transcripció (resposta no lineal).
Tenim una molècula de β-catenina que por ser citosòlica o nuclear. Quan es troba al nucli actua com a FT. Si la via de Wnt no es troba activada, la β-catenina es degrada; però si Wnt hi és, impedeix que la β-catenina es degradi, i que per tant entri al nucli i s’uneixi a LEF/TFC. Llavorst, LEF/TFC podrà unir-se al DNA i activar la transcripció.
b) Via no canònica o Regulació del citoesquelet per via de Rho i ROCK.
o Polarització cel·lular (PCP). Lligand no necessàriament involucrat.
El receptor modifica les proteïnes Rho i ROCK, les quals modifiquen l’estructura del citoesquelet. En aquesta via no s’arriba al nucli, sinó que simplement afecta al citoesquelet.
Sols afectarà on es troben les proteïnes Rho i ROCK. Açò va bé per induir la polaritat o la migració de la cèl·lula. Per exemple, açò està relacionat amb la polaritat de les cèl·lules epitelials.
c) Via no canònica: La fosfolipasa C obre els canals de calci del RE. Ca2+ al citoplasma activa certes proteïnes.
Com es manté l'estat d'una cèl·lula si les proteïnes es degraden constantment? - - FT que s'autoactiven: o Autoactivació autocrina: una proteïna fa que s’activi la transcripció de certs gens, que activen la transcripció del seu propi promotor.
o Autoactivació paracrina (massa crítica): el FT no s’activa a sí mateix, però es trau una senyal fora de la cèl·lula i torna a entrar a la mateixa cèl·lula o també a les que es troben al voltant per activar la transcripció Polycomb i tritorax són proteïnes que s’encarreguen de la modificació d'histones. Aquestes modificacions faran que la cromatina s’empaqueti o que es quedi en una forma més laxa.
Metilació del DNA en citosines: actua com a memòria d'estat transcripcional que pot transmetre’s al llarg de generacions cel·lulars. També serveix perquè les histones des/condensen la cromatina.
La cèl·lula com una maquina computacional Cada cèl·lula no segueix un programa sinó una taula de respostes: - Respostes senzilles a un flux constant de senyals extracel·lulars La taula de respostes ve de: o Les senyals que es reben o La historia de senyals rebuda per la cèl·lula. Aquesta es manifesta en els FT expressats (i altres factors i l'estat metabòlic i d'adhesió) i determina l'expressió de receptors i la disponibilitat de targets al DNA.
Les cèl·lules, com més al principi es troben, estan obertes a més possibilitats de desenvolupament o diferenciació. No és una cosa programada des del principi, sinó que X cèl·lula rebrà unes certes senyals que faran que s’especialitzi o s’orienti una mica, el que farà que pugui rebre altres senyals i així successivament fins que acaba diferenciant-se.
Exemples de computació: - AND: es necessita una senyal A i una senyal B per produir una resposta.
- OR: una certa via metabòlica pot activar-se per diverses senyals diferents.
El que s’expressi o no a les cèl·lules, al final dependrà de l’historial de senyals que ha rebut al llarg de la seva vida.
Així la funció de cada FT és “arbitraria”, no és absoluta. Depenent de context: - La seva funció depèn de a quins llocs del DNA s'uneix.
Això dependrà de l'estat de la cromatina i de la presència d'altres factors transcripcionals.
Els FT s’uneixen al DNA per activar o reprimir la transcripció. Poden actuar sobre diferents promotors. Però si per exemple, si són activadors però la cromatina està massa compacta, no podran accedir-hi i per tant, no podran fer la seva funció.
Dimensió espaial: - - Senyalització a llarga distància: hormones a través dels vasos sanguinis.
Senyalització a curta distància: uns quants radis cel·lulars (BMPs,FGFs...). A nivell del propi teixit o grup de cèl·lules. És un transport lent, ja que les molècules es troben amb proteïnes i altres obstacles per l’espai extracel·lular. Doncs, aquestes molècules no difonen lliurement per l’espai extracel·lular.
En alguns casos s’ha vist que la molècula es secreta a la part externa de la membrana cel·lular i un fil·lopodi porta el lligand “personalment” a la cèl·lula que sigui necessari.
Senyalització per contacte: molècules de membrana. La senyal és enviada a les cèl·lules veïnes.
o Molècules d'adhesió.
o Via Notch: els mateixos receptors interaccionen amb el lligand.
o Ephrines: son proteïnes que formen part de la matriu extracel·lular. Quan una cèl·lula migratòria entra en contacte amb aquestes molècules, aquestes li indicaran si va bé per eixe camí o ha de canviar de direcció. D’aquesta manera es pot senyalitzar el camí que han de seguir les cèl·lules migratòries.
Dimensió temporal: - - Vida mitja de molècules: si una senyal té una taxa de degradació baixa, la seva vida mitjana serà elevada i doncs, podrà difondre i arribar més lluny, encara que aquestes molècules són les que tarden més temps en arribar a la seva diana.
Temps de resposta: o Resposta a curt termini: a nivell citoplasmàtic.
 Ca2+  Regulació no transcripcional  Modificació de l’estructura del citoesquelet.
o Resposta a llarg termini.
 Transcripcional directa: la senyal ha d’arribar al nucli, ha d’actuar el FT, que es sinetitzi el mRNA, que aquest maduri i passi al citoplasma, que es tradueixi...
 Transcripcional indirecta: FTs que activen altres FTs.
Com funciona el desenvolupament: una idea bàsica Per exemple, tenim el patró inicial, on hi ha un teixit amb unes cèl·lules diferenciades (verdes), les quals secreten una senyal que difon. Aquesta senyal es rebuda per les altres cèl·lules del teixit (cèl·lules blaves). Després de que arribi la senyal i que es processi una resposta, podem trobar diferents casos segons el canvi transcripcional que s’hagi produït: - S’activa el cicle cel·lular per fer que les cèl·lules es divideixin més ràpid i que el teixit creixi.
S’assoleix un tercer estadi diferencial (taronja) distint als que teníem al principi.
La senyal no afecta a les cèl·lules del costat, sinó que afecta a les pròpies cèl·lules que la secreten (regulació autocrina). Aquesta senyal provoca que canviï el citoesquelet de les cèl·lules verdes, la qual cosa fa que les cèl·lules es desenganxin. Açò provoca que les cèl·lules passin de ser epiteli per convertir-se en cèl·lules mesenquimàtiques: transició epiteli-mesenquimàtica.
Regulació gènica Regulació gènica pas a pas Al DNA es regula l’inici de la transcripció, però també hi ha altres tipus de regulació: regulació del nRNA o pre-mRNA per splicing, del mRNA (la seva vida mitjana per exemple), del pèptid (afegint molècules, fent clivatges, secreció d’aquets a través de vesícules), de la proteïna final (fosforilació, degradació...).
DNA - - - - Regions promotores, situades al upstream: o TATA box i similar. Es troben pròxims a l'inici de transcripció i contribueixen a la col·locació de la RNA polimerasa.
o Elements cis-regulatoris o distals: són els enhancers i els silencers. Contribueixen a estabilitzar o impedir l'activació de la polimerasa. Poden estar a una certa distància tant de l’upstream (zona d’inici de la transcripció) com del downstream.
Lloc de iniciació de la transcripció: base +1.
Lloc de inici de la traducció: primer codó ATG del mRNA.
5' UTR o leader sequence. Va de l'inici de transcripció al codó START (ATG). Pot tindre regions reguladores de la vida mitjana del mRNA o a nivell de traducció.
Regió codificant: és la que dóna lloc a la proteïna final i està composta per exons i introns. Poden tenir regions d'unió a factors de splicing alternatiu o de terminació alternativa de la traducció, els quals generen productes isomorfs.
Lloc de terminació de la traducció (codó STOP).
3' UTR: s’encarrega de la translocació del mRNA des del nucli al citoplasma. A més, és on s’inserta la cua poliA, la qual serveix per: o Per sortir del nucli o Per augmentar vida mitja: si la cua poliA no hi és, el mRNA serà degradat més fàcilment.
El 5' i 3' UTR s'hi uniran proteïnes que regularan la seva freqüència de traducció i la vida mitja (regulació posttranscripcional).
Lloc de terminació de la transcripció.
Els promotors també són màquines computacionals. Fan funcions lògiques simples: - AND: tenim dos enhancers on s’enganxen dos FT diferents. Els dos FT són necessaris perquè comenci la transcripció del gen.
OR: sols amb un dels dos FT seria suficient per iniciar la transcripció del gen.
ALTRES Integració de FTs i altres proteïnes per a l'inici de la transcripció: - Altres factors afecten la unió dels FTs sense unir-se al DNA Fixeu-vos en la distancia Regulació postraduccional: és la més rapida després del senyal: - Fosforilacions Clivatges: talls de la seqüència peptídica de la proteïna.
Glucosidacions Unió a lípids: d’aquesta manera podran enganxar-se a la membrana.
En resum a tots els nivells: Per què regulació a tants nivells? - - Millor canvi de resposta en el temps, més maniobrable. Segons al nivell al qual regulem, la resposta serà més o menys ràpida.
o Respostes lentes però estables en el temps? (ex: diferenciació) o Respostes ràpides i dinàmiques? (ex: modificació citoesquelet en migració) Tinkering (“chapucilla” a nivell evolutiu). Suposem que en una espècie unes cèl·lules tenen un estadi de diferenciació A, però si es diferencia a un estat B. açò tindrà un efecte positiu sobre la SN. El canvi es pot produir a diferents nivells: post-transcripcional, post-traduccional... Però la SN no selecciona el mètode, sinó que açò és a l’atzar, segons el que ocorri abans.
o Qualsevol fase del procés d'expressió d'un gen pot ser subjecte a regulació.
o A nivell adaptatiu t'és igual que un gen es reguli a un nivell o altre.
o Regulació a molts nivells implica més robustesa a pertorbacions.
Perquè les xarxes de regulació gènica són tan complexes? - Per amplificar el senyal Procés de transformació de patró, el qual pot requerir que la xarxa sigui complexa.
Per tinkering Developmental system drift o Deriva del sistema del desenvolupament. Per exemple, imaginem que és important que s’activi el gen B, que ve activar pel gen A, que també activa al gen C. Per una mutació, C activa a B, la qual cosa no importa perquè B ja venia activat per A. Però, ocorre una altra mutació i ara A no pot activar a B, doncs, aquest ha de ser activat per C. Llavors, si açò passa moltes vegades, les xarxes gèniques esdevindran cada vegada més complexes.
...