TEMA 4. NIVELLS DE REGULACIÓ GÈNICA (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del Desenvolupament
Profesor I.S.
Año del apunte 2015
Páginas 14
Fecha de subida 23/03/2015
Descargas 45

Vista previa del texto

TEMA 4: NIVELLS DE REGULACIÓ GÈNICA Hi ha moltes vies de transducció que poden regular el comportament de la cèl·lula a tots els nivells possibles. Com explicarem, les vies de transducció de senyals, quan regulen a nivells diferents, actuen de forma diferent fent que la resposta sigui més dinàmica, més robusta...
La visió que teníem fins ara era la visió clàssica: el lligand s’uneix al receptor, hi ha tota una cadena de transducció del senyal, fins que una proteïna efectora es transloca al nucli i allà regula la transcripció dels gens diana. Però com hem dit, la transducció del senyal pot fer que s’acabi regulant a molts nivells diferents.
Visió clàssica.
Realitat: regulació a molts nivells diferents.
Diferents molècules involucrats en la transducció de senyals: - Lligand: molècula, normalment extracel·lular (proteïna o pèptid) que transporta el senyal. Difon per l’espai extracel·lular. A vegades pot penetrar intracel·lularment (ex: en cèl·lules que no tenen membrana, com un sinciti en el desenvolupament de Drosophila, o a través d’unions gap entre cèl·lules).
- Receptor: acostumen a ser proteïnes, i el lloc on es troben depèn de la naturalesa del lligand. Normalment es troben a la membrana, si el lligand és extracel·lular. Si el lligand és intracel·lular, o és un lípid (i llavors pot difondre per la membrana i entrar dins la cèl·lula) el receptor és citosòlic.
Exemple: l’òxid nítric és una molècula que difon per l’espai extracel·lular i intracel·lular, perquè pot traspassar les membranes. El receptor de l’òxid nítric, per tant, és una proteïna citosòlica, es troba dins les cèl·lules.
Els receptors necessiten un domini per rebre el lligand. I com comença la cadena de transducció de senyal? El lligand, quan s’uneix a aquest domini, provoca un canvi conformacional en el receptor. Aquest canvi conformacional pot tenir diversos efectes: -  El receptor adquireix una activitat enzimàtica que abans no tenia (normalment quinasa, pot fosforilar). El domini amb activitat quinasa fosforilarà una proteïna del citosol, i aquesta una altra... I així ja ha comença la cadena de transducció de senyal pel citosol.
 Scaffolding: un dels dominis citosòlics del receptor es converteix en un lloc d’unió per una proteïna citosòlica. Aquesta unió pot fer que aquesta segona proteïna canviï de conformació i comenci la transducció de senyal. O pot ser que ara al receptor s’hi uneixen dues proteïnes, i la interacció d’aquestes dues faci començar al transducció de senyal.
 El receptor pot ser un canal d’ions, de manera que el canvi conformacional que provoca la unió del lligand fa que s’obri aquest canal. Llavors l’entrada o sortida d’ions provocarà un canvi de potencial de membrana que farà que comenci la transducció de senyal (o pot ser que aquest canvi de potencial de membrana ja sigui la regulació que s’havia de fer).
 Clivatge: el canvi conformacional fa que un domini del receptor sigui reconegut per una proteasa que en talla una part. Aquesta part tallada pot començar la cascada de transducció.
Molècules de transducció de senyal: acostumen a ser proteïnes quinases o fosfatases (activen o desactiven proteïnes afegint en elles fosfats o traient-los). També hi ha proteases (fan clivatge, tallen trossos de proteïnes), o segons missatgers.
Els segons missatgers no són enzims ni grans proteïnes citosòliques, sinó molècules petites que es mouen molt ràpid. Poden ser:  Petits pèptids provinents de clivatges de proteïnes.
 Lípids de membrana fosforilats (PIPs).
 Ca++ emmagatzemat al reticle endoplasmàtic o als mitocondris en grans concentracions contragradient. Quan s’activa fa com una explosió i s’allibera en grans quantitats al citosol.
 AMPc, un nucleòtid monofosfat cíclic. Difon molt ràpid i activa a diverses proteïnes Al final de tota la cadena de transducció hi ha la molècula factora, que és la molècula que acaba fent la regulació.
- Nivells de regulació: la molècula factora, com el seu nom indica, és un factor que pot tenir efecte sobre:  Transcripció.
 Traducció.
 Degradació de l’mRNA, és a dir, regula la vida mitjana d’aquest.
 Proteòlisi i ubiqüitinització, és a dir, regula la vida mitjana de la proteïna.
 Splicing alternatiu.
 Modificació post-traduccional.
 Localització a la cèl·lula o moviment d’aquesta, mitjançant la unió al citoesquelet de la cèl·lula.
EXEMPLE 1: VIA DELS FGF I EGF Són una família de factors de creixement, que comparteixen els receptors tirosina-quinasa.
Quan un d’aquests factors de creixement s’uneix al receptor, dues proteïnes iguals dimeritzen, i això és el receptor activat. Aquestes proteïnes tenen un domini citosòlic amb activitat tirosina-quinasa (és a dir, fosforilen residus de tirosina). Quan el receptor dimeritza, és com si tingués una activitat autoquinasa, i cada proteïna fosforila els residus de tirosina de l’altra.
Aquests residus de tirosina fosforilats recluten una proteïna adaptadora, que al seu torn uneix a la proteïna GEF i fa que aquesta activi a RAS. GEF el que fa és substituir el GDP que hi ha unit a la RAS per un GTP, de manera que RAS queda activada. RAS activada, hidrolitza GTP i amb aquesta reacció és capaç de fosforilar RAF, i aquesta a MEK, que es transloca al nucli i activa ERK, que acaba activant el factor de transcripció que regularà l’expressió d’un gen.
RAF, MEK, ERK... totes són quinases. Per què es necessiten tantes quinases, i no es fa amb un pas directe? El fet de tenir una cadena llarga de transducció del senyal permet que la amplificació que es fa d’aquest sigui més gran. A vegades pot ser que la resposta no s’activi si no s’arriba a certs nivells d’amplificació, una mena de llindar de senyal, de manera que o hi ha resposta o no hi ha resposta, però no hi ha respostes amb una intensitat intermèdia: la resposta està activada o no.
A partir d’una certa quantitat de receptor activat la resposta de la cèl·lula serà màxima. Per sota d’un cert llindar les quinases activades no seran suficients per contrarestar l’activitat de les fosfatases de la cèl·lula. La resposta no és lineal: EXEMPLE 2: FAMÍLIA TGF- I BMPs Aquestes dues famílies tenen una cadena de transducció del senyal molt semblant, del mateix tipus.
Un complex de receptors pot requerir dos monòmers diferents, no com abans, que era un homodímer. Ara el complex receptor és un heterodímers: un dels monòmers és serina quinasa, i l’altre threonina quinasa. Aquests monòmers es fosforilen recíprocament, fet que fa que es fosforili una proteïna Smad, i després d’uns quants passos més aquesta entri al nucli i reguli l’expressió d’un determinat gen.
EXMPLE 3: VIA DE HETCHCOCK o SHH És una via relacionada amb la proliferació cel·lular, que acaba amb la regulació de gens relacionats amb aquesta.
La senyal extracel·lular és la molècula SHH, que s’uneix a l’inhibidor del receptor i l’inhibeix, de manera que quan SHH està unit, el receptor (Smo) pot començar una transducció de senyal que fa que la proteïna Glis no pateixi clivatge. Quan Glis està “sencera” es pot unir als mateixos gens que abans però en promou l’expressió.
Quan Glis pateix clivatge, té funció repressora sobre els mateixos gens diana.
EXEMPLE 4.1: WNT, VIA CANÒNICA La molècula que actua com a factor de transcripció les la -catenina. És una proteïna citosòlica, que si es transloca al nucli pot actuar com a factor de transcripció.
Normalment, però, la -catenina està marcada per la proteïna APC, i aquesta marca fa que es degradi al proteosoma.
Quan el lligand Wnt s’uneix al receptor, aquest inhibeix APC, de manera que la -catenina ara no està marcada i no es degrada al proteosoma. Això vol dir que ara es pot translocar al nucli. La -catenina s’uneix al LEF/TCF, fent que passi de ser un repressor a un activador de l’expressió de certs gens.
Com abans, la resposta no és lineal.
EXEMPLE 4.2: WNT, VIA NO CANÒNICA DE POLARITAT CEL·LULAR No està relacionada amb la transcripció, sinó amb la polarització de la cèl·lula i la modificació del citoesquelet. La regulació del citoesquelet es fa amb les proteïnes Rho i ROCK, que són capaces de modificar-lo.
Si Wnt només arriba a una part de la cèl·lula, només es modificaran les proteïnes d’una part de la cèl·lula, la qual cosa farà que només es modifiqui el citoesquelet d’aquesta part. Això farà que la cèl·lula es polaritzi.
EXEMPLE 4.3: WNT, VIA NO CANÒNICA CALCIFICADA La unió de Wnt al receptor fa que la fosfolipasa C (PLC) obri els canals de calci del reticle endoplasmàtic, de manera que els ions Ca++ s’alliberin. Les molècules de Ca++ al citosol activen certes proteïnes, com ara NF-AT, que es pot translocar al nucli i actuar com a factor de transcripció.
B) Via no canònica de polaritat cel·lular.
C)Via no canònica calcificada.
MANTENIMENT DE L’ESTAT D’UNA CÈL·LULA El comportament cel·lular induït per la senyal externa, com es pot mantenir en el temps si després aquest senyal es deixa de transmetre? Si les molècules extracel·lulars es degraden? El factor de transcripció amb el qual acabava el procés de transducció de senyal pot autoactivarse. Aquesta autoactivació pot ser autocrina o paracrina: - Autocrina: el factor de transcripció promou l’expressió del gen que el codifiqui a ell mateix. També pot ser que promogui l’expressió del gen que codifica per una molècula que activa el factor de transcripció...
- Paracrina: el factor de transcripció promou l’expressió d’una proteïna que se secreta i s’uneix als mateixos receptors, i per tant provoca la mateixa senyal que la original.
(Aquest sistema d’autoactivació és més crític i menys probable que l’autocrina).
El manteniment de la resposta també es pot fer modificant histones. La modificació d’aquests fa que la cromatina es quedi descondensda, és a dir, en eucromatina en una certa regió i que per tant aquesta s’expressi sempre. Les proteïnes que fan això són la Polycomb o la Tritorax.
També es pot mantenir amb la metilació del DNA. Aquest és un sistema de memòria d’estat transcripcional al llarg de generacions cel·lulars.
LA CÈL·LULA COM UNA MÀQUINA COMPUTACIONAL Hem d’entendre la cèl·lula no com una entitat programa des del principi, sinó com una entitat plàstica que, com més al principi del desenvolupament es troba, més modificable és. La cèl·lula no segueix un programa, sinó una taula de respostes: respostes senzilles a un flux constant de senyals extracel·lulars.
Què vol dir taula de respostes? Doncs que es poden necessitar dues senyals per poder efectuar una resposta, és a dir, que es necessitin alhora A i B, perquè una molècula de transducció necessita estar fosforilada en dos llocs diferents, i aquestes fosforilacions es fan a partir de deus vies diferents (a aquest tipus relació senyal-resposta se l’anomena porta AND).
Una altra relació és la porta OR. Una resposta es pot efectuar a partir de diverses senyals. Tant la senyal A, com la B, la C, la D... faran que la cèl·lula doni la mateixa resposta. Als diversos tipus de relació senyal-resposta se’ls anomena portes lògiques.
La taula de respostes d’una cèl·lula ve determinada per les senyals que es reben però també per la història de les senyals rebudes per aquesta cèl·lula: - Conjunt de FT (Factors de Transcripció) expressats (i altres factors, així com també l’estat metabòlic i d’adhesió).
Aquesta història determina l’expressió de receptors i la disponibilitat de seqüències target (diana) en el DNA.
Dos exemples de la porta lògica AND.
Exemple de la porta lògica OR.
ACTUCIÓ DELS FACTORS DE TRANSCRIPCIÓ (FT) La funció de cada FT és arbitrària, no tenen una funció absoluta, ja que depèn del context. Els FT sempre tenen uns dominis d’unió al DNA. Depèn d’on del DNA s’uneixi un FT, aquest pot activar o reprimir la transcripció.
La capacitat d’actuar dels factors de transcripció, a més, també depèn de l’estat de la cromatina i de la presència d’altres FT.
SENYALITZACIÓ DIMENSIÓ ESPACIAL - Senyalització a llarga distància (hormones): les hormones són produïdes per unes cèl·lules en un lloc del cos, se secreten i es transporten pels vasos sanguinis fins arribar als teixits específics del cos on s’uniran als receptors de les cèl·lules i faran que aquestes efectuïn una resposta.
- Senyalització a curta distància: quan diem curta distància ens referim només a uns quants radis cel·lulars (per exemple, els FGF, BMPs tenen aquesta distància). Per tant aquesta senyalització es a nivell del propi teixit o d’un grup de cèl·lules.
A curta distància, les molècules difonen per l’espai extracel·lular. Per tant, les cèl·lules són obstacles per les molècules. Per una molècula és difícil difondre per aquests espais, la qual cosa fa que la difusió a curta distància sigui lenta. De fet, el fet que sigui lenta, i que les molècules es vagin degradant, és el que fa que les molècules no arribin gaire lluny, i per tant sigui una difusió a curta distància.
- Senyalització per contacte: els senyals són molècules de membrana.
 Molècules d’adhesió: les cèl·lules poden estar adherides a un substrat o a altres cèl·lules. Els receptors de membrana detecten les molècules d’adhesió que es troben al substrat o a membranes altres cèl·lules i llavors s’hi uneixen.
 Via Nocht: Nocht és un receptor de membrana que interacciona amb altres molècules i llavors s’activa. Només s’activa per contacte.
 Ephrines: són molècules lligand que a vegades formen part de les membranes de les cèl·lules i altres vegades se secreten i forment part de la matriu extracel·lular. Juntament amb les semaforines, són molècules que provoquen respostes en les cèl·lules migratòries. El que fan és informar a aquestes cèl·lules de si van pel bon camí o no quan entren en contacte amb la matriu extracel·lular que les té o amb la membrana d’una cèl·lula, i fan que canviïn la direcció o no.
DIMENSIÓ TEMPORAL La vida mitjana de les molècules és molt important. Si una senyal té una taxa de degradació molt baixa, la seva vida mitjana serà més llarga, i podrà difondre més lluny, els seus efectes duraran més... També és important el temps que triga la cèl·lula a efectuar la resposta.
- Resposta a curt termini: acostumen a ser respostes en les quals la regulació es fa a nivell citoplasmàtic (modificació del citoesquelet, regulació traduccional o enzimàtica, alliberament de Ca++ del RE). Són, per tant, respostes ràpides. En aquests tipus de respostes mai hi ha regulació transcripcional.
- Resposta a llarg termini: normalment impliquen regulació transcripcional. És una resposta lenta perquè la cadena de transducció del senyal ha d’arribar al nucli, s’ha d’activar o reprimir l’expressió, s’ha d’expressar una quantitat mínima de mRNA, s’ha de traduir... Els canvis transcripcionals, per la seva pròpia naturalesa, necessiten molt més temps per produir-se.
La regulació transcripcional pot ser directa (la molècula factora regula l’expressió del gen resposta) o indirecta (la molècula factora regula l’expressió d’un FT del gen resposta). La regulació transcripcional indirecta, per tant, és encara més lenta.
UNA IDEA BÀSICA DEL FUNCIONAMENT DEL DESENVOLUPAMENT El patró inicial és un epiteli (el pol apical és la part de dal i el basal la de baix) amb dos tipus de cèl·lules.
Les cèl·lules verdes emeten una senyal que difon en l’espai. Aquesta senyal pot tenir moltes funcions diferents, per exemple: 1. El senyal és rebut per les cèl·lules blaves, i fa que aquestes proliferin.
2. El senyal és rebut per les cèl·lules blaves. S’activen uns FT que indueixen les cèl·lules a diferenciar-se, i que ara secretin una nova molècula. Això només ho faran les cèl·lules que rebin una concentració de la senyal superior al llindar de resposta. Al seu torn, les noves cèl·lules (taronges) envien una nova senyal.
3. La senyal enviada afecta a les pròpies cèl·lules. Aquesta fa que hi hagi canvis en el citoesquelet de les cèl·lules i que es desenganxin de la placa epitelial. A aquest procés se l’anomena transició epitelial-mesenquimàtica.
PASSOS DE LA REGULACIÓ GÈNICA Com hem dit, les transduccions de senyal poden acabar afectant a la regulació d’un gen a molts nivells. Aquests són els nivells als quals pot afectar: 1. Regulació de la transcripció: això es fa amb FT que activen o reprimeixen l’expressió d’un gen.
2. Processament de l’mRNA: eliminació d’introns, splicing alternatiu. Es pot fer que s’eliminin uns exons o uns altres.
3. mRNA: es pot controlar la vida mitjana de la molècula de mRNA (per exemple, modificant la seva cua polyA o el cap). També es pot regular la seva unió amb el ribosoma.
4. Regulació de la traducció: aquesta es pot regular en molts punts. Pot regular-se en l’entrada dels aminoàcids, en l’avançament de l’mRNA, en la unió de les dues subunitats...
5. Modificacions post-traduccionals: la regulació pot consistir en afegir o eliminar modificacions post-traduccionals, en fer talls del polipèptid que abans no es feien (o al contrari, fer que deixin de fer-se)... També es pot regular el seu pas per orgànuls i vesícules, la seva secreció...
6. Per últim, es pot regular la funció de la proteïna, activant-la o desactivant-la amb fosforilacions i desfosforilacions. També es pot regular la seva vida mitjana controlant les marques que la portarien a ser degradada al proteosoma.
És important que coneguem bé l’estructura d’un gen eucariota per poder entendre’n la regulació: - Regions promotores:  TATA box i altres seqüències similars: se situen a la regió up-stream.
Contribueixen a la col·locació de la RNA-polimerasa.
 Elements cis-regulatoris: enhancers i silenciadors. Poden estar a una certa distància tant up-stream com down-stream. Contribueixen a estabilitzar o impedir l’acció de la RNA-polimerasa.
- Lloc d’iniciació de la transcripció.
- 5’UTR o regió líder del mRNA. Va de l’inici del punt d’inici de la transcripció fins al codó d’inici de traducció. Aquesta regió és important perquè s’hi acostumen a unir proteïnes que regulen la seva unió als ribosomes, o la seva vida mitjana.
- Lloc d’inici de la traducció: codó ATG.
- Regió codificant: conté exons i introns. Poden tenir regions d’unió de factors d’splicing alternatiu o de terminació alternativa de la traducció.
- Lloc de terminació de la traducció: codó STOP.
- 3’UTR: té la seqüència a partir de la qual se sintetitza la cua polyA. La cua polyA regula la translocació del mRNA del nucli al citoplasma, la unió del mRNA al ribosoma i la vida mitjana de l’mRNA. Sense aquesta cua l’mRNA no pot sortir del nucli, no es pot unir al ribosoma i és degrada amb molta més facilitat.
Per tant, les regions 3’UTR i 5’UTR són molt importants per la unió de proteïnes que regulen la seva freqüència de traducció i la seva vida mitjana (regulació post-transcripcional).
La regulació post-traduccional és la que actua més ràpid després de que la cèl·lula rebi la senyal.
Bàsicament consisteix en fer clivatges i fosforilacions o desfosforilacions a proteïnes, i també glucosilacions i unions a lípids.
REGULACIÓ TRANSCRIPCIONAL: ELS PROMOTORS TAMBÉ SÓN ENTITATS COMPUTACIONALS Els promotors poden tenir diversos FT units o no units, i en funció d’això efectuen una resposta: expressen el gen que controlen o no, o regulen els nivells d’aquesta expressió.
Per exemple, un promotor pot estar regulat per dos enhancers alhora, i necessitar que hi hagi FT units en els dos per expressar-se (això seria un exemple de porta lògica AND). Si només necessités un dels dos enhancers seria una porta lògica OR.
Exemple de porta lògica AND amb dos enhancers.
PER QUÈ HI HA TANTS NIVELLS DE REGULACIÓ? Regular un nivell o un altre de tot el procés d’expressió dels gens fa que la resposta sigui més ràpida o més lenta. Per tant, el fet de que la regulació es faci a un nivell determinat també és una manera de controlar la velocitat de la resposta.
Una altra explicació pot ser que les respostes més lentes, les que tenen a veure amb el control transcripcional (ex: diferenciació), tenen més estabilitat que les ràpides (ex: modificació del citoesquelet per migrar).
Finalment, també es pot explicar pel thinkering: Una població de cèl·lules, en un punt del desenvolupament, té un estat A. Per al desenvolupament, és favorable que aquestes cèl·lules passin a l’estat B. Aquest canvi es pot produir canviant la regulació de les cèl·lules, tant a nivell transcripcional, de splicing... La selecció natural el que farà és seleccionar l’estat cel·lular B, i col·lateralment, la via de regulació per la qual hagi arribat a aquest. Si la primera via a aparèixer va ser la de la regulació transcripcional, quedarà aquesta seleccionada. Si la primera a aparèixer hagués estat l’addició post-traduccional d’un glúcid hauria estat aquesta...
PER QUÈ LES XARXES DE REGULACIÓ GÈNICA (XARXES DE TRANSDUCCIÓ DE SENYAL) SÓN TAN COMPLEXES? 1. Una de les raons ja l’hem explicat: per amplificar el senyal, de manera que si el senyal no arriba al llindar de resposta, aqueta no es produeix.
2. A vegades, una transformació de patró només es pot produir amb una xarxa de transducció realment complexa, i per tant no hi ha més remei que fer-la servir.
3. A causa del thinkering.
4. A causa de la deriva del sistema de desenvolupament (developmental system drift).
Exemple de deriva del sistema de desenvolupament: Un organisme necessita que en un moment determinat s’activi el gen B. Aquest necessita que s’activi abans el gen A per poder ser activat.
Pot haver-hi ha una mutació que faci que ara el gen C també pugui activar el gen B. Ara el gen B pot estar activat pel gen A o el C (porta OR).
Una segona mutació, en aquest cas deletèria, fa que el gen A deixi d’activar el gen B. Ara són necessaris tant el gen A com el C per activar el gen B (porta AND).
Aquestes mutacions no es donaran en tots els individus de la població, per tant en un principi els tres genotips estaran presents a la població. Però per deriva pot ser que s’acabi fixant el tercer genotip, i que els altres desapareguin. D’aquesta manera és com es creen les xarxes de transducció tan llargues (per una suma de casualitats en les mutacions i la deriva que fa que es fixin en la població).
...