Tema 5 (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 2º curso
Asignatura Biologia Molecular
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 22/04/2016
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Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Tema 5: Regulación de la expresión génica Regulación de la expresión génica         Activación (descompactación) de la cromatina, en eucariotas.
Síntesis del transcrito de RNA.
Procesamiento postranscripcional del RNA eucariota.
Transporte.
Degradación del RNA.
Traducción del mRNA eucariota (éste puede estar en el citoplasma y no traducirse).
Modificación postraduccional de proteínas (regula la función, una misma proteína más de una función).
Degradación de proteínas (proteosoma).
Mecanismos de regulación transcripcional Control negativo Existe un represor, producto de un gen regulador que impide la expresión de los genes.
Distinguimos entre:   Sistema inducible.
o Si no hay señal, el represor se une al operador y no se da la transcripción.
o Si hay señal, el represor se disocia del operador y se da la transcripción.
Sistema reprimible. (activado por síntesis de molécula mediante anabolismo) o Si hay señal, el represor se encuentra unido al operador, inhibiendo la transcripción.
o Si no hay señal, el represor se disocia del operador y se da la transcripción.
Control positivo Existe un activador (de polimerasa), producto de un gen regulador que activa la expresión de los genes, potenciando la interacción del a RNA polimerasa con el promotor Biología molecular   Nanociencia y nanotecnología Sistema inducible.
o Si hay señal, el activador está unido al promotor, provoca la transcripción.
o Si no hay señal, el activador se disocia del promotor, inhibiendo la transcripción.
Sistema reprimible.
o Si hay señal, el activador se disocia del promotor, y no se da la transcripción.
o Si no hay señal, el activador se une al promotor y se da la transcripción.
Elementos de regulación transcripcional Se distingue entre:   Elementos en cis. Se encuentran en la misma molécula de DNA que regulan: o Promotor.
o Operador (eucariotas).
o Enhancer (eucariotas y RNA polimerasa II), permite la diferenciación celular.
Elementos en trans. Pueden ser codificados por una molécula de DNA diferente de la que regulan.
o Factor de transcripción.
o Represor.
o Activador.
Regulación de la expresión génica en procariotas Gran parte de mRNAs procariotas son policistrónicos (muchos genes en un transcrito), cuya expresión está corregulada en entidades conocidas como operones. Suelen agruparse genes para enzimas de una misma vía metabólica, permitiendo una expresión coordinada.
El gen regulador se encuentra fuera del operón, pero tiene su propio promotor (débil), pues no hay muchos operones que regular de cada tipo.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Operón formado por:    Gen regulador. Codifica para una proteína (represora o activadora) que interacciona con el operador o promotor de la región de control para regular la transcripción.
Región de control (operador + promotor).
o El promotor, secuencia de DNA que determina el sitio de inicio de la transcripción. Une RNA polimerasa y activadores.
o El operador, secuencia de DNA a la que se une una proteína reguladora para reprimir la transcripción de unos genes estructurales determinados.
Genes estructurales.
Regulación de la transcripción del Operón lac: negativa y positiva Muchos operones son afectados por dos tipos de regulaciones coordinadas.
El operón lac codifica las enzimas necesarias para captar y asimilar lactosa.
El operón lac codifica:    Transacetilasa, función desconocida.
Permeasa, permite la entrada de lactosa.
Β-galactosidasa, degrada la lactosa. También convierte la lactosa en alolactosa. Es un inductor, señaliza la presencia de lactosa. Al unirse al represor lac, éste se separa del operador, estimulando la transcripción.
La galactósido permeasa y la β-galactosidasa han de estar para inducir el sistema, nunca se cierra del todo (nivel basal de expresión). Este nivel es provocado por la constante de disociación del represor sobre el operón, que a ratos se suelta.
En el laboratorio se trabaja con IPTG, que induce la reacción en lugar de la lactosa, y no es degradado por la galactosidasa, permitiendo que se active todo el tiempo el operón.
Regulación negativa del operón lac El operón dispone de diferentes elementos:  LacI. Su producto es un gen regulador represor.
Biología molecular     Nanociencia y nanotecnología Gen A. Codifica para la Β-galactosidasa.
Gen Y. Codifica para la permeasa.
Gen A. Codifica para la transacetialasa.
Operador O1. Principal operador de operón.
En ausencia de señal (inductor), el represor está unido al operador e impide la expresión de los genes estructurales. Además, el represor Lac puede actuar en trans.
Regulación positiva del operón lac (represión por catabolito) En realidad no es una represión, sino que no se permite la activación.
Los niveles elevados de AMPc indican falta de glucosa. El AMPc se une a CAP (proteína activadora), que desarrolla su función cuando se encuentra como AMPc-CAP. Se da la unión al promotor Lac y la estimulación de la transcripción. La CAP interacciona con las subunidades α, estabilizando el complejo de inicio e impidiendo el aborto.
Así, al aumentar los niveles de glucosa, la bacteria no necesita degradar la lactosa, y e reprime la transcripción del operón Lac.
Coordinación de sistemas   AMPc-CAP es el elemento regulador positivo (falta glc).
Represor Lac es el elemento regulador negativo (falta glc).
El AMPC-CAP tiene poco efecto sobre el operón Lac cuando el represor se encuentra bloqueando la transcripción.
Por otro lado, la disociación del represor Lac tiene poco efecto si el complejo AMPc-CAP no está unido al promotor.
Fuerte inducción del operón Lac mediante:   Lactosa = inductor = inactiva el represor Lac.
Baja concentración de glucosa = altos niveles de AMPc = formación de AMPcCAP.
Operón triptófano Operón Trp, contiene 5 genes de enzimas necesarias para síntesis de triptófano. Este operón es regulado mediante una regulación negativa reprimible, donde el triptófano Biología molecular Nanociencia y nanotecnología es el correpresor del sistema. Este funciona sin niveles elevados de trp, uniéndose y activado el represor, que inhibe la expresión.
La síntesis de aminoácidos es muy cara, por lo que no puede haber un nivel basal.
Éste es bloqueado mediante un mecanismo de atenuación.
Observando el mRNA, apreciamos que hay parte que se encuentra completo, pero muchas moléculas de él acaban antes de llegar a los cistrones de enzimas. Así, cuando hay trp, éste se une al represor, provocando un cambio conformacional que permite su unión al operador, impidiendo la transcripción.
Inducción y represión La bacteria ajusta su habilidad para crecer en determinado sustrato (lactosa) o sintetizar determinado intermediario metabólico (trp). Para ambos ajustes, el desencadenante es:   Moléculas pequeñas que causan la producción de enzimas que puedan metabolizarlas: Inductores (lac).
Moléculas que previenen la producción de enzimas capaces de sintetizarlas: Correpresores (trp).
Mecanismo de atenuación El circuito on/off mediado por un represor no cesa completamente la expresión génica, permite el nivel basal.
Pequeños cambios en la concentración de trp pueden cambiar el nivel de síntesis de enzimas biosintéticas en gran medida. Así, la atenuación de la regulación es el regulador final de la transcripción. Ésta es parada de forma abrupta antes de transcribir el nivel basal.
Este fenónemo sólo tiene lugar en procariotas, gracias al acoplamiento entre transcripción y traducción.
 La traducción siempre comienza por una metionina (AUG).
Biología molecular  Nanociencia y nanotecnología  En la región leader se presentan 2 trp seguidos.
Éste es un aminoácido grande y difícil de empaquetar, de modo que esta secuencia actúa como sensor de la concentración de trp.
 A parte de esta región, también están la 2, 3 y 4 que pueden aparear.
 Cuando hay trp sficiente para sintetizar la región leader, el ribosoma alcanza el segmento stop, antes de la región 2. En ese momento, el segmento 3 y 4 interaccionan, uniéndose en forma de bucle terminado en U, secuencia atenuadora.
Si la concentración de trp descien de, el ribosoma queda parado antes de terminar el péptido leader, a la espera de que llegue tRNA portando el aminoácido, y no atrapa el segmento 2. Una vez se polimeriza el 3 (acoplamiento de traducción y transcripción), se da la interacción entre el 2 y el 3, generando una secuencia antiterminadora, por lo que la polimerasa transcribe hasta el final el mRNA.
Regulación transcripcional en eucariotas La regulación resulta mucho más compleja que en procariotas, hay un mayor tamaño del genoma, y los genes están organizados de forma muy diferente, lo que altera también la diferenciación celular.
Plásmido: 3000 bp Genoma E. Coli: 4·106 Genoma humano: 3·109 En eucariotas, el grado de compactación de la cromatina es el mayor elemento regulador de la transcripción.
Los genes no se organizan en operones. No existen los operadores, y el mRNA es monocistrónico.
Predominan los mecanismos de regulación positivos, y los genes han de activarse para ser transcritos, de modo que el nivel basal es la actividad inherente de los promotores en presencia de factores de transcripción basales.
Las proteínas reguladoras son grandes complejos multienzimáticos.
La transcripción en el núcleo eucariota está separada de la traducción en el citoplasma tanto en espacio como en tiempo.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Cromatina DNA se compacta como cromatina:   Heterocromatina. Compactada e inactiva.
Eucromatina. Descompactada y activa, más sensible a la degradación por nucleasas. Los nucleosomas están ausentes en regiones altamente activas (innecesarios). Es además deficiente en histona H1.
La levadura ni siquiera presenta histona H1, pues no realiza diferenciación celular. En el caso de los promotores se presentan pocos nucleosomas, reduciendo la compactación y facilitando la lectura.
Regulación epigenética de la transcripción Consiste en una regulación de la expresión génica sin cambios en la secuencia de nucleótidos y que es heredable. Mediada mediante:    Metilación de DNA.
Modificación de histonas.
Cambio de posición de nucleosomas a lo largo del DNA.
Interacción entre componentes epigenéticos permite balance apropiado entre actividad transcripcional y represión, gracias a que la cromatina sufre cambios en su arquitectura.
Regular el empaquetamiento del DNA permite:    Replicación.
Expresión génica.
Silenciamiento de genes.
Regulación del inicio de la transcripción Las RNA polimerasas eucariotas poseen poca afinidad intrínseca por sus promotores.
Así, el inicio de la transcripción es dependiente de proteínas, factores de transcripción, que se unen a la polimerasa para unirla al promotor.
Estos factores tienen poco efecto por sí mismos, de modo que crean grandes complejos con otras proteínas. Según con cuales interaccione, podrá tener unos efectos u otros: control combinatorial.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Regulación del inicio de la transcripción por RNA polimerasa II Se distinguen entre: Elementos de secuencia:   TATA.
UAS (upstream activating sequences).
 Enhancers . (Potencian la transcripción de manera muy específica, unen factores de transcripción de genes muy concretos).
Poseen muchas islas cpg. Cuando los C están metilados, forma Z de DNA, no reconocido por factores de transcripción. Regresa a forma B al quedar sin metilar.
Elementos proteicos (Se unen a elementos de la secuencia):    GTFs, factores de transcripción generales, se unen a la caja TATA generando el nivel basal.
UTFs, se unen a elementos upstream y a enhancers.
Mediador, gran complejo que pone en contacto factores de transcripción, regulando la RNA polimerasa II.
DNA binding transactivators (DBTs), se unen a enhancers, que pueden estar muy separados entre sí dentro de la misma molécula. Se da interacción con la TFIID, que asu vez permite que la TBP se una a la caja TATA. Esto permite la unión de la RNA polimerasa II, y se forma el complejo PIC.
LOS GTF y UTF son recolectados por el mediador, que los transporta al complejo PIC, magnificando la acción de la RNA P II.
También puede darse la actuación de represores, que secuestran los factores de transcripción, de modo que ésta no se activa.
No existe mediador en procariotas. En levaduras, sí, pero no hay diferenciación.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Diferenciación celular Puede ser regulada mediante moléculas señal. Por ejemplo, hormonas esteroideas, que se unen a un receptor nuclear. Éste es un factor de transcripción, que se une a una secuencia de DNA específica. Es un elemento de respuesta a hormonas (HREs).
Los receptores de hormonas se encuentran en la membrana nuclear.
Receptor típico de hormona esteroide La habilidad para actuar mediante el HRE para alterar la expresión génica depende de:  Secuencia HRE.
 Su posición relativa respecto al gen (cambia actuación, interviene mediador o no).
 Número de HREs asociados al gen.
Los factores de transcripción presentan estructura supersecundaria, motivo estructura.
  Dedos de Zn. Puede haber muchos seguidos en el factor de transcripción. Se intercalan en el DNA, varios elementos seguidos en él implicarán varios dedos de Zn encajándose.
Cremalleras de Leu. 2 hélices α con Leu (hidrofóbica) uniéndolas.
Regulación de la transcripción La entrada de hormonas depende de su carácter.
  Hormonas hidrofóbicas, como las esteroides, entran directamente al núcleo.
Hormonas no hidrofóbicas, como la insulina y la adrenalina, actúan mediante cascadas de señales que desencadenan la fosforilación de factores de transcripción, activándolos (aunque también sucede al contrario).
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