3. Nivells de regulació gènica (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2016
Páginas 10
Fecha de subida 13/03/2016
Descargas 38

Vista previa del texto

3. NIVELLS DE REGULACIÓ GÈNICA La transducció de senyals és el procés pel qual les cèl·lules poden percebre si hi ha certes molècules que poden produir o no canvis en el comportament de la cèl·lula o en la cèl·lula a nivell molecular o físic, i no sempre dóna lloc a efectes en la transcripció.
Algunes senyals regulen certs gens sense afectar el nivell de transcripció d’aquests. Així, alguns gens no es regulen de manera transcripcional però aquest senyal pot afectar a la transcripció d’altres gens.
Els productes gènics que han de produir la asimetria no han de tenir la seva transcripció regulada perquè els productes gènics resultants difonen per tot arreu de manera que no tenim un canvi polar, amb direcció.
A la transducció de senyals tenim un factor de creixement, un lligand, que s’uneix a un receptor. Els factors de creixement no necessàriament promouen el creixement de la cèl·lula. S’anomenen lligands perquè actuen unint-se de forma no química (forces hidrofòbiques, de Van der Waals) a un receptor que pot estar a la membrana cel·lular o al nucli, tot i que típicament a la membrana cel·lular. Quan el lligand s’uneix al receptor, el receptor pateix un canvi conformacional, activant-se. Aquest receptor activat pot fer coses que inactivat no podia. El canvi en el receptor activa a nivell químic altres molècules, donant lloc a una cascada de senyalització.
Algunes de les proteïnes que acaben sent activades produeixen canvis a nivell cel·lular, per exemple, s’uneixen al citoesquelet estabilitzant les estructures. Altres proteïnes (proteïnes efectores) migren al nucli i, o bé actuen com a factors de transcripció o bé activen proteïnes que actuen com a factors de transcripció.
El senyal pot afectar a tots els nivells d’expressió.
1    Tenim regulació a nivell de regulació de enhancers.
El promotor te diferents afinitats per la polimerasa.
Proteïnes remodeladores de la cromatina, que regulen una regió més o menys gran del DNA, i són bastant estables.
 Regulació a nivell a la vida mitjana del mRNA (cua poliA al extrem 3’ incrementant la vida mitja del mRNA. La majoria dels mRNA presents als oòcits tenen aquesta cua poliA bastant llarga).
 Regulació per RNAs petits (miRNA, que són petites seqüències complementàries a parts de certs gens i inhibeixen a nivell traduccionales l’expressió del gens).
 Proteïnes que s’uneixen a seqüències específiques dels introns i regulen quins es treuen i quins no (splicing alternatiu).
 Proteïnes que s’uneixen a seqüències específiques del mRNA i les transporten fora del nucli, la protegeixen de la degradació o la condueixen més ràpidament cap als ribosomes.
A la pràctica, on tenim més regulació és a nivell transcripcional i a nivell de modificacions posttraduccionals de les proteïnes. A la teoria, tots els passos es poden regular de manera independent i específica.
Les modificacions post-traduccionals són importants per a donar a les proteïnes funcions que originalment no tenen.
Els diferents tipus de gens involucrats    Lligands: Extracel·lulars o intracel·lulars (sincitis, unions gap). Hi ha factors de transcripció que actuen com a factors de creixement perquè poden difondre fins a tots els nuclis.
Receptors: De membrana o nuclears (citosòlics). Un exemple és l’òxid nitrós, que actua com a factor de creixement i té un receptors específic nuclear. Els lligands liposolubles (en molts casos derivats dels corticoides i amb un paper molt important sobretot cap al final del desenvolupament) són els que van cap a receptors nuclears.
o La unió del lligand provoca un canvi conformacional en el receptor (canvi mecànic a la cadena d’aminoàcids que fa que adquireixi altres característiques):  Activitat quinasa  Scaffolding (canvi de l’estructura tridimensional de manera que exposen regions que poden reaccionar amb altres enzims)  Apertura dels canals iònics (si és un canal de ions)  Clivatges i altres catàlisis.
Molècules de transducció de senyals: Són aquelles que participen en la cascada de senyalització.
o Proteïnes:  Quinases i fosfatases  Proteases (al tallar el seu substrat moltes vegades fan que aquest activi un funció catalítica).
o Segons missatgers:  Molècules petites, per tant, es mouen ràpid  Petits pèptids provinents de clivatges de proteïnes més grans 2  PIP (fosfolípids fosforilats més de l’habitual) que difonen per la membrana o Ions, com el calci, que s’emmagatzema al mitocondri o al RE en grans concentracions en contra del gradient i quan s’allibera produeix “explosions” o cAMP El senyal acaba tenint un efecte sobre:  Activació de factors (proteïnes) de: o Transcripció o Traducció o Degradació de mRNA (vida mitja) o Proteòlisi i ubiqüitinització o Localització a la cèl·lula (unió al citoesquelet o altres) o Splicing alternatiu o Modificació post-traduccional La gran majoria d’exemples afecten només a la transcripció.
Exemple 1: Família FGF i EGF FGF i EGF són factors de creixement relacionats filogenèticament.
Els mateixos factors de creixement fan funcions diferents a diferents estadis del desenvolupament de l’embrió. Així, la funció és arbitrària, l’estructura molecular no ens dóna informació de què farà.
El receptor és un dímer i s’ha d’unir un lligand a cada part del dímer, de manera que calen dos lligands.
Quan això passa, el receptor s’autofosforila i pateix un canvi conformacional que fa que altres proteïnes s’uneixin a ell (GEF i GAP). Aquestes proteïnes activen la hidròlisi de GTP de la proteïna RAS, activant-la. Ras activa a MEK, que activa a ERK, que activa factors de transcripció.
Hi ha 8 interaccions entre proteïnes abans de aconseguir activar el factors de transcripció.
Tenim com un factor de computació perquè, tot i tenir el lligand, cal el receptor perquè el detecti. De manera que el senyal serà rebut només si hi ha el receptor. A més a més, calen les altres molècules per a transmetre el senyal.
Les molècules intermediàries actives permeten l’amplificació del senyal. També el poden inhibir (feed-back negatiu) per tal d’evitar que la transducció del senyal estigui induïda permanentment.
Per què tantes quinases? Les quinases permeten amplificar el senyal.
A més, hi ha un filtratge, un llindar del senyal, provocant una resposta no lineal al senyal. Això vol dir que a partir d’una certa quantitat de receptor activat, la resposta de la cèl·lula serà 3 màxima. En canvi, per sota d’aquest llindar, les quinases activades no seran suficients per a contrarestar l’activitat basal de les fosfatases de la cèl·lula.
Exemple 2: Família TGF-B BMPs El lligand activa la fosforilació de Smad 2,3 i fa que Smad 4 es pugui unir a 2,3 i tot el complex actuï com a factor de transcripció.
Exemple 3: Shh Shh inhibeix l’inhibidor del receptor.
El receptor de SHH es diu Ptc i el que fa és inhibir Smo quan no té el lligand. La inhibició de Smo comporta la degradació al proteosoma d’un complex, tenint com a conseqüència la repressió d’uns gens.
Quan Shh s’uneix Ptc, aquest deixa d’inhibir Smo, permetent que interaccioni amb un complex i evitant la degradació d’aquest complex. El complex activa uns factors de transcripció que permetran l’expressió d’uns gens.
Shh també s’uneix a Hip, però Hip per ella mateixa no fa res. Mentre Shh està unit a Hip, Shh no es pot unir al seu receptor, de manera que s’està inhibint el senyal de Shh, és a dir, disminuint la seva concentració activa.
4 Exemple 4: Wnt: Via canònica La β-catenina pot actuar com a factor de transcripció, però és marcada per APC per a ser degradada.
Wnt s’uneix a la proteïna Frizzled, i permet activar a Disheveled que desuneix la β-catenina inhibint GSK3. Aleshores s’allibera la β-catenina d’APC i es transloca al nucli i s’uneix a LEF/TCF, convertint-lo en un factors de transcripció (resposta no lineal).
En altres casos no afecta a la transcripció sinó a certes quinases que fosforilen proteïnes que s’uneixen al citoesquelet. És una via important per a la migració del es cèl·lules.
Com es manté l’estat d’una cèl·lula si les proteïnes es degraden constantment?  Factors de transcripció que s’autoactiven.
o Autoactivació autocrina o Autoactivació paracrina: FT1 activa la síntesi de FC1, que presenta el seu receptor homogèniament per tot l’espai. Aleshores, FC1 interacciona amb els receptors de la cèl·lula veïna, fent que aquesta expressi FT1 i sintetitzi FC1, que serà també alliberat i arribarà a la cèl·lula del costat, transmetent-se el senyal.
 Modificació d’histones (polycomb i tritòrax): Algunes proteïnes són capaces d’unir-se de forma molt estable al DNA a regions més o menys grans afectant l’empaquetament de la cromatina (regions molt empaquetades  no expressió, regions poc compactades  expressió).
 Metilació: Hi ha enzims que metilen les regions del DNA i això determina l’expressió de certs gens. A alguns casos, aquestes metilacions s’hereten també. Es transmet d’una generació o dos però no es sap ben bé perquè. Així doncs, es tracta d’una memòria d’estat transcripcional al llarg de generacions cel·lulars.
5 La cèl·lula com una màquina computacional Les cèl·lules no segueixen unes instruccions ni un programa, el que fan és donar respostes senzilles a inputs (senyals extracel·lulars) més o menys senzills.
Les respostes depenen dels senyals que rebi i de la història (estat metabòlic...). La història es manifesta en els factors de transcripció expressats, i determina l’expressió de receptors i la disponibilitat de targets al DNA.
Podem tenir computació a nivell de molècules individuals però també de xarxes genètiques.
AND A la imatge A tenim dos lligands diferents amb els seus receptors corresponents. Els dos receptors actius fosforilen a una mateixa proteïna, i només amb aquestes dues fosforilacions simultànies, la proteïna pateix un canvi conformacional i s’activa i transdueix el senyal. Així dons, la cèl·lula està actuant com una porta lògica: AND.
A la imatge B, veiem que només quan les dues proteïnes estan unides (i aquesta unió requereix de la fosforilació per separada de cadascuna de les proteïnes) activen els factors de transcripció.
OR També el podem anomenar “no disjuntiu”, és a dir, “va bé o una cosa o l’alta”.
La β-catenina pot ser activada per diferents vies. Per tant, la catenina està actuant com una porta “o” perquè independent de qui l’activi acabarà actuant. Ens permet saber si qualsevol d’aquests factors de creixement està present pels voltants de la cèl·lula.
6 Així, la funció de cada molècula és arbitrària i depèn del context (a quins llocs del DNA s’uneixi, de l’estat de la cromatina i de la presència d’altres factors transcripcionals), no de l’estructura tridimensional.
No hi ha cap gen que tingui una funció macroscòpica, el que fan els gens és interaccionar amb altres gens, i és la xarxa genètica la que pot donar lloc a uns patrons finals determinats a partir dels patrons inicials si les condicions ambientals són les adients.
Dimensió espacial Totes aquestes transduccions de senyals i aquestes interaccions tenen un component espacial.
 Senyalització a llarga distància: hormones a través dels vasos sanguinis.
 Senyalització a curta distància: uns quants radis cel·lulars (a nivell del propi teixit o grup de cèl·lules).
 Senyalització per contacte: molècules de membrana (molècules d’adhesió, Via Notch, Ephrines).
Dimensió temporal  Vida mitja de les molècules implicades en la senyalització cel·lular i el temps de resposta.
o Resposta a curt termini (Ca2+, no transcripcional).
o Resposta a llarg termini (transcripcional directa o indirecta (factors de transcripció de factors de transcripció)).
Com funciona el desenvolupament: una idea bàsica 7 Regulació gènica La regulació gènica es pot donar a nivell de:  Regions promotores: o TATA box i similar: Es troben pròxims a l’inici de la transcripció i contribueixen a la col·locació de la RNA polimerasa.
o Elements cis-regulatoris, com els enhancers i els silencers: Contribueixen a estabilitzar o impedir l’activació de la polimerasa. Poden estar a una certa distància tant upstream com downstream.
Els promotors també són màquines computacionals i integren funcions lògiques simples:  Quan dos enhancers de dos factors de transcripció diferents solapen una mica, només es pot unir un, de manera que si FTA està unit al seu enhancer, FTB no es pot unir al seu.
 OR: A o B poden activar individualment el promotor.
 AND: A i B han d’unir-se al seu enhancer per a activar la transcripció del gen.
    Lloc d’iniciació de la transcripció.
Lloc d’inici de la traducció (ATG).
5’ UTR o leader sequence: Va de l’inici de la transcripció al codó START.
Regió codificant: Exons i introns poden tenir regions d’unió de factors de splicing alternatiu o de terminació alternativa de la traducció.
 Lloc de terminació de la traducció (codó STOP).
 3’ UTR: Presenta la cua poliA (permet la sortida del mRNA del nucli i augmenta la seva vida mitjana).
Tant a 5’UTR com a 3’UTR s’hi uniran proteïnes que regularan la seva freqüència de traducció i la vida mitjana del mRNA (regulació post-transcripcional).
La transcripció és un procés estocàstic, és a dir, tenir tots els factors de transcripció per a expressar el gen no implica que es transcrigui sinó que si passa la polimerasa hi ha més probabilitat que s’uneixi al promotor i transcrigui el gen.
La regulació post-traduccional és la més ràpida després del senyal (fosforilacions, clivatges, glucosilacions, unió a lípids).
Per què regulació a tants nivells?  Permet un millor canvi de resposta en el temps, és més maniobrable.
8 o o     Respostes lentes però estables en el temps (per exemple, la diferenciació).
Respostes ràpides i dinàmiques (per exemple, la modificació del citoesquelet per a la migració).
Tinkering o Qualsevol fase del procés d’expressió d’un gen pot ser subjecte a regulació.
o A nivell adaptatiu, és indiferent que un gen es reguli a un nivell o a un altre. De fet, una regulació a molts nivells implica més robustesa a les pertorbacions.
o Les xarxes es produeixen per mutacions que donen lloc a variabilitat a les proteïnes permetent la interacció amb altres proteïnes.
o Els canvis que apareixen a les xarxes genètiques no apareixen perquè donen lloc a variacions millors o més òptimes sinó perquè són les més fàcils a produir en base dels elements que tenim. És a dir, pots fer una casa de dues maneres: 1) anar a un arquitecte que ho pensi tot al detall, o bé 2) agafar tu i anar-la construint sobre la marxa.
o Les xarxes genètiques no estan fetes per a fer el que fan ara, sinó per a fer el que feien en el passat però lleugerament modificades perquè puguin fer el que fan ara. És com si tens una xabola i dius: ara he de viure allà. Aleshores, en comptes de tirar-la al terra i construir-la de nou, fas una habitació amb quatre maons al costat aprofitant el màxim possible el que ja tens.
Per a amplificar el senyal: Cadascuna de les molècules d’un pas activa a moltes més del següent. Així, cada cop hi ha més molècules activades.
Les vies de transducció de senyals comporten canvis en el comportament cel·lular, però quan es combinen, donen lloc a la formació de patró.
L’altre motiu és el Developmental system drift, i ve donat per fenòmens estocàstics.
o Tenim una xarxa genètica l’objectiu de la qual és fer que un gen B s’activi. Per a fer això, algun ancestre comú té un gen A que l’activa. Aleshores, es donen mutacions. El gen A és un FT, i en el seu promotor apareix un enhancer que fa que el gen A s’uneixi al promotor del gen C, de manera que el gen C s’activa gràcies al gen A. No obstant, a nivell evolutiu, aquest fet és insignificant perquè a nivell de fitness el que volem és que el gen B s’activi. Al cap d’un temps, es produeix una mutació que fa que el gen C també pugui activar al gen B. Aleshores, es dóna una altra mutació que fa que desaparegui allò que permetia que el gen A activés al gen B. així, el gen B ara és activat pel gen C. Però el canvi segueix sent neutre perquè no afecta l’expressió del gen B.
o Per deriva gènica esperes que la població pugui anar canviant entre aquestes tipologies de xarxes (hi ha varies xarxes que porten al mateix destí). Com les mutacions són neutres el que controlarà que les tipologies de xarxes que donen lloc al mateix fenotip canviïn serà la deriva perquè no hi ha selecció al no tenir efecte sobre el fenotip.
9 o o o En el conjunt de les configuracions possibles, l’ordenat sempre és una petita proporció i, com més elements hi hagi, més petita serà la proporció de combinacions ordenades. Quan diem ordenades ens referim a senzilles. És una qüestió estadística. Per això la deriva genètica porta a xarxes complexes, perquè hi ha menys xarxes senzilles.
Per a una mateixa transformació de patró, hi ha xarxes amb diferents tipologies que permeten realitzar-la.
A alguns casos, es pot passar d’una xarxa a una altra per una sola mutació o per dues. Encadenant aquests canvis és possible anar canviant la tipologia de xarxa sempre i quant el patró final sigui el mateix. Aleshores, com ens estem movent a l’atzar, observem que al final les xarxes que tenim son més compilades, perquè estadísticament hi ha més xarxes complicades que donen lloc al producte que esperem que xarxes simples.
10 ...