TEMA 10 - REGULACIÓ EUCARIOTES (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 2º curso
Asignatura genètica molecular
Año del apunte 2015
Páginas 10
Fecha de subida 14/01/2015
Descargas 34
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 10 - REGULACIÓ DE L’EXPRESSIÓ GÈNICA EN EUCARIOTES [a falta de temps no puc resumir-ho i estructurar-ho igual que els altres, no ho he revisat gaire i s'ha fet el que s'ha pogut. Millor això que res :D!] • mes complex que en bacteris, actuen més factors (activadors o repressors) i hi haurà més seqüències reguladores. ⟶expressió més controlada • regulació en el desenvolupament i durant la diferenciació cel·lular ⟶(hormones tenen un efecte d'estabilització, poden actuar en un moment determinat en els teixits de creixement).
• nivells de regulació gènica • Modificació de l’estructura del gen: Remodelació de la cromatina.
-primer nivell de regulació⟶estructura de la cromatina. Cromatina condensada, si es s'han de reconèixer seqüències especifiques s'ha de descondensar.
-hi ha factors de transcripció o modificadors de la cromatina que la tornen laxa i permeten l'accés de factors de transcripció. Reversible.
• Transcripció: Regulació transcripcional • Processament del mRNA • Estabilitat del missatger: degradació • Traducció: regulació traduccional • Modificacions de la proteïna: post-traduccionals -els gens es troben silenciats, i per tant, la cromatina es troba compactada, quan els volem activar descompactem la cromatina s'activen de manera positiva, En bacteris en canvi, nromalmetn es troben actius i el que es fa es inactivar-los.
A part de la cromatina, hi ha altres elements que intervenen en la regulació de la transcripció com són: • Control positiu/negatiu: Gens estructurals, gens reguladors i elements reguladors.
• Inducció/repressió: Estímul extern a la cèl·lula.
Els gens reguladors formen els elements reguladors que controlen els gens estructurals. Tot va controlat per un estímul extern. Normalment parlem de factors de transcripció a l’hora de l’activació i repressió. El que fan els factors és competir per inhibir i activar.
• Gen estructural: Gen regulat • Gen regulador: codifica pel regulador (factor de transcripció), element que actua en trans, interaccionant amb seqüències del DNA.
• Elements reguladors: seqüències de DNA, elements que actuen en cis, en la mateixa molècula de DNA que els gens que controlen. Poden controlar positiva o negativament i es defineix d’acord amb l’efecte que produeix la proteïna reguladora sobre els elements reguladors.
• Estímul extern a la cèl·lula: determina l’estat actiu o inactiu de la proteïna reguladora, indueix o reprimeix.
A la regió promotora del gen estructural hi ha el lloc regulador i el lloc d’inici de la transcripció.
Tipus de regulació de la transcripció El senyal extern sempre actua amb el regulador, tant si és activador com repressor.
Dos nivells de regulació de la transcripció en eucariotes Hi ha reguladors de dominis. Molts cops si no hi ha factors de transcripció no es pot transcriure. Les seqüències actuen com a elements reguladors.
Els factors de transcripció actuen en trans i poden ser general, activadors o repressors.
Les seqüències de DNA actuen en cis i poden ser promotors, enhancers, aïlladors i silenciadors.
Factors de transcripció També es poden anomenar activadors o repressors.
S’uneixen al promotor, enhancer i silenciador de forma específica. Interactuen amb altres proteïnes per activar i incrementar la transcripció (fins a 100 vegades el nivell basal). O reprimir en el cas dels repressors. La seva funció es porta a terme en dos o més dominis funcionals: • Domini que reconeix la seqüència de DNA • Domini que interacciona amb una o més proteïnes de l’aparell transcripcional • Domini que interaccions amb proteïnes per enllaçar amb els llocs reguladors (cooperativitat).
• Domini que influencia l’estructura de la cromatina (directa o indirectament).
• Domini que actua com a sensor de les condicions interiors de la cèl·lula.
El domini d’unió al DNA i el domini que interaccions amb altres factors són imprescindibles, la resta són opcionals.
El domini d’interacció amb el DNA té hèlix-loop-hèlix, dits de zinc i leucine zipper (cremallera) que enganxen el DNA.
• repressors: actuen de manera similar que els activadors però reprimeixen la transcripció.
• enhancer o potenciador: els enhancers son elements reguladors que actuen en cis per incrementar la transcripció dels gens. La seva posició respecte els gens que regulen és molt variable (davant o darrere del gen o als introns). Poden actuar en més de 100pb del gen que regulen.
Seqüències reguladores Són reconegudes pels factors de transcripció. El promotor, l’enhancer, l’aïllador i el silenciador són les seqüències reguladores estàndard dels gens de la RNA polimerasa II.
Promotor Són crítics per a la regulació gènica. Integren totes es senyals reguladores per a aconseguir una taxa de transcripció apropiada en el temps i espai. Els promotors de la RNA polimerasa II són molts diversos en quant a dominis de seqüències i elements reguladors que s’associen a ells.
En el promotor basal hi ha una gran diversitat, prop de la caixa TATA hi ha el lloc d’unió de BRE (factor 2) entre altres coses. Segons la família d’organismes de la que parlem hi ha unes seqüències o altres. Tenim 3 tipus de promotors: • Adult, específic de teixits, té TSS transcription start site, és precís i sense illes CpG.
• Constitutius, es troben en tots els teixits. Els TSS no són precisos i tenen illes CpG.
• De desenvolupament, tenen CpG llargues amb marques epigenètiques.
Enhancer o potenciador És reconegut pels activadors. Són elements reguladors que actuen en cis per incrementar la transcripció dels gens. La seva posició respecte als gens que regulen és molt variable (davant o darrere del gen o en introns). Poden actuar a més de 1000pb dels gens que regulen.
• Es troben per tot el genoma • Són seqüències que funcionen en qualsevol orientació • La seva activitat es restringeix a un teixit en particular o línia cel·lular, a un moment determinat de l’organisme, a condicions fisiològiques o patològiques específiques.
• Molts enhancers tenen una seqüència conservada però en altres és difícil de trobar.
El seu mecanisme d’acció és la interacció amb el gen que controlen. Perquè sigui actiu ha de marxar la trimetilació i hi ha d’interaccionar els factors.
Els enhancers es transcriuen. Recentment s’han identificat ncRNA (non coding) que s’associen als enhancers, els eRNA. El model proposat per a la funció dels eRNA diu que aquests promouen la interacció de l’enhancer amb el promotor i que activa l’expressió del gen.
1. L’enhancer es reconeix i enganxa el promotor i es transcriu a tRNA, això fa que després es transcrigui l’mRNA.
2. Es fa l’eRNA i aquest desencadena la formació del mRNA.
Aïlladors Impedeixen que l’efecte activador o repressor es transmeti. Els aïlladors poden actuar a dos nivells: Per demostrar la funció de l’aïllador es bloqueja l’acció d’un potenciador. L’acció consisteix en bloquejar, l’aïllador no desactiva l’enhancer o promotor.
Els aïlladors per tant són punts de separació entre eucromatina i heterocromatina.
Si deixa al gen que s’ha d’expressar sense prou activador el gen no es pot expressar. En Drosophila hi ha scs (specialized chromatin structures) que són aïlladors. Normalment el que passa és que les modificacions de la cromatina es propaguen al llarg d’aquesta controlades per certes proteïnes. Si això afecta a la conformació d’un gen es pot produir un efecte que anomenem variegació de l’efecte de posició (PEV), que és el que passa quan l’heterocromatina s’expandeix fins a un gen concret. Això passa amb el color blanc dels ulls de les mosques.
Les regions heterocromàtiques es defineixen en estadis de desenvolupament embrionari i després progressen com clons. Quan transferim un gen pot anar a heterocromatina o a eucromatina. Per això normalment quan introduïm un gen li posem aïlladors al voltant. Millorem l’expressió del nostre trasgen.
Resum de les seqüències reguladores: -el silenciador⟶elements que permet la compactació de la cromatina (la cromatina compactada a partir d'aquí).
-promotor (P2)⟶ no es podrà expressar perquè es troba en heterocromatina.
-aïllador (funciona en els dos sentits)⟶ impedeix l’actuació E1 -Promotor (P1)⟶gen accessible amb enhancer davant seu unit amb un factor de transcripció, i un altre darrere seu (E2) que té molt aprop un aïllador que inhibeix l'E2⟶ ha d'actuar E1 (eucromatina) i no hi ha cap silenciador o aïllador entre l’enhancer i el promotor que ho pugui inhibir.
Remodelació de la cromatina L’epigenoma són els canvis que efecten l’accessibilitat de la cromatina de forma positiva o negativa a regions molt grans. D’això se n’encarrega l’epigenètica.
• Estudia els canvis en el genoma que afecten l’expressió gènica sense alterar la seqüència de DNA.
• Els canvis poden ser reversibles i afecten les histones.
• Amb freqüència els canvis són influenciats per l’ambient.
• Els canvis es mantenen després de vàries divisions cel·lulars i de vegades després de vàries generacions d’organismes.
Els canvis influeixen el fenotip sense afectar el genotip i a més són heretables.
Els mecanismes epigenètics són fonamentals ja que regulen molts processos cel·lulars: Expressió gènica i microRNAs, interacció DNA-proteïna, supressió de la mobilització de transposons, diferenciació cel·lular, embriogènesi, inactivació del cromosoma X i empremta genètica. A més, els canvis epigenètics contribueixen en el desenvolupament de certes malalties.
Epigenoma • Cada teixit o tipus cel·lular posseeix el seu propi epigenoma, és a dir, la distribució de la metilació del DNA, les modificacions d’histones i l’expressió de ncRNA és específic.
• L’epigenoma és dinàmic, canvia com a resposta a estímuls i factors ambientals.
• En certes malalties humanes i càncers s’observen canvis epigenètics.
• En humans el zigot conté un genoma del que sorgeixen més de 200 tipus cel·lulars (més de 200 epigenomes).
Evidències de la importància de l’epigenoma: Els bessons homozigots presenten patrons • epigenètics diferents, els animals clonats no són idèntics i moltes malalties mostren patrons epigenètics diferents a les cèl·lules normals.
• Modificació del DNA: Metilació/desmetilació • Modificació de les histones: acetilació, metilació, fosforilació i ubiquitanització • Remodelació de la cromatina: posicionament del nucleosoma (sense canvis químics en histones o DNA).
• ncRNA (siRNA) Metilació de DNA Té lloc en la citosina del dinucleòtid CpG en eucariotes, encara que és estrany en eucariotes inferiors.
Les illes CpG són regions majors de 200pb riques en el dinucleòtid CpG. El 60% dels promotors en el genoma humà contenen illes CpG que en general no estan metilades en les cèl·lules normals (només el 6% es metilen de forma específica en el desenvolupament). MetilacióSilenciament.
Modificacions post-traduccionals de les histones Les cues de les histones poden patir modificacions després de la traducció, sobretot en H3 i H4.
Les modificacions poden ser acetilació (HAT)/deascetilació (HDAC), metilació(HMT)/ desmetilació(HDM), fosforilació (kinasa/desfosforilació (fosfatasa) i ubiquitinització (ubiqüitina).
La lisina és un residu molt accessible per a l’acetilació. Provoca que es perdi la càrrega i que la cromatina es relaxi. Les H3 i H4 són les que porten més modificacions.
El codi de les histones té un patró de modificació que determina quines regions del genoma s’expressen en un moment donat. Per exemple, depenent del lloc de metilació hi ha silenciament o compactació.
També es pot modificar la cromatina a través del canvi d’histones i la mobilitat de nucleosomes.
Modificació coordinada de la cromatina Perquè tot estigui ben ha o de compactat descompactat coordinar-se bé.
Transducció de senyals Vies per les que els es comuniquen als reguladors de la transcripció.
Els senyals controlen l’activitat del regulador, per exemple descobreixen la regió activadora o traslladen el regulador al nucli.
Hi ha una interacció d’una molècula de senyalització amb el regulador. Per exemple passa amb el control del contingut intracel·lular de ions metàl·lics.
La resposta a hormones esteroides es fa directament al nucli perquè aquestes hormones poden entrar al nucli juntament amb el seu receptor i interaccionen amb el gen.
Els glucocorticoides fan d’inductor del sistema negatiu, tenen un receptor a la membrana que canvia de conformació i activa un domini kinasa intern generant una cascada. A dins hi ha un receptor que normalment està inactivant el gen, i quan entra el transductor de la senyal es desenganxa i es pot activar el gen.
Regulació post-transcripcional Splicing alternatiu El pre-mRNA es talla de diferents maneres generant diferent proteïnes en diferents teixits o moments de desenvolupament. Això genera per tant variabilitat en les proteïnes, per tant un gen no és una única proteïna, són isomorfes.
El canvi pot afectar el promotor, a la seqüència d’inici de la traducció, canvi de marc de lectura (segurament la proteïna no sortirà bé). Si la proteïna al final del splicing reté un intró aquest molt probablement tindrà un codó STOP. En la imatge hi ha dos mRNA finals alternatius que s’exclouen.
En el gens de tropomiosina alfa de la rata hi ha splicing alternatiu que genera diferents isomorfs de la proteïna en diferents teixits. També hi ha poliA alternativa i també tenen 3’ de mides alternatives.
En Drosophila hi ha splicing alternatiu que determina el sexe de la mosca. El sexe es determina per la relació entre autosomes i cromosomes sexuals. En femelles s’expressa el gen Sxl que controla l’splicing de tra i tra controla l’expressió de Dsx. Dsx és una proteïna i es troba sempre funcional però en cada sexe tenen una forma diferent, són isomorfes. En femelles aquestes proteïnes reprimeixen els gens masculins i en mascles els activen.
En humans, el 70% dels gens es tallen per splicing alternatiu, i per tant hi ha moltíssimes proteïnes que poden sortir del mateix gen.
Regulació genètica mitjançant RNA Els RNA petits de 21-23 nucleòtids són microRNAs (miRNAs) i RNA d’interferència petits (siRNAs) que regulen l’expressió endògena dels gens per remodelació de la cromatina, degradació de mRNA i inhibició de la traducció.
La RNA polimerasa II fa principalment miRNA. Aquests miRNA es poden trobar en gens policistrònics i tenen una estructura secundària que forma loops.
Els siRNA complementen l’mRNA de manera exacta.
Es distingeixen per la seva biogènesi: • Els miRNA provenen de gens que codifiquen per a miRNA • Els siRNA són RNA de doble cadena endògens o exògens (provenen dels gens que han de silenciar) Els miRNA es policistròniques, troben en una en unitats unitat de transcripció pròpia i dins els introns d’altres gens.
La endonuleasa Dicer és la que talla els siRNA petits a partir de siRNA i miRNA, aquests trossets podran anar a tallar els altres gens i silenciar-los.
El RISC és l’encarregat de silenciar i desnaturalitza per complementació amb l’mRNA perquè ha agafat el siRNA i miRNA.
Processament post-traducció de les proteïnes Un cop generat el polipèptid aquest ha de passar per una maduració. Com a mínim, per a ser funcional ha d’adquirir estructura terciària. In vitro, les proteïnes petites es pleguen espontàniament però in vivo, les chaperones (carabines moleculars) ajuden el plegament de les altres proteïnes.
El processament de les proteïnes pot ser per: • Degradació proteolítica per exemple la proinsulina.
• Modificació química com metilació, acetilació, fofat, glucosidació. Per exemple passa e les histones de mamífers i en la fosforilació en transducció de senyals.
• Tall i empalme de inteines: versió proteïna de tall i empalme del pre-mRNA. Les inteines es troben en bacteris i eucariotes inferiors, tenen un tamany de 150 aminoàcids i el tal i empalme és catalitzat per la pròpia inteina. Perquè la proteïna s’activi s’han de tallar. Hi ha un splicing.
...