Control de la Expresión Genética en Procariotas, Apuntes

Control de la Expresión Genética en Procariotas

Máster en Biología Molecular

C CENTRO EUROPEO DE MÁSTERES Y POSGRADOS- Índice

1. Operón
2. Operón Lac
3. Operón Trp

5 5 6 6Tecnologías de análisis y manipulación de ácidos nucleicos

Objetivos del Control Genético

Comprender los mecanismos de control de la expresión génica en células procariotas. Conocer el operón lac Entender el operón Trp

Ideas Clave sobre la Expresión Génica

El control de la expresión génica en procariotas tiene lugar a nivel trans- cripcional. La regulación de la expresión de los genes adaptativos se puede realizar mediante dos mecanismos: inducción y represión.

• Los operones están formados por un operador, un promotor, genes estruc- turales y genes reguladores.
• El operón lac es un ejemplo de regulación de la expresión génica inducible.
• El operón Trp es un ejemplo de regulación de la expresión génica represible.

Introducción a la Regulación Génica Bacteriana

Las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, tienen que adaptar la expresión de sus genes a las condiciones ambientales. La regulación de dicha expresión puede realizarse a nivel transcripcional y/o nivel traduccional, aunque suele tener lugar al inicio de la transcripción.

Las bacterias, al igual que los organismos eucariotas, necesitan que algunos genes se expresen siempre, en las mismas condiciones. A estos genes se los denomina genes constitutivos o housekeeping genes. Generalmente se trata de enzimas del metabolismo básico celular. Sin embargo, existen otros genes que se expresan solo en determinadas condiciones. Son los llamados genes adaptativos. Las enzimas codificadas por dichos genes constituyen los sistemas enzimáticos adaptativos.

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Mecanismos de Regulación de Genes Adaptativos

La regulación de la expresión de los genes adaptativos se puede realizar mediante dos mecanismos: inducción y represión. A los sistemas cuya expresión aumenta por la presencia de un agente activador o inductor (generalmente, el sustrato de la enzima) se los denomina sistemas inducibles. Son sistemas que realizan procesos de degradación de un sustrato, como la lactosa (operón lac), arabinosa o maltosa.

Por el contrario, los sistemas a los que un agente correpresor (normalmente el producto final de la reacción) inhibe la expresión de las enzimas se los llaman sistemas represibles. Son sistemas de síntesis o anabolismo, como la síntesis de triptófano (operón trp) o histidina.

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Operón

En bacterias, los genes que codifican las enzimas de una vía metabólica se agrupan formando un operón. Así, todos los genes del operón se regulan de manera coordinada. Además, permite la transcripción coordinada de estos genes, lo que va a dar lugar a ARNm policistrónicos.

Elementos de un Operón

Un operón está formado por los siguientes elementos:

• Operador: lugar del ADN al que se unen las proteínas reguladoras. Está situado cerca del promotor y del inicio de la transcripción.
• Promotor: sitio al que se une la RNA polimerasa permitiendo la transcripción conjunta de los genes estructurales.
• Genes estructurales: genes que codifican las enzimas de una ruta metabólica
• Gen regulador: codifica la proteína reguladora de la expresión de los genes estructurales. Se sitúa cerca de los genes estructurales, pero no inmediatamente al lado.

A continuación vamos a explicar dos ejemplos de operones, uno de un sistema inducible (operón lac) y otro de un sistema represible (operón Trp).

Operón Lac

F. Jacob y J. Monod describieron la estructura y funcionamiento del operón lac de E. coli en 1960. Por estos descubrimientos recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1965.

Componentes del Operón Lac

El operón lac está formado por el grupo de genes que regulan la producción de las enzimas encargadas de la degradación de la lactosa (disacárido formado por galactosa y glucosa). Está compuesto por:

• Promotor
• Operador: región del ADN reconocida por la proteína represora Lac I.
• Genes estructurales: contiene 3 genes en tándem: el gen lac z, que codifica la beta-galactosidasa; el gen lac y, que codifica la permeasa de galactósido y el gen lac a, que codifica la acetiltransferasa de tiogalactósido. La beta-galactosidasa es la enzima que hidroliza el enlace entre la galactosa y la glucosa, mientras que la permeasa de galactósido es una proteína que promueve la entrada de la lactosa a la célula. La función de la acetiltransferasa de tiogalactosido no está relacionada con el metabolismo de la lactosa, ya que cataliza la transferencia del grupo acetil del acetil-coA al tiogalactósido.
• Gen represor (lac I): codifica la proteína represora Lac I.

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Inducción y Regulación del Operón Lac

Aunque tradicionalmente se ha considerado que el inductor del operón lac es la lactosa, el verdadero inductor es la alolactosa, que se forma por glicosilación de la lactosa por actividad ocasional de la beta-galactosidasa. En los experimentos que utilizan el operón lac, se emplea como inductor IPTG (isopropil tiogalactósido), un análogo sintético de la lactosa, que no necesita a la permeasa para entrar en la bacteria.

En ausencia de lactosa en el medio, la proteína represora Lac I se une al operador, impidiendo la transcripción de los genes estructurales. Sin embargo, cuando hay lactosa en el medio, ésta se une al represor Lac I, cambia su conformación disminuyendo su afinidad por el operador. Así, el represor no es capaz de unirse al operador, lo que permite la transcripción de los genes estructurales. Se dice que el represor ejerce su influencia mediante control negativo.

El operón lac también puede ser regulado mediante control positivo por AMPc y por la proteína CAP o CRP. Cuando hay glucosa en el medio, las bacterias la emplean de manera preferente como fuente de energía y no metabolizan la lactosa. La concentración de glucosa está inver- samente relacionada con la concentración de AMPc de las células: a mayor concentración de glucosa, menor concentración de AMPc. Este AMPc se une a la proteína receptora de AMPc (CRP), también llamada proteína activadora de catabolitos (CAP). El complejo AMPc-CRP se une al promotor del operón lac, lo que provoca un cambio de conformación en el ADN que permite la unión de la RNA polimerasa y se inicie la transcripción. La presencia de AMPc-CRP es imprescindible para que tenga lugar la transcripción, aun cuando esté presente el inductor y el represor esté inactivo.

Operón Trp

El operón Trp está formado por el grupo de genes que codifican los componentes necesarios para la producción triptófano. Está compuesto por:

• Promotor (TrpP)
• Operador (TrpO): lugar del ADN donde se une la proteína represora TrpR
• Secuencia líder (TrpL): región de 162 bp situada justo antes del inicio de la transcripción de los genes estructurales. Contiene una región de 30 bp llamada atenuador o centro de terminación controlada.
• Genes estructurales: contiene 5 genes colocados consecutivamente en el siguiente orden: TrpE, TrpD, TrpC, TrpB y TrpA. Codifica 5 polipéptidos que forman 3 enzimas implicadas en la biosíntesis de triptófano a partir de corismato.
• Gen regulador (TrpR): codifica la proteína represora TrpR. Se encuentra en otra región del ADN, no muy lejos del operón.

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Regulación del Operón Trp por Represión

La proteína represora TrpR por sí sola no puede unirse al operador. Solamente cuando se une al triptófano, el complejo triptófano-TrpR puede interaccionar con el operador, impidiendo la unión de la RNA polimerasa y, por consiguiente, la transcripción de los genes estructurales. El triptófano actúa como correpresor.

Así, en ausencia de triptófano, el operador está libre, permitiendo la unión de la RNA polimerasa y la transcripción de los genes estructurales, lo que conduce a la traducción de las enzimas que participan en la síntesis de triptófano. Sin embargo, en presencia de triptófano, no se produce la transcripción.

Regulación por Atenuación del Operón Trp

El operón Trp también está regulado mediante otro mecanismo, el denominado regulación por atenuación. Este sistema controla el proceso de transcripción una vez comenzado. Se ha comprobado que cuando existen niveles bajos de triptófano, se transcribe todo el ARNm policistrónico y que, con niveles altos de triptófano, la mayor parte de los ARNm son de 140 bp. Es decir, los niveles altos de triptófano provocan una terminación temprana de la transcripción.

El mecanismo de regulación por atenuación está basado en la presencia de la región atenuadora en la secuencia líder TrpL.

Met-Lys-Ala-Ile-Phe-Val-Leu-Lys-Gly-Trp-Trp-Arg-Thr-Ser (STOP)

Esta secuencia puede formar horquillas autocomplementarias mutuamente excluyentes. Si se forman las horquillas 1-2 y 3-4, termina la transcripción. Si se forma la horquilla 2-3, la transcripción continúa. Cuando los niveles de triptófano son bajos, existen pocos ARNt-trp. Como en procariotas la transcripción y la traducción están acopladas, el ribosoma empieza a traducir el ARNm, pero se para sobre los codones que codifican Trp. Esto impide la formación de la horquilla 1-2. Cuando continúa la transcripción, se forma la horquilla 2-3, lo que da lugar a la transcripción y traducción de los ARNm completos. Cuando hay niveles altos de triptófano, se forman las horquillas 1-2 y 3-4, lo que provoca la terminación de la transcripción.

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