Regulación de la Expresión Génica en procariotas y eucariotas

Regulación de la Expresión Génica

Concepto de Expresión Génica

TEMA 5.7- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA MIGUEL PASCUAL GADEA. 1ºFARMACIA BIOQUÍMICA TEMA 5.7- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA ÍNDICE 1. CONCEPTO 2 2. CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS. 3 3. CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS 5 Página 1 de 9BIOQUÍMICA TEMA 5.7- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA MIGUEL PASCUAL GADEA. 1ºFARMACIA 1. CONCEPTO Hay mucha regulación a nivel de postranscripcional y traduccional. En procariotas no hacen casi modificaciones postraduccionales. La expresión génica es el proceso que abarca desde la transcripción de un gen a mRNA, el procesamiento de ese mRNA y su traducción a proteína. Las células procariotas (reaccionan al medio) y eucariotas pluricelulares (reaccionan a hormonas, factores crecimiento ... ), es decir, reaccionan a los estímulos.

Diferencias en Expresión Génica en Organismos Pluricelulares

En organismos pluricelulares multitud de tipos celulares con el mismo DNA, pero notables diferencias morfo y fi- siológicas Resultado de diferencias en la expresión génica.

Tipos de Expresión Génica

Expresión génica constitutiva: Los genes de los productos que se requieren en todo momento (genes constitutivos) son de expresión constante. (Genes costitutivas: genes que tienen que estar si o sí). Los niveles celulares de otros genes aumentan y disminuyen en respuesta a señales moleculares: Expresión génica regulada (GENES INDUCIBLES)

Inducción y Represión

INDUCCIÓN Y REPRESIÓN El primer y más importante control de la actividad de los genes tiene lugar a nivel del inicio de la transcripción. Interacción entre proteínas y DNA (en secuencias, sitios de unión, específicos). Las señales del entorno pueden modifi- car estas interacciones y provocar cambios en la expresión génica. Diferencias entre modificaciones en eucariotas y procariotas.

Regulación del Inicio de la Transcripción en Procariotas

EL INICIO DE LA TRANSCRIPCIÓN ESTÁ REGULADO POR PROTEÍNAS QUE SE UNEN A LOS PROMOTORES O CERCA DE ELLOS. (en procariotas) La RNApol se une al DNA e inician transcripción en los promotores. Promotores: su secuencia de nucleótidos varía e influye en afinidad unión RNApol (factor 1000) En genes inducibles la tasa de inicio de la transcripción está regulada por la secuencia del promotor, pero además es modulada por proteínas reguladoras (potencian o interfieren en la interacción entre RNApol y promotor), de tal ma- nera que hay:

• Activadores: potencian interacción. Algunos influyen factores transcripcionales como las proteínas de unión TATA.
• Represores: impiden acceso.
• Factores de especificidad: (subU o RNApol) Regulación positiva y negativa. La mayoría de regulación en eucariotas es positiva. Página 2 de 9BIOQUÍMICA

Regulación Negativa en Procariotas

REGULACION NEGATIVA En procariotas los sitios de unión de represores al DNA son los OPERADORES (generalmente cercanos al promotor). Permiten la unión con la RNApol o el movimiento a lo largo del DNA bloqueado con un represor presente. La unión del represor al DNA se regula por un efector (molécula pequeña que une al represor y provoca cambio conformacional: 1 0 transcripción)

Regulación Positiva en Eucariotas

REGULACIÓN POSITIVA En células eucariotas la regulación es positiva gracias a los activadores que son sitios de unión a menudo adyacentes a promotores a los que la RNApol no se une por si sola o debilmente (también modulable por efector). En células eucariotas los potenciadores también pueden estar distante del promotor. La molécula señal o efector puede producir la disociación del activador o ser necesario para su unión al DNA. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

Control de la Expresión Génica en Procariotas

Operones

2. CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS. 2.1. OPERONES. La mayoría de los genes procarióticos están agrupados y se regulan por operones. (A) Regulator gene Control sites Structural genes Elementos del modelo: -gen regulador (i) -centro operador (secuencia reguladora del DNA) -genes estructurales Estructura general de un operón (B) Lactose operon Di i plo N Z y a TEMA 5.7- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA MIGUEL PASCUAL GADEA. 1ºFARMACIA Negative regulation (bound repressor inhibits transcription) (bound activator facilitates transcription) Positive regulation (a) (c) RNA polymerase Operator REPRESOR ACTIVADOR DNA Promoter Molecular signal causes dissociation EFECTOR 1 5'~3' mRNA I of regulatory protein from DNA Signal molecule 5'3' mRNA (b) (d) Molecular signal causes binding of regulatory protein to DNA 1 5'~3' mRNA 5'3' mRNA Estructura del operón de la lactosa

• La mayoría de los mRNA en procariotas son policistrónicos: promotor único. Grupo de genes + promotor + secuencias adicionales (reguladoras) = operón Jacob y Monod (1960) introdujeron estos conceptos operón y operador en estudio del metabolismo de la lactosa (en ausencia glucosa puede ser única fuente de carbono) por E coli El gen regulador (i) codifica la proteína represora que se une al centro operador (impidiendo la transcripción de genes estructurales)

El Operón de la Lactosa

2.2.1- EL OPERÓN DE LA LACTOSA La lactosa en un disacarido de glucosa y galactosa que se rompe con una enzima. Si tenemos mucha glucosa, no se rompe la lactosa. Beta- galactosidasa: rompe el dímero. La permeasa y la enzima detoxifican. La RNA pol tiene una afinidad alta por el DNA y si reconoce al promotor sintetiza incluso lo que no hace falta (regulación negativa). El represor lac bloquea por los sitios operadores el acceso a lo que viene detrás. Por tanto, la Lac1, es una región promotora que bloquea la síntesis (regulación negativa). En condiciones normales la RNApol sintetiza el represor y ya no se sintetiza. E.coli depende de la glucosa como fuente de energía, pero en su ausencia puede procesar lactosa. Hace una hélice alfa-giro-helice alfa. Se llama hélice-giro-helice y es un dominio muy común en proteínas regu- ladoras de procariotas. Página 3 de 9BIOQUÍMICA TEMA 5.7- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA MIGUEL PASCUAL GADEA. 1ºFARMACIA La unión es de proteínas a DNA y es complicada. (no suele preguntar)

• Unidad funcional: dimero represor lac unido al DNA (puede formar tetrameros).
• Amino-terminal domain de interacción con DNA.
• Carboxyl-terminal domain en formación dímeros y tetrámeros. DNA Amino-terminal domain UNIDAD FUNCIONAL de interacción con DNA Dímero represor lac unido al DNA (puede formar tetrámeros) Carboxyl- terminal domain en formación dímeros y tetrámeros Las uniones de dímero tetramerizan y bloquean la región promotora y la ARNpol comienza a sintetizar lac y al final no puede pasar. NEGATIVA QUE FOTO ES | !! !!!!!! Estrutura represon lac importante En ausencia de lactosa el represor lac se une rápida e intensamente al operador impidiendo avance de la RNApol.

Interacciones Represor lac-DNA

INTERACCIONES REPRESOR lac-DNA El represor lac (DIMEROS N-terminal) unido al DNA mediante inserción de a-hélice (del motivo hélice-giro-hélice) en el surco mayor DNA y contactos con pares de bases y esqueleto fosfodiéster (resíduo Arg forma puentes hidrógeno con resíduo G) LA UNIÓN DE LIGANDOS PUEDE PROVOCAR CAMBIOS CONFORMACIONALES EN PROTEÍNAS REGULADORAS SI tenemos lactosa en el medio, se une al represor lac, lo bloquea (este con- trol permite que si tenemos galactosa sintetizamos la enzima, aunque ten- gamos glucosa libre). El inducer no es lactosa, es alolactosa que no la sintetiza un organismo, pero se forma en muy poca proporción que sirve para bloquear al represor lac cuando se produce mucha lactosa. (dímero de glucosa y galactosa raro que se forma cuando cortamos mucha lactosa). La alolactosa se prodcue cuando estoy utilizando más la lactosa. Cuando la alolactosa se une, ya no produce el bloqueo. Cuando el represor lac se encuentra unido al inductor (alolactosa: producto colateral de la reacción de la beta-galactosidada) la afinidad del represor hacia el DNA del operador disminuye enormemente. El inductor (alolactosa o IPTG: análogo sintético) se une al centro del dominio grande de cada monomero del represor. Otras muchas redes de regulación génica de E.coli y otras muchas bacterias funcionan de manera análoga a la del operón lac. El Operon lac presenta expresión génica máxima cuando no hay glucosa ya que 1) La alolactosa elimina la inhibición del represon lac 2) El complejo cAMP-CAO estimula la unión de la RNApol SABER EL MECANISMO Y QUE ES HELICE-GIRO-HELICE (A) P i POC Z y a i mRNA Repressor bound to operator site prevents transcription of z, y, and a (B) p i po Z y a i mRNA lac mRNA . Inducer B-Galactosidase Permease Transacetylase HỌC CH3 CH2OH HO CHE HOH 2C HO OH OH OH HO OH OH 1,6-Allolactose Isopropylthiogalactoside (IPTG) *IPTG: análogo sintético Repressor-inducer complex does not bind DNA LOH 1 Página 4 de 9TEMA 5.7- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA MIGUEL PASCUAL GADEA. 1ºFARMACIA BIOQUÍMICA

Represión Catabólica y Proteína CAP (CRP)

2.2. LA REPRESIÓN CATABÓLICA. LA PROTEÍNA CAP (CRP) Aquí no se bloquea (como hacia el represor Lac) sino que se atrae a la RNA pol. Estas proteínas estimulan la transcripción de genes que catabolizan lactosa y arabinosa. La proteína CAP (catabolite activator protein) o CRP (proteína de respuesta al cAMP), las dos responden al AMPc y llevan a cabo la activación de la transcripción, por tanto es una regulación positiva. El operon lac CAP se une a una repetición invertida (en la posi- ción -61) por tanto es una simetría binaria en la que actúa como dimero. El complejo CAP-CAMP estimula transcripción 50 veces mediante la incorporación de la RNApol a promotores con CAP favorecida Si estas proteínas no están unidas a AMPc no tiene capacidad de atraer a la región promotora de la RNA pol. También son hélice-giro-helice y solo ocurre cuando hay bastante AMPc. Cuando no hay sacarosa aumentan los niveles de AMPc y cuando hay sacarosa ocurre lo contrario. La glucosa es capaz de disminuir la cantidad de AMPc en el interior de la célula. CAP CAMP CAMP RNA polymerase Start site for transcription EL DÍMERO CAP UNIDO AL DNA Con el CAP atrae a la DNA pol (es un factor de transcripción) mientras que la lactosa bloquea (represor lac). La superficie que se une al DNA está formada por un par de a-hélices separadas por un giro rígido motivo hélice-giro-hélice común a familia represor lac y otras muchas proteínas.

Control de la Expresión Génica en Eucariotas

Diferencias entre Eucariotas y Procariotas

3. CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS 3.1. EUCARIOTAS VS PROCARIOTAS

• Genoma más grande (varios cromosomas).
• Diversidad de tipos celulares (diferencias drásticas en la expresión de genes).
• Genes no agrupados en operones (genes que codifican proteinas para distintas etapas de una vía están des- perdigados por el genoma).
• Factores transcripcionales forman grandes complejos (Transcripción y traducción no acoplada).
• DNA asociado a histonas: cromatina
• Nucleosomas: complejos de histonas unidos al DNA
• Compartimentalización: separación de la transcripción y traducción que hacen el proceso más complejo.

Eucromatina y Heterocromatina

3.2. EUCROMATINA-HETEROCROMATINA El acceso a los promotores eucarióticos está restringido por la estructura de la cromatina (activación de la transcrip- ción asociada con múltiples cambios estructurales de la cromatina en la región transcrita). El estado transcripcional basal es restrictivo por lo que predomina la regulación positiva: genes eucariotas requieren activación para ser transcritos · Heterocromatina: transcripcionalmente inactiva (más condensada y no tiene acceso el promotor). . Eucromatina: cromatina menos condensada, pero no toda en estado transcripcionalmente activo (sensibilidad DNAasa I). Al estar más des condensada el promotor puede entrar, es necesario para que se pueda dar la transcripción, pero no suficiente (no toda la eucromatina es transcripcionalmente activa). Muchos sitios hipersensibles (a DNAasa I) corresponden a sitios de unión de proteínas reguladoras y la relativa ausen- cia de nucleosomas (o conformación alterada) en estas regiones puede permitir la unión de estas proteínas. Página 5 de 9