Mecanismos moleculares de regulación de la expresión génica en Biología

Introducción a la Regulación Génica

Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica TEMA 5 - MECANISMOS MOLECULARES DE REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA 1- Introducción. ¿ Por qué es necesario regular la expresión génica?

La regulación de la expresión génica es fundamental para:

• La diferenciación celular y desarrollo embrionario.
• Adaptación a condiciones y situaciones cambiantes.

Tenemos que tener en cuenta que todas las células de un mismo organismo pluricelular tienen la misma dotación genética. Sin embargo las células se diferencian unas de otras por la forma en la que expresan esa dotación genética.

• Los genes no se pierden durante la diferenciación celular, solo se expresan de forma diferente.

Los diferentes tipos celulares de un organismo multicelular están causados por un programa de expresión diferencial de genes.

• Durante el desarrollo embrionario un solo óvulo fertilizado da lugar a diferentes tipos celulares.
• Los tipos celulares se van organizando en tejidos, órganos, sistemas y organismos completos.
• La expresión genica diferencial es la que origina la diferenciación celular y dirige los programas de desarrollo embrionario.

Determinantes Citoplasmáticos y Señales Inductoras

2- Determinantes citoplasmáticos y señales inductoras:

Los determinantes citoplasmáticos presentes en el óvulo y las señales inductoras son los responsables de la diferente expresión génica durante el desarrollo embrionario.

• Los determinantes citoplasmáticos son compuestos presentes en el citoplasma del óvulo. Tras la fertilización se obtiene un cigoto que sufrirá mitosis, donde se desarrollan estos determinantes, de tal manera que cada célula tendrá diferentes determinantes citoplasmáticos que dará a su vez a distinta expresión génica.

En unas determinadas células se encuentran unos inductores que son señales, reconocidas por receptores de la membrana plasmática de la célula adyacente. El originador dará lugar a una cascada de reacciones que permitirá la expresión de determinados genes. Ej: la insulina solo se encuentra en las células beta del páncreas, y el glucagón en las células alfa.

Determinantes Citoplásmicos en el Óvulo

Determinantes citoplásmicos en el óvulo Inducción por células adyacentes Unfertilized egg Early embryo (32 cells) Sperm Nucleus Fertilization Molecules of two different cytoplasmic determinants NUCLEUS Zygote (fertilized egg) Mitotic cell division Signal transduction pathway Signal receptor Two-celled embryo Signaling molecule (inducer)Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

La regulación de la expresión génica se establece también por la necesidad de controlar la actividad de las enzimas, o de las proteínas en general, en momentos precisos de la vida celular.

Regulación de la Actividad Enzimática Celular

ALOSTERISMO { POSITIVO O NEGATIVO POR PRODUCTO, RETROALIMENTACIÓN - a) MODIFICACIONES POST- TRADUCCIONALES REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA CELULAR REGULACIÓN COVALENTE b) ZIMÓGENOS ISOENZIMAS CANTIDAD DE ENZIMA { SÍNTESIS DEGRADACIÓN Respuesta adaptativa más lenta

Todas estas formas tienen en común que pueden regular la activación enzimática rápidamente.

• Zimógeno: Son formas enzimáticas no activas, que precisan cortar un pequeño péptido (modificaciones covalentes) para poder tener una forma activa. Como ocurre en las enzimas digestivas.
• Isoenzimas: Las mismas enzimas actúan de forma diferente según el tejido en el que se encuentren.
• Cantidad de enzima: Cambiar su cantidad indica que afectará a los procesos de síntesis y degradación de la enzima. Se trata de una respuesta adaptativa más lenta. Ej: las bacterias dejarán de sintetizar los genes que codifican la síntesis de las enzimas que catalizan la lactosa, si no hay lactosa durante un largo periodo.

Los fenómenos moleculares que subyacen a la diferenciación celular y la respuesta a las señales ambientales implican la expresión diferencial del genoma.

• No todos los genes de una célula son inducibles o reprimibles (expresión diferencial).
• Las células cuentan también con genes constitutivos cuya expresión es constante (basal).
• Los genes constitutivos son constantes, siempre se están expresando.
• Alrededor de un 20% de los genes de las células se dedican a la regulación de la expresión génica.
• Los genes que se expresan con diferente eficiencia se regulan por distintos mecanismos:
  • A nivel de la transcripción: Lo que se varía es el número de copias de ARNm que se ha transcrito. Aumenta la cantidad de proteínas.
  • A nivel de la traducción: El gen B se transcribe y da lugar a ARNm, el cual se regula cuando se une al ribosoma y comienza la síntesis proteica.Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

En los procariotas el principal nivel de regulación es el transcripcional.

gene A gene B DNA Gen con TRANSCRIPTION TRANSCRIPTION Aumenta el RNA RNA número de transcritos TRANSLATION TRANSLATION El gene "se enciende" El gene "se apaga" Resultando A A A A A B (se empieza a transcribir o se transcribe más) (no se transcribe o se transcribe menos) cantidad A A A A A de proteína A A A A A

Modelo del Operón

3- Modelo del Operón:

En procariotas muchos genes se organizan en operones.

Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedecen a las mismas señales de encendido o apagado.

• El operón lac es un modelo de expresión inducible (+).
• El operón trp es un modelo de expresión reprimible (-).

Los operones están formados por genes estructurales y una región de control. El gen regulador da un regulador que puede ser modificado por el ambiente.

Un conjunto de genes que se transcriben y regulan juntos Se une la RNApol Operon Promoter Operator Structural genes Regulatory gene 1 2 3 4 3 5' Template DNA strand Regulación - Regulación + Represor Activador REGULADOR 1 EFECTOR Corepresor Inductor AMBIENTE

Operón del Triptófano

• Operón del Triptófano: Presenta una serie de genes que se transcriben para dar lugar a ARNm y posteriormente se traducen a proteínas que actúan como enzimas que participan en la síntesis del triptófano.

Es un ejemplo de operón represible.

Gen con Regulación negativa (-) en un A A A A A en la A A A A A Regulación transcripcional Regulación positiva (+) 1 aumentoÁlvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

Pueden ocurrir varios casos:

• En ausencia de triptófano: En ausencia de triptófano, el operón va a tratar de sintetizarlo, haciendo que se expresen sus genes, por lo que se va a encontrar activo. El gen de regulador se transcribe y se traduce formando una proteína represora inactiva. Es decir, cuando no hay triptófano se sintetiza un represor inactivo que permite que la ARN polimerasa sintetice ARNm a partir de los genes del operón.

trp operon Promoter Promoter Genes of operon DNA trpR trpE trpD trpC trpB trpA 20 Operator Regulatory gene RNA polymerase Start codon S Stop codon mRNA 1 E D C B A Protein Inactive repressor Polypeptide subunits that make up enzymes for tryptophan synthesis (a) Tryptophan absent, repressor inactive, operon on

• En presencia de triptofano: El gen regulador da lugar a una proteína represora que al unirse con el triptófano presente en el medio, que actúa como corepresor, se forma el represor activo que se va a unir al sitio operador, impidiendo que la ARN polimerasa transcriba los genes del operón y así se evita que se produzca más triptófano.

DNAK No RNA made mRNA Protein Active repressor Tryptophan (corepressor) (b) Tryptophan present, repressor active, operon off

• Atenuación: El operón de triptófano está sujeto a atenuación, que es un mecanismo que afecta a la terminación de la transcripción. Está basado en la formación de estructuras secundarias en la molécula de ARNm que dependiendo de su localización, impedirán o no que la ARN polimerasa termine la transcripción de los genes del operón.

RNA polymerase DNA trpL KGWH Completed leader peptide WRTS Ribosome mRNA 5' 1 Attenuator structure Trp codons When tryptophan levels are high, the ribosome quickly translates sequence 1 (open reading frame encoding leader peptide) and blocks sequence 2 before sequence 3 is transcribed. Continued transcription leads to attenuation at the terminator-like attenuator structure formed by sequences 3 and 4. RNA polymerase DNA trp Incomplete leader peptide ALEVLKG trp-regulated genes 2 3 5 When tryptophan levels are low, the ribosome pauses at the Trp codons in sequence 1. Formation of the paired structure between sequences 2 and 3 prevents attenuation, because sequence 3 is no longer available to form the attenuator structure with 4. The 2:3 structure, unlike the 3:4 attenuator, does not prevent transcription. 3' mRNA 5' 5Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

Operón de Lactosa

• Operón de Lactosa: Es un ejemplo de operón inducible. Este operón va a codificar una serie de proteínas que actúan como enzimas que se encargarán de degradar la lactosa.

Pueden ocurrir dos casos:

• En ausencia de lactosa: El gen regulador se transcribe y se traduce, pero al contrario que en el operón del triptófano, es un represor activo que se une al operador impidiendo que la ARN polimerasa transcriba los genes del operón, por lo que no se van a sintetizar las enzimas que degradan la lactosa.

Promoter Regulatory gene Operator DNA lacl lacZ No RNA made mRNA 5' RNA polymerase Protein Active repressor (a) Lactose absent, repressor active, operon off

• En presencia de lactosa: El gen regulador se transcribe y se traduce, formando una proteína que se junta con la alolactosa formándose un represor inactivo, por lo que no se une al sitio operador, dejando el camino libre a la ARN polimerasa para que transcriba los genes del operón, que se traducirán en las proteínas degradadoras de la lactosa.

lac operon DNA 7 lacl JacZ lacY lacA RNA polymerase 3' mRNA mRNA 5' 5 Protein B-Galactosidase Permease Transacetylase Allolactose (inducer) Inactive repressor (b) Lactose present, repressor active, operon on

En el metabolismo de la lactosa participan varias enzimas. Una de ellas es la ß-galactosidasa que hidroliza el disacárido para formar glucosa y galactosa. La síntesis de 3-galactosidasa se induce cuando hay lactosa en el medio. Normalmente, aunque los niveles de lactosa sean bajos, siempre hay una pequeña expresión del operón lac, lo que permite que siempre haya un poco de ß-galactosidasa en la célula. Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste. La lactosa es convertida a alolactosa por la 3-galactosidasa. La alolactosa es el inductor del operón lac.

Lactose removed ß-Galactosidase (ug) 2 Lactose added 0 30 60 90 Total bacterial protein (ug)