Tema 10. Control de la expresión génica Genética CC. Mar 2004-05 Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 2 Objetivos • Estudiar el funcionamiento del control de la expresión génica en procariotas: operones • Regulación transcripcional y no transcripcional en eucariotas • Introducción a la genética del desarrollo
20
Embed
Tema 10. Control de la expresi n Objetivos g nicadarwin.uvigo.es/docencia/2004/genccmar04/10.regulacion.2x1.web.pdf · ¥Estudiar el funcionamiento del control de la expresi n g ican
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Tema 10. Control de la expresióngénica
Genética CC. Mar 2004-05
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 2
Objetivos
•Estudiar el funcionamiento del controlde la expresión génica en procariotas:operones
•Regulación transcripcional y notranscripcional en eucariotas
•Introducción a la genética del desarrollo
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 3
Genes regulados y constitutivos
• Adaptación al medio ambiente => habilidad deactivar e inactivar genes como respuesta a señalesextracelulares
• Producción de tipos específicos de proteínas cuandoy dónde se necesite.
Genes regulados o adaptativos: genes cuya actividadestá controlada en respuesta a las necesidades de unacélula u organismo.
Genes constitutivos o “housekeeping”: genes quesiempre permanecen activos, independientemente delas condiciones del medio.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 4
• Control positivo: el producto del gen reguladoractiva la expresión de los genes.
• Control negativo: el producto del gen reguladorreprime o impide la expresión de los genes
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 5
Operones•Operón: grupo de genes estructurales cuya expresión está
regulada por los mismos elementos de control (promotor yoperador) y por genes reguladores:
– Genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata delos genes cuya expresión está regulada. Se transcriben juntos en unmRNA poligénico.
– Promotor: secuencia de DNA reconocida por la ARN polimerasa parael comienzo de la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes delos genes estructurales
– Operador: secuencia de ADN reconocida por la proteína reguladora.Se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales
– Gen regulador: codifica la proteína reguladora que reconoce lasecuencia del operador. Está cerca de los genes estructurales deloperón pero no inmediatamente al lado.
– Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Se une ala región del operador.
– Inductor: compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 6
Uso de lactosa por E. coli
• En E. coli, si la fuente de carbono es únicamentelactosa (glucosa + galactosa), tres enzimas van a sersintetizados rápidamente para metabolizar la lactosa– !-galactosidasa: rompe la lactosa en glucosa y galactosa,
pudiendo además transformar lactosa en alolactosa– Lactosa permeasa: proteína de membrana que transporta
lactosa en la célula– Transacetilasa: función desconocida
• En ausencia de lactosa en el medio hay ~3 moléculasde !-galactosidasa. En presencia de lactosa estácantidad puede aumentar hasta 3000.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 7
Operón lactosa (lac)
• Sistema inducible bajo control negativo.• Genes estructurales: lacZ+ (!-galactosidasa), lacY+
(lactosa permeasa) y lacA+ (transacetilasa).• Operador lacO+.
• Gen regulador lacI+: separado, se expresa de deforma constitutiva, pero débilmente, y codifica unaproteína represora.
Org anización del operón lac
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 8
Operón lac en ausencia de lactosa
• En ausencia de lactosa, la proteína represora se une aloperador: la RNA polimerasa puede unirse alpromotor pero no es capaz de iniciar la transcripción.
• Las pocas moléculas de enzima que se producen lohacen aprovechando las constantes uniones ydesuniones del represor.
Operón lac en ausencia de lactosa
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 9
Operón lac en presencia de lactosa
• Única fuente de carbono es lactosa• Lactosa -- !-galactosidasa --> alolactosa.• La alolactosa se une al represor, modificando su
conformación. Éste pierde su afinidad por el operador.
Operón lac enpresencia delactosa
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 10
• Región líder (trpL):incluye un sitioatenuador (att)
• Dos mecanismos deregulación:– interacción represor-
operador.– longitud de los
tránscritos.Org anización del operón trp
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 11
Operón trp en presencia/asuencia detriptófano
• trpR => proteína aporrepresora: represor que no sepuede unir al operador por sí sola.
• El tritptófano es el efector: interactúa con elaporrepresor y lo convierte en un represor activo.
• El represor activo se une operador e impide latranscripción de los genes estructurales.
• Esta represión puede reducir unas 70 veces la tasa detranscripción de estos genes.
• Cuando no hay triptófano en el medio los genes trp seexpresan al máximo nivel
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 12
Atenuación del operón trp
• La atenuación controla laproporción de transcritoscompletos e incompletosque terminan en elatenuador
• La región líder del mRNAcontiene 4 regionescomplementarias quepueden aparearse yplegarse. Antes del codónde terminación hay doscodones de Trp.
• Las regiones 1 y 2 de la región líder del mRNA se emparejan justodespués de ser sintetizadas formando una estructura secundaria queparaliza temporalmente la RNA polimerasa (señal de pausa) y le permiteal ribosoma acoplarse al mRNA de forma que comienza a traducir justodetrás de la RNA polimerasa
Estructura de la reg ión líder del mRNA en el operón trp de E. coli
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 13
Atenuación en ausencia de trp
• Poco Trp => poco tRNA.trp => el ribosoma se para en los codones de Trp• El ribosoma cubre la región 1; no hay señal de pausa 1-2• Se produce el apareamiento 2-3, que es una señal de antiterminación, ya
que evita que se forma la señal de terminación (3-4)• Los genes estructurales se transcriben
Atenuación del operón trp en E. coli: ausencia de Trp
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 14
Atenuación en presencia de trp
• Suficiente Trp => suficiente tRNA.trp => el ribosoma llega al codón determinación
• El ribosoma cubre la región 2; no hay señal de antiterminación 2-3• Se produce el apareamiento 3-4, que es una señal de terminación
• Los genes estructurales no se transcriben
Atenuación del operón trp en E. coli: presencia de Trp
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 15
Regulación génica en eucariotas• La regulación de la expresión
génica puede producirse a corto-plazo, como respuesta a cambiosen el ambiente, o a largo plazo,durante la diferenciación y eldesarrollo
• En eucariotas la regulación de laexpresión génica es complicada– Transcripción– Procesamiento del mRNA– Transporte del mRNA– Traducción– Procesamiento de las proteínas– Degradación del mRNA
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 16
Control de la transcripción: factoresde regulación
• Control positivo y negativo.• Los factores de regulación cis están físicamente
relacionados con la secuencia de DNA que regulan,mientras que los factores trans no están físicamenteanclados a su diana.
Reg ulación positiva y neg ativa de la transcripción
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 17
Control de la transcripción:promotores e intensificadores
• Los genes codificantes de eucariotas contienen elementospromotores e intensificadores
• Algunos elementos de los promotores, como la cajaTATA, son necesarios para especificar dónde comienza latranscripción (promotores basales).
• Otros elementos de los promotores controlan sí latranscripción se produce o no (promotores proximales)
• Los intensificadores y represores regulan los niveles deexpresión
• Proteínas regulatorias específicas se unen a estas regionespara activar o reprimir, o para intensificar, la transcripción
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 18
Control de la transcripción: factoresde transcripción
• Los factores de transcripciónson proteínas se unen aactivadores o a elementosproximales de lospromotores para regular latranscripción (de forma trans).
• En general presentan dosdominios, uno de unión alDNA y otro de unión aproteínas (p.e., dedos dezinc), que es el queinfluencia la transcripción.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 19
Cambios cromosómicos y controltranscripcional
• La regiones cromosómicas que se están transcribiendopresentan una estructura de la cromatina más relajada
• Las histonas pueden a su vez actuar como represoresde la transcripción: los nucleosomas alrededor deelementos de un promotor (por ejemplo, caja TATA)impiden que las proteínas reguladores o los factoresde transcripción se unan a estos elementos
• Es posible que las proteínas activadoras se unan a losintensificadores desplazando las histona y“rompiendo” los nucleosomas: la caja TATA quedaexpuesta a las factores de transcripción.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 20
Metilación y control transcripcional
• Después de la replicación, algunas citosinasson metiladas por la DNA metilasa para darlugar a 5-metilcitosina (5mC).
• En mamíferos, un 3% de las citosinas estánmetiladas, y el 90% de las 5mC se encuentranen la secuencia CG. En Drosophila oTetrahymena casi no hay 5mC.
• Parece ser que existe una correlación negativaentre metilación y transcripción en algunoscasos, aunque no se sabe si es causa o efecto.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 21
Regulación hormonal
• Las hormonas sonmoléculas efectorasproducidas por unacélula, y que causanuna respuestafisiológica en otrascélulas
Mecanismos de acción de hormonas polipeptíd icas y esteroideas
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 22
Proteínas inducidas por hormonasesteroides
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 23
Acción de los esteroides
• Los genes regulados poresteroides específica presentanuna secuencia de DNA comúna la que se une el complejoesteroide-receptor,denominadas elementos derespuesta a las hormonasesteroides (HREs)
• Los HREs se encuentran, amenudo en copias múltiples, enregiones intensificadoras.
• Dependiendo de la presenciade otras proteínas regulatorias,los HREs pueden activar genesdiferentes en distintos tipos decélulas.
Modelo de acción de una hormona g lucocorticoide en células de mamíferos.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 24
Procesamiento del RNA:poliadenilación y splicing alternativo
• Este tipo de control regulala producción demoléculas de RNAmaduras a partir deprecursores
• La poliadenilaciónalternativa puede resultaren la producción demoléculas de pre-mRNAdiferentes (p.e., calcitonina)
Poliadenilación y splicing alternativos del g en humano de la calcitonina
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 25
Determinación del sexo en Drosophila
• El corte y empalmealternativo desempeñaun pape crucial en ladeterminación del sexoen Drosophila
• En Drosophila el sexoestá determinado por laproporción cromosomaX : autosoma (A)– Si X:A " 1, hembra– Si X:A # 0.5,s macho– Si 1 > X:A > 0.5, “intersex”
Cascadareg ulatoria dedeterminacióndel sexo enDrosophila.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 26
Control del transporte del mRNA
• Varios experimentos parecen demostrar quequizás la mitad de los transcritos primarios degenes codificantes nunca llegan a abandonarel núcleo
• Modelo de retención por el spliceosoma– El spliceosoma previene el transporte nuclear,
retiene el RNA inmaduro en el núcleo hasta quetodos los intrones han sido eliminados
– El mRNA maduro con la caperuza 5’ (que parecedesempeñar un importante papel) interacciona conlos poros nucleares y abandona el núcleo.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 27
Control de la traducción
• Las moléculas de mRNA son sometidas a uncontrol traduccional a través de la selecciónde mRNAs por parte de los ribosomas
• Los mRNA citoplasmáticos podrían asociarsecon proteínas que los protegen de ladegradación y previenen su traducción.
• La cola poli(A) podría estar implicada en estetipo de control: los mRNA inactivosalmacenados suelen tener colas poli(A) máscortas que los mRNAs activos.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 28
Control de la degradación del mRNA
• Los tRNA y rRNA son bastante estables.• Los mRNAs pueden durar de minutos a meses, como
respuesta a diversas señales de regulación.• Mecanismo importante, aunque desconocido.
Estabilidad de mRNAs en respuesta la presencia de moléculas efectoras
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 29
Control de la degradación deproteínas
• La vida media de las proteínas es un controlpost-traduccional de la expresión génica.
• En eucariotas la proteolisis parece requerir elfactor proteico ubiquitina, que se une a lasproteínas “marcándolas” para su degradación.
• La regla del N-terminal predice que la vidamedia de una proteína depende delaminoácido N-terminal.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 30
Genética del desarrollo
• Los eucariotas complejos presentan muchos tipos de células,tejidos y órganos con funciones especializadas, pero con un únicogenoma.
• El desarrollo es el proceso de crecimiento regulado que resulta delas interacciones del genoma con el citoplasma y el ambientecelular externo, y que involucra una secuencia programada deeventos fenotípicos a nivel celular, de forma típicamenteirreversible.
• La diferenciación implica la formación de diferentes tipos decélulas, tejidos y órganos a través del proceso de regulaciónespecífica de la expresión génica; las células diferenciadaspresentan propiedades estructurales y funcionales características.
• Los procesos de desarrollo y diferenciación son el resultado de unpatrón programado de activación e inactivación génica.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 31
Actividad genómica en eucariotas
• Un 20-40% del DNA de eucariotas multicelulares es altamente repetitivo; elresto es moderadamente repetitivo o de copia única.
• Se cree que tan sólo un 1.5% del genoma humano es codificante/• En erizos de mar, en cualquier momento un máximo del 6% de las
secuencias únicas se está transcribiendo.• La función del DNA que no se transcribe es eucariotas multicelulares podría
ser “DNA basura” acumulado durante la evolución, o podría desempeñarfunciones regulatorias todavía por determinar.
Organismo
Tamaño estimado (millón de bases)
Número estimado de genes
Densidad (1 gen cada x bases)
Número de cromosomas
Homo sapiens 2900 ~30000 100000 4 6
Rattus norvegicus 2750 ~30000 100000 4 2
Mus musculus 2500 ~30000 100000 4 0
Drosophila melanogaster 1 8 0 13600 9000 8
Arabidopsis thaliana 1 2 5 25500 4000 5
Caenorhabditis elegans 9 7 19100 5000 6
Saccharomyces cerevisiae 1 2 6300 2000 1 6
Escherichia coli 4 .7 3200 1400 1
H. influenzae 1 .8 1700 1000 1
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 32
Constancia del genoma durante eldesarollo
• La clonación de la oveja Dollydemostró que las célulasomáticas poseen toda lainformación genética necesariapara producir un desarrollocompleto desde el comienzo.
• El núcleo celular es totipotente
Clonación de la oveja Dolly
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 33
Actividad genética diferencial entretejidos y durante el desarrollo
• En humanos, se producen diferentestipos de hemoglobinas a lo largo deldesarrollo:– hemoglobina embrionaria (2$ + 2% )
en el saco vitelino.
– hemoglobina fetal (2& + 2') enhígado y al bazo.
– hemoglobina adulta (2& + 2!; 1/40son 2& + 2() en la médula espinal.
• Los genes de las globinas se sitúan enlos cromosomas en ordencronológico.
Síntesis de g lobina durante el desarrollo humano
Genes humanos de la g lobina
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 34
Inmunogenes
• Cuándo un antígeno las activa,los linfocitos B se producenanticuerpos, que consistenproteínas especializadasdenominadas inmunoglobulinas.
• Regiones variables (VH y VL) yregiones conservadas (CH y CL).
• Los mamíferos (IgA, IgD, IgE, IgGe IgM) presentan 106-108
anticuerpos distintos, originadospor recombinación somática.Molécula de inmunog lobulina G (Ig G)
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 35
Recombinación de la cadena ligera
• En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos quecodifican partes de la cadena ligera: 350 L-V* (L es una secuencia líder), 4segmentos J* de unión y 1 segmento C*
• Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmentoparticular L-V* se asocia con un segmento particular J* y con elsegmento C*
• Así, se pueden producir 350 ) 4 ) 1 = 1400 cadenas ligeras * diferentes.
Producción de la cadena lig era * en ratón porrecombinación de los seg mentos g énicos V, J,y C durante el desarrollo. El reordenamientoque se muestra es uno de muchos posibles.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 36
Recombinación de la cadena pesada
• En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos que codificanpartes de la cadena pesada: 500 L-VH, 12 segmentos D, 4 segmentos JH deunión y 5 segmentos CH para las IgM, IgD, IgG, IgE e IgA.
• Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmento particularL-VH se asocia con un segmento particular D, con otro JH y con un segmento CHque especifica el tipo de Ig.
• De esta forma, se pueden producir 500 ) 12 ) 4 = 24000 cadenas pesadasdiferentes, y por lo tanto 24000 ) 1400 (cadenas ligeras *) = 33600000moléculas de anticuerpo.
Producción de g enes de la cadena pesada enratón por recombinación de los seg mentosg énicos V, D, J, y C durante el desarrollo paradar lug ar a Ig G. Dependiendo del seg mentoCH usado, el anticuerpo resultante es Ig M,Ig D, Ig E o Ig A. El reordenamiento que semuestra es uno de muchos posibles.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 37
Genética del desarrollo enDrosophila
• Gradientes en los ejes posterior-anterior y dorsal-ventral en elhuevo.
• Subsiguiente determinación deregiones en el embrión que secorresponden directamente consegmentos del cuerpo del adulto.
• En Drosophila hay tres clasesprincipales de genes del desarrollo– genes de efectos maternos:
especifican los gradientes en elhuevo
– genes de segmentación:determinan los segmentos delembrión y del adulto
– genes homeóticos: especifican laidentidad de los segmentos.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 38
Genes de efectos maternos y desegmentación
• Los genes de efectos maternos bicoid, nanos y torsoregulan la formación de las estructuras anterior,posterior y terminal, respectivamente.– La proteína BICOID se acumula en la parte anterior del
huevo y la NANOS en la posterior. La proteína TORSO sedistribuye homogéneamente, pero sólo será activada en laspartes terminales.
• Los genes de segmentación se dividen en tres clases:– Los genes gap dividen embrión en grandes regiones.– A continuación los genes de la regla de pares dividen el
embrión en un número de regiones, cada una de las cualescontiene un par de parasegmentos.
– Finalmente los genes de polaridad del segmento se expresanpara determinar las regiones que se corresponderán con lossegmentos en el embrión y en el adulto.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 39
Genes homeóticos (Hox)
• Determinan la identidad de cadasegmento con respecto la parte corporal ala que darán lugar en el adulto.
• Los mutantes homeóticos provocan queun segmento se desarrolle en una partecorporal diferente de la normalmenteespecificada.
• Comparten secuencias similares de unos180 pb que se denominan homebox, quedan lugar a homeodominios proteicoscapaces de unirse al DNA. Estassecuencias suelen estar muy conservadastambién han sido observadas en otrosorganismos.
• Los genes homeóticos aparecen en todoslos fila animales, a excepción de esponjas ycnidarios.
Complejo bithorax
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 40
Mutaciones homeóticas
• El complejo Antennapedia agrupa varios genes que determinan la identidadanterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.
• El complejo Bithorax agrupa varios genes que determinan la identidadposterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.