REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

Transcripción

1 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

2 Flujo de la Información Genética Dogma central transcripción traducción ADN ARN Proteína replicación

3 Regulación de la Expresión Génica En los organismos pluricelulares existe una clara diferenciación celular y reparto de funciones, que dan lugar a la formación de distintos tejidos y órganos. Es claro que en cada uno de ellos se están expresando distintos grupos de genes.

4 Regulación de la Expresión Génica Las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también necesitan regular la expresión de sus genes, adaptándola a las necesidades ambientales. Regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares. Glucosa Lactosa Arabinosa

5 SISTEMA DE LA LACTOSA EN E. COLI, MODELO GENÉTICO DEL OPERÓN Francois Jacob Jacques Monod 1965 PREMIO NOBEL

6 OPERÓN ES UN GRUPO DE GENES ESTRUCTURALES, CUYA EXPRESIÓN ESTÁ REGULADA POR LOS MISMOS ELEMENTOS DE CONTROL (PROMOTOR Y OPERADOR), Y GENES REGULADORES. ES UNA UNIDAD GENÉTICA DE EXPRESIÓN COORDINADA.

7 POLICISTRÓNICO : los ARN mensajeros de bacterias suelen ser policistrónicos. En el caso del Operón lactosa los tres genes estructurales se transcriben juntos en un mismo ARNm. MONOCISTRÓNICO : en eucariontes los mensajeros suelen ser monocistrónicos, es decir, corresponden a la transcripción de un solo gen estructural.

8 Regulación de la Expresión Génica Sistemas inducibles: el sustrato sobre el que va a actuar la enzima provoca la síntesis de la enzima. Al efecto del sustrato se lo denomina inducción positiva. Al compuesto que desencadena la síntesis de la enzima se lo denomina Inductor. Los sistemas inducibles se corresponden a procesos catabólicos de degradación, Sistemas represibles: el producto final de la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al compuesto que impide la síntesis de la enzima se lo denomina correpresor. Los sistemas represibles se corresponden con procesos de síntesis o anabólicos Control positivo: Se dice que un sistema está bajo control positivo cuando el producto del gen regulador activa la expresión de los genes, actúa como un activador. Control negativo: se dice que un sistema está bajo control negativo cuando el producto del gen regulador reprime o impide la expresión de los genes, actúa como un represor.

9 Regulación de la Expresión Génica Tipo 1: Inducible, control negativo (operón lactosa y operón galactosa) Tipo 2: Inducible, control positivo (operón arabinosa y operón maltosa) Tipo 3: Represible, control negativo (operón triptofano y operón histidina) El Operón Lactosa, es un sistema inducible que está bajo control negativo: la proteína represora, producto del gen regulador I, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor (lactosa). control positivo: existe otra proteína (CAP) que estimula la transcripción de los genes estructurales.

10 Elementos del Operón Elementos de Control Moléculas Difusibles Genes Estructurales Gen Regulador Promotor Operador Proteínas Reguladoras Efectores Inductores Codifican Polipéptidos Codifica la Proteína Represora

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12 OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO

13 OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO

14 Un mejor conocimiento del funcionamiento del Operón Lac fue posible gracias a la obtención de mutantes que afectaban a los genes estructurales, a los elementos de control (promotor y operador) y al gen regulador. Mutante genes estrucutrales Mutante I S Mutante del Promotor Los primeros mutantes que fueron aislados afectaban a los genes estructurales (z, y, a). Los mutantes en estos genes dan lugar a alteraciones en la estructura de las enzimas. Mutante Z - Mutante Y - Mutante A - Afecta al gen de la proteína represora modificando la región de la proteína encargada de unirse al inductor. La proteína represora mutante se une al operador pero no es capaz de reconocer al inductor. Se trata de un mutante que está siempre reprimido en el que no se expresan los genes estructurales. SUPERREPRESOR Estos mutantes presentan una alteración en la secuencia de la región promotora, como consecuencia la ARN-polimerasa no reconoce la secuencia promotora y, por consiguiente, no se produce la transcripción de los genes estructurales.

15 Mutantes constitutivos Son aquellos en los que siempre se expresan o transcriben los genes del operón lactosa, independientemente de si está o no presente el inductor Mutante I - Altera la estructura de la proteína represora de manera que ya no es capaz de unirse a la región operadora. Se produce la transcripción de los genes estructurales en ausencia de inductor (lactosa). Mutante O C Alteración en la secuencia del Operador, que tiene como consecuencia que la proteína reguladora ya no sea capaz de unirse al operador. De esta manera la región promotora queda asequible para la ARN polimerasa y se produce la transcripción de los genes estructurales en ausencia de inductor (lactosa). Mutante I Q Mutación en el promotor del gen regulador que codifica para la proteína represora (iq). No aparece proteína represora y, por tanto, siempre se están expresando los genes estructurales, tanto en ausencia como en presencia del inductor.

16 Análisis de la Expresión Génica Cepas Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Genotipo A+ B+ C+ - + A- B+ C+ - - A+ B- C+ + + A+ B+ C- + +

17 TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O MEROCIGOTOS. Los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico circular o lineal que se replican y transcriben independientes del ADN cromosómico. Están presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en organismos eucariotas como las levaduras. Su tamaño varía desde 3 a 10 kb. El número de plásmidos puede variar, dependiendo de su tipo, desde una sola copia hasta algunos cientos por célula.

18 TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O MEROCIGOTOS. Las moléculas de ADN plasmídico, adoptan una conformación tipo doble hélice al igual que el ADN de los cromosomas, sin embargo no tienen proteínas asociadas. En general, no contienen información esencial, sino que confieren diferentes ventajas al hospedador. Ej: plásmidos que contienen genes de resistencia a un determinado antibiótico (el plásmido únicamente supondrá una ventaja en presencia de ese antibiótico). Resistencia a Ampicilina

19 TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O MEROCIGOTOS.

20 ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN CIS

21 ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN TRANS

22 Análisis de la Expresión Génica en Diploides Parciales Diploides parciales Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Genotipo z+ y+ a+ z+ y+ a+ i+ P O z+y+a+/ i+ P O C z+y+a+ SI SI SI SI SI SI i+p O z+y+a+/ i- P O z+y+a+ NO NO NO SI SI SI

23 Análisis de la Expresión Génica Cepas Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Genotipo A+ B+ C+ - + A- B+ C+ - - A+ B- C+ + + A+ B+ C- + + A+ B- C+ / F A- B+ C+ - + A+ B+ C+ / F A+ B+ C- + +

24 OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO Algunos operones bacterianos poseen promotores débiles que requieren proteínas auxiliares activadoras. La transcripción no ocurre (o en todo caso ocurre a un nivel basal bajo), a no ser que la proteína activadora se una a zonas del ADN cercanas al promotor. Cuando la bacteria E. coli crece en un medio que contiene glucosa, prefiere este azúcar como fuente de energía y como consecuencia los operones que producen las enzimas necesarias para obtener energía de otros azúcares están bloqueados represión catabólica.

25 OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO Glucosa Adenilato Ciclasa INACTIVA ATP AMPc

26 OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO Glucosa Adenilato Ciclasa ACTIVA ATP AMPc

27 OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO En Enterobacterias, este mecanismo se puede hacer extensivo a otros operones correspondientes al catabolismo de otras fuentes de C más pobres que la glucosa. Mientras exista glucosa en el ambiente ésta será usada en primer lugar, de modo que mientras se metaboliza está operando el fenómeno de "represión catabólica". Pero una vez agotada, y suponiendo que exista una fuente alternativa de C, ésta pasará a ser usada, gracias a la activación genética mediada por el complejo CAP-AMPc.

28 OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO Para que el Operón lac pueda transcribirse con un máximo rendimiento requiere que se cumplan dos condiciones simultáneamente: No debe haber en el medio una fuente más rica de azúcar, como la glucosa (que libera la "represión catabólica" por el mecanismo de regulación positiva a través de CAP) Debe existir el inductor exógeno (la lactosa), que inactiva el mecanismo de regulación negativa.

29 OPERÓN TRIPTOFANO

30 Regulación de la Expresión Génica Operón Triptofano Sistema represible: el producto final de la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al compuesto que impide la síntesis de la enzima se lo denomina Correpresor (Triptofano). Los sistemas represibles se corresponden con procesos anabólicos. de síntesis o Control negativo: se dice que un sistema está bajo control negativo cuando el producto del gen regulador reprime o impide la expresión de los genes, actúa como un represor.

31 Elementos del Operón Regulación de la Expresión Génica Elementos de Control Correpresor Genes Estructurales Gen Regulador Promotor Operador Triptofano Codifican Polipéptidos Codifica la Proteína Represora

32 Regulación de la Expresión Génica Operón Triptofano Orden de los genes estructurales y ruta de síntesis del Operón Triptofano

33 OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO in

34 OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO

35 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación La atenuación es un mecanismo de control que se da en ciertos operones de rutas biosintéticas (sobre todo de aminoácidos), por el cual la transcripción puede terminar prematuramente en una zona denominada atenuador, antes de alcanzar al primer gen estructural de ese operón.

36 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación Estructura secundaria de la región líder

37 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación

38 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación

39 Regulación por Atenuación La atenuación es un sistema de control genético de una amplia variedad de operones biosintéticos, especialmente de aminoácidos. En todos los casos el segmento inicial del polipéptido transcripto es rico en el aminoácido que controla dicho operón. (Otros ejemplos descubiertos operón his: síntesis de histidina; operón phe: síntesis de fenilalanina; operón leu: síntesis de leucina; etc) Algunos de estos operones sólo poseen atenuación como mecanismo de control, mientras que otros poseen además regulación por represión. La atenuación es un mecanismo que permite detectar los bajos niveles intracelulares del aminoácido en cuestión (bajo la forma de aminoacil-arnt), los cuales dependen a su vez de bajos niveles del aminoácido en el medio.