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1 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E

2 VIII. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA Objetivo general El alumno identificará los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

3 Objetivos particulares 1. Regulación genética en procariontes 2. Regulación genética en eucariontes El alumno Conocerá los distintos niveles de regulación genética. X 1.2. Identificará las diferencias entre regulación positiva y X negativa Comprenderá el concepto de inducción y represión. X 1.4. Conocerá el concepto de operón, genes reguladores, X genes estructurales, promotor, reguladores en cis y trans Comprenderá el funcionamiento del operón lac. X 1.6. Comprenderá el modelo de represión catabólica: AMPc y CAP Conocerá los sistemas de regulación por atenuación: operón del triptófano Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas en la regulación genética Conocerá las características de los factores de transcripción y su papel en la regulación de la expresión genética Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la regulación de la expresión genética Conocerá la importancia del control post-transcripcional de la expresión genética (micrornas). X X X X X X Conocimiento Comprensión Aplicación

4 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EN PROCARIOTES

5 La regulación de la expresión de los genes se establece de la necesidad de controlar la actividad de las enzimas o de las proteínas en general, en momentos precisos de la vida de la célula ALOSTERISMO POSITIVO O NEGATIVO POR PRODUCTO, RETROALIMENTACIÓN REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA CELULAR REGULACIÓN COVALENTE ISOENZIMAS a) MODIFICACIONES POST- TRADUCCIONALES b) ZIMÓGENOS CANTIDAD DE ENZIMA SÍNTESIS DEGRADACIÓN

6 Regulación a nivel de: Transcripción Traducción DNA Transcripción mrna Traducción PROTEINA

7 Los genes se expresan con diferente eficiencia Aumenta el número de transcritos Resultando en un aumento en la cantidad de proteína Regulación transcripcional

8 Los genes se expresan con diferente eficiencia A B B B B B B B B Regulación traduccional B B B B B B B B

9 POR LO TANTO, PARA QUE HAYA REGULACIÓN DE LOS GENES TIENE QUE HABER REGULACIÓN POSITIVA Y NEGATIVA GENE CON Regulación positiva (+) GENE CON Regulación negativa (-) El gene se enciende (se transcribe o se transcribe más) El gene se apaga (no se transcribe o se transcribe menos)

10 Regulación en bacteria P: promotor de los genes estructurales E1... E4 R: gen regulador (codifica una proteína represora que regula la transcripción de los genes estructurales) O: operador (secuencia reconocida por la proteína represora que impide la transcripción) Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.

11 El modelo del Operon LAC F. Jacob J. Monod A. Lwoff Expresión inducible

12 El Operon lac funciona para la utilización de lactosa como fuente de carbono Gen regulador Genes estructurales

13 La -galactosidasa hidroliza a la lactosa para generar glucosa y galactosa También convierte parte de la lactosa en alolactosa

14 La - galactosidasa se encuentra en niveles muy bajos si no hay lactosa en el medio. Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste.

15 Los operones están formados por genes estructurales y una región de control Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

16 El Operon lac funciona para la utilización de lactosa como fuente de carbono

17 El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a

18 El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a Galactosidasa Permeasa Transacetilasa El inductor se une al represor y entonces éste ya no se une al DNA

19 Normalmente, hay una expresión baja del operón lac lo que permite que haya un poco de galactosidasa en la célula

20 La lactosa es convertida a alolactosa por la galactosidasa. La alolactosa es el inductor.

21 Aún en ausencia del represor, el promotor del operón lac no es muy fuerte por lo que requiere la actividad de otra proteína: CRP o CAP. Activador CRP. camp receptor protein También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein. CRP une camp Si los niveles de glucosa son altos, hay poco camp. Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho camp.

22 Cuando los niveles de camp se incrementan, éste se une a la CRP El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa y causa un giro en el DNA que facilita la unión de la RNA polimerasa al promotor, activándolo.

23 El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa facilitando la unión de la RNA polimerasa al promotor e incrementando 50 veces la transcripción

24 Cómo se regula el operón lac cuando hay glucosa en el medio? + glucosa lactosa Represor RNA polimerasa Regulación negativa No se transcribe

25 Regulación del operón de lactosa. Regulación Negativa. Represor Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay galactosidasa

26 Qué le pasa al operón lac en presencia de lactosa aún cuando exista glucosa? inductor (lactosa) + glucosa + lactosa RNA polimerasa Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción basal). La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar

27 Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de camp son bajos. La síntesis del mrna lac es pobre.

28 Qué pasa al operón lac cuando hay lactosa en el medio y no hay glucosa? Activador - glucosa + lactosa La transcripción es alta Regulación positiva

29 Regulación positiva. Inducción. Cuando hay lactosa y la glucosa es baja, los niveles de camp son altos. El camp se une con la CRP que activa a la RNApol para transcribir al operón lac. Por lo tanto, se sintetiza mucho mrna lac.

30 En ausencia de lactosa Aunque el activador esté presente... RNA polimerasa - glucosa - lactosa No hay transcripción!

31 Modelo de la regulación negativa

32 Modelo de la regulación positiva + lactosa [glucosa] [AMPc]

33 Represión por catabolito del operón lac (Elección del mejor azúcar a metabolizar) CAP= Catabolite activator protein Activación del operón lac

34 El operador actúa en cis y regula a los genes que están ligados al lado de éste

35 El gen I actúa en trans La proteína codificada por el gen I actúa reconociendo al operador, por lo que el gen I no necesita estar al lado de un operador para regularlo.

36 Secuencia del operador lac al que se une el represor I Sitio del promotor lac al que se une CAP

37 El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es decir aquel en el cual la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa) induce la transcripción de los genes estructurales. El operón lac también se encuentra bajo control positivo. Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de AMPc, el cual tiene influencia en la activación del operón lac. El AMPc actúa uniéndose a una proteína fijadora de AMPc denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando la concentración de este complejo es alta (poca glucosa), el CAP-AMPc se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora para la RNA polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón. Para que se exprese el operón lac deben darse dos condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja.

38 El Operón Trp Triptofano De manera normal, E. coli está expresando su operón Trp. En este caso el represon codificado por el gen regulador, es inactivo.

39 Qué ocurre cuando hay triptofano en el medio? Complejo Represor-Corepresor + Triptofano El triptofano (corepresor) se une al represor, activándolo. Éste ahora se puede unir al operador impidiendo la transcripción del operón trp. Regulación negativa

40 Operón de triptofano Este operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la biosíntesis de triptofano. Bajo control del promotor (P trp ) y del operador (O trp )

41 El represor se une a triptofano y este complejo se une al operador reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.

42 Comparación entre Operón Lac y Operón Trp OPERÓN Lac OPERÓN Trp Operón inducible, se expresa en presencia de lactosa. Operón reprimible, se expresa en ausencia de triptófano. La lactosa es el inductor El triptófano es el co-represor El represor se sintetiza en forma activa. Actúa solo. El represor se sintetiza en forma inactiva. Actúa en presencia del co-represor. Sus enzimas participan en un vía catabólica Sus enzimas participan en una vía anabólica

43 Regulación de la expresión genética a nivel traduccional)

44 Atenuación del operón Trp

45 Mecanismo de atenuación Se basa en la existencia de secuencias invertidas repetidas en el mrna capaces de formar tallos-asa que pueden pausar la traducción. + triptofano trna-trp El ribosoma NO se detiene En presencia de trp hay mucho trna trp por lo que la traducción es rápida, esto hace que se forme un pasador en la región 3-4 que bloquea la transcripción. Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón

46 Mecanismo de atenuación triptofano trna-trp El ribosoma SE DETIENE En ausencia de trp hay poco trna trp por lo que la traducción es lenta, esto hace que se forme un pasador en la región 1-2 que permite que la transcripción del resto del operón continúe. Ocurre la transcripción y traducción del resto del operón

47 Cuando los niveles de Trp son bajos, el ribosoma se detiene en los codones de Trp, por lo que no se forma el tallo-asa y la transcripción continua. En el operón de triptofano hay una región atenuadora en la que dos codones para Trp se encuentran muy juntos Cuando los niveles de Trp son altos, el ribosoma traduce rápidamente el mrna incluyendo los dos codones de Trp. Esto favorece la formación de un tallo-asa que provoca la terminación de la transcripción.

48

49 Regulación por posición del gen en el operón Traducción mas eficiente Traducción menos eficiente Regulación por Shine-Dalgarno Traducción mas eficiente Traducción menos eficiente

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