Regulación de la expresión de genes nucleares y de organelas Diego Gomez-Casati Universidad Nacional de General San Martín (UNSAM) Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos CEFOBI-CONICET, Universidad Nacional de Rosario (UNR) Biotecnología Vegetal 2010
Información genética en plantas está contenida en 3 compartimentos NUCLEO CLOROPLASTOS MITOCONDRIAS
Núcleo Contiene la mayor parte de la información genética de la célula. Expresion génica y actividad regulatoria Nucleolo Organela en el interior del núcleo No está unido a membrana Contiene más de 100 polipéptidos y ácidos nucléicos Responsable de la transcripción del DNA ribosomal, procesamiento y ensamblaje del rrna
Núcleo Formado por doble bicapa lipídica Separa el material genético nuclear del citoplasma Controla el intercambio a través de poros nucleares Importantes para traslocación de macromoléculas (RNA, proteínas (req secuencia señal y ATP)) Complejo de ~ 120 proteínas Simetría octogonal Permite difusion libre de solutos pequeños
Regulación de genomas en células vegetales Información genética en plantas está contenida en 3 compartimentos NUCLEO CLOROPLASTOS MITOCONDRIAS
Plástidos Esquema de la estructura cloroplastos Organelas encontradas en células vegetales Cloroplastos responsables de llevar a cabo la fotosíntesis, almacenamiento de diversos compuestos (almidón) Formados por una doble membrana y membranas tilacoides Contiene la información genética necesaria para sintetizar algunas de sus propias proteínas Varían en forma, tamaño, localización
Diversos tipos de plástidos Todos derivados de proplástidos Cloroplastos (tej verdes, fotosíntesis) Etioplastos (estadío previo a cloroplastos arrestado por ausencia de luz) Amiloplastos (acumulac de almidón) Leucoplastos (plástidos sin color, síntesis de terpenos) Cromoplastos (plástidos coloreados, responsable del color de algunos frutos (tomates, naranjas), flores, raíces (zanahoria, papa) etc) derivan de proplástidos o de cloroplastos (en maduración de algunos frutos) Acompañado de inducción masiva de enzimas de vía de síntesis de carotenos
Organización del genoma de plástidos en plantas Actualmente se conocen aprox 15 genomas completos de plastidos Ej Tabaco, maíz, arroz 100 200 copias Codifica todos los rrna de plástidos Algunos trnas Estructura molecular similar: Región grande (copia simple) Región pequeña (repetida) Región pequeña (copia simple)
Regulación de genomas en células vegetales Información genética en plantas está contenida en 3 compartimentos NUCLEO CLOROPLASTOS MITOCONDRIAS
Mitocondrias Encontradas en todas las células eucariotas Involucradas en la respiración celular, generación ded ATP Síntesis de aminoácidos y ácidos orgánicos, ciclo de Krebs Estructura: membrana externa, interna y matriz mitocondrial
Organización del genoma mitocondrial DNA 16.6 kb 13 OXPHOS genes 2 rrnas 22 trnas
Estructura de mitocondrias Membrana externa Mitocondria Espacio intermemrana Membrana interna Matriz mitocondrial
Organización de la cadena de transporte de electrones de mitocondria de plantas n=30 n=8 n=10 n=6-13 n=10
Orígen bacteriano de mitocondrias y cloroplastos Transferencia de genes al genoma nuclear Determinan muchos aspectos de la regulación génica en organelas? 37 genes?
Control transcripcional de genes nucleares Mecanismos de control transcripcional de genes de organelas codificados en el núcleo Proteínas que participan en fotosintesis --- responden a estímulos (luz) vía fitocromos u otros receptores Proteínas mitocondriales (levaduras) --- responden a hemo y fuente de carbono Manipulacion de la expresión de genes mitocondriales + fácil en levaduras -- Ej fuente de C fermentable no fermentable genes nucleares y mito respiratorios
Organización típica de genes de organelas Unidades de transcripción policistrónicas (2 a varios genes) Similares a operones bacterianos Pueden tener + de 20 sitios de inicio de transcripción Transcripción comienza aprox -11 (cons seq TATAAGTAA/TTA) x RNA pol nuclear mrna de genes de fotosíntesis en raíces y otros tej fotosintéticos sugieren regulación post-transcripcional
Organización típica de genes de organelas Genes mito humanos, levaduras (genoma mitocondrial pequeños) genes + empaquetados, transcriptos policistrómicos sin 5 y 3 UTR Genes de plantas (genoma mito + grandes) regiones 5 y 3 UTR con IR 5 UTR IR target de prot nucleares que controlan Expresion de RNA Estabilidad de RNA Ej proteína p40 (nuclear) une a helice UUUAUA X crosslink dif proteínas u a 3 UTR
Cebada --- Se encontraron diferencias significativas en transcripción de genes cloroplásticos (15 genes, aprox 50% del genoma) velocidad de transcripcion (> 300 veces) niveles de mrna (> 900 veces) Veloc y niveles variaron considerablemente luego de exposición a luz Niveles de proteína no correlacionaron con niveles de mrna Ej: Plantas de tabaco transformadas con GUS-mRNA con seq 5 psba mrna inducido 4-veces x luz Proteína inducida 30-veces
Transcripción del DNA Síntesis de RNA usando DNA como templado ----- 1ra etapa de control Diferencias entre eucariotas y procariotas RNA pol I --- rrna RNApol II --- mrna RNApol III --- rrna, trna, otros Complejo multiproteico Nec proteinas accesorias RNApol bacterias, plastidos 4 subunidades 1 subunidad regulatoria 3 FI se han encontrado en cloroplastos de algas
RNA polimerasas de plástidos Plástidos contienen múltiples RNA pols Similar a RNA pol de E. coli (subunidades codif en plástidos) Genes contienen sec típicas -10 y -35 No se conoce en detalle las sec promotoras ctp1 ctp2
RNA polimerasas de plástidos Punto adicional de control de la expresión génica Existencia de multiples promotores en genes cloroplásticos Ej: transcripción del cluster atpb-atpe 5 sitios de iniciación de la transcripción (P1 a P5) P1,2,4 y 5 10/-35, P3 desconocido
Control posttranscripcional de la expresión génica Procesamiento del RNA Splicing mrna editing Estabilidad del mrna A nivel de proteína Traduccion Modificaciones posttraduccionales Proteólisis
Tipos/Funciones de RNAs rrna forma estructuras 3D complejados con proteínas (RIBOSOMAS) trna actúan como adaptadores para traducir los codones de mrna mrna codif secuencia para síntesis de proteínas celulares snrnas (small nuclear RNAs) U1, U2, etc Localizados en nucleoplasma actuarían en pre-mrna splicing snornas (small nucleolar RNAs) Localiz en nucleolos, actuarían en prerrna splicing Otros procesamiento de pre-trna micro RNA
Estructura de un RNAm típico codif en núcleo m7g Estructura de un RNAm típico codif en cloroplastos Ej NOS P P
Importancia de la acción de factores nucleares estabilizadores Ej ---- supresión de 329 nt del 5 UTR (612 nt) de cox3 pérdida de competencia respiratoria (levaduras) ---- Productos de 3 genes nucleares son necesarios para la expresión de mrna de cox2 (PET111 interactua con 5 UTR) ---- 3 genes nucleares (AEP1, AEP2, NCA1) necesarios para expresion de atp9 (maduracion y estabilización de atp9 mrna) ---- Otros genes nucleares estabilizan mrnas cloroplasticos psbc mrna (codif para CP43 PSII) estabilizado por prot F34, F64 (u 5 UTR)
MTERF3 Codificada en núcleo Regula negativamente transcripción de DNA mitocnodrial Se une a sec reguladoras en mtdna HSP1 (16s rrna) HSP2 (policistronic RNA, 2rRNAs, 14 trnas y 12 mrnas) Mecanismo no definido Mutante homozigota letalidad embriónica Taylor et al, (2007) Cell
Procesamiento del RNA (splicing) de mrna nuclear Procesamiento del RNA (splicing) de mrna de organelas
RNA editing Mecanismo que altera la secuencia de algunos mrnas Descubierto primero en mitocondria de trypanosomas RNA editing en mitocondria y cloroplastos de plantas superiores 2 Mecanismos de RNA editing Inserción/deleción (mitocondria trypanosoma) inserción/del de U Conversión (mito, chlor plantas; núcleo mamíf) C U; U C ; otros
Diferentes tipos de RNA editing
RNA editing
RNA editing ATP9 mitocondrial
Comunicación entre organelas y núcleo X? X?
T electr Mito cloropastos
G-Box