Regulación de la expresión génica en procariotas
Flujo de la información Dogma central (Francis Crick 1957): ADN ARN proteínas
Flujo de la información TRANSCRIPCIÓN ADN ARN proteínas TRADUCCIÓN
Mecanismos de regulación de la transcripción en procariotas
Mecanismos de regulación Sistemas inducibles: el sustrato sobre el que van a actuar las enzimas induce la síntesis de las mismas. Sustrato = Inductor. Procesos catabólicos. Sistemas represibles: el producto final de una reacción enzimática impide la síntesis de las enzimas intervinientes. Prod. final = Correpresor. Procesos de biosíntesis o anabólicos.
Proteínas reguladoras En ambos casos participan proteínas de unión al ADN (DNA-binding proteins) En respuesta a una señal ambiental, reconocen un sitio específico en el ADN Pueden reconocer: - un promotor (activación) - un operador (represión)
Escherichia coli: modelo para estudios de expresión en procariotas - organismo procariota - ciclo vital muy corto - pueden estudiarse cultivos puros de cepas mutantes - permite estudiar la respuesta a cambios ambientales - control genético coordinado: organización de genes en operones (procariotas)
Operón Los genes estructurales implicados en un proceso metabólico particular se organizan en un grupo bajo control coordinado. Se transcribe un ARNm policistrónico.
Operón lactosa operón Lac - 1 región promotora - 1 elemento regulador: operador - 3 genes estructurales: z (β-galactosidasa), y (permeasa), a (transacetilasa) Aguas arriba del operador, 1 gen estructural de expresión constitutiva (proteína represora) + promotor.
Operón lac Secuencia consenso -35 Secuencia consenso -10 o caja de Pribnow-Schaller
Secuencias promotoras
Proteínas que codifica el operón Lac - 3 enzimas: β-galactosidasa, permeasa, transacetilasa
Enzimas Función: Permeasa (y): disponibilidad del disacárido en la célula β-galactosidasa (z): conversión a alolactosa y obtención de galactosa y glucosa, para obtención de energía Transacetilasa (gen a): eliminación de subproductos de la digestión de la lactosa
Proteína reguladora - 1 proteína represora alostérica= I capaz de unirse a O en forma dimérica, y de interactuar con la lactosa de manera reversible
Regulación negativa inducible La proteína I unida al O inhibe la acción de la polimerasa
Regulación negativa inducible Cuando la proteína I cambia de conformación, se altera el sitio de unión al O
Regulación negativa inducible
Regulación negativa Expresión de los genes estructurales del Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Ausencia de inductor Presencia de inductor Genotipo silvestre z + (Sin y lactosa) + a + z + (Con y lactosa) + a + i + P + O + z + y + a + NO NO NO SI SI SI Genotipo silvestre z + y + a + z + y + a + i + P + O + z + y + a + NO NO NO NO NO NO
Mutaciones del operón lac z-: ausencia de beta galact. funcional y-: ausencia de permeasa funcional a-: ausencia de transacet. funcional o c : expresión constitutiva del operón P-: falta de unión con la ARN polimerasa
Mutaciones estructurales Mutantes constitutivos Mutantes estructurales Expresión de los genes estructurales del Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Ausencia de inductor Presencia de inductor Genotipo z + (Sin y lactosa) + a + z + (Con y lactosa) + a + i + P + O + z + y - a + NO NO NO SI NO SI i + P Genotipo + O + z - y + a + NO z + NO y + NO a + NOz + SIy + SIa + i + P + O + z + y - a + NO NO NO SI NO SI i + P + O + z - y + a + NO NO NO NO SI SI
Mutaciones estructurales Mutantes constitutivos Mutantes estructurales Expresión de los genes estructurales del Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Ausencia de inductor Presencia de inductor Genotipo z + (Sin y lactosa) + a + z + (Con y lactosa) + a + i + P + O + z + y - a + NO NO NO SI NO SI i + Genotipo P + O + z - y + a + NO z + NO y + NO a + NOz SIy SIa i + P + O + z + y - a + NO NO NO SI NO SI i + P + O + z - y + a + NO NO NO NO SI SI
Mutaciones constitutivas Mutantes constitutivos Mutantes constitutivos Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Genotipo + y + a + z + y + a + Genotipo z + y + a + z + y + a + i + P + O C z + y + a + SI SI SI SI SI SI i - P + O + z + y + a + SI SI SI SI SI SI i + P + O C z + y + a + SI SI SI SI SI SI i - P + O + z + y + a + SI SI SI SI SI SI Concepto de cis y trans
Mutaciones del gen represor y su promotor Mutantes del gen estructural i, y/o su promotor i- =recesivo. Represor inactivo i Q = promotor del gen i. Aumenta la transcripción. i -d = recesivo, extremo NH 2 terminal de I. Se une al inductor pero no al operador. i S = dominante, centro y extremo COOH terminal. Se une al operador pero no reconoce al inductor. Superrepresión.
Utilización de diploides parciales
Mutaciones en diploides parciales Diploides parciales Diploides parciales Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con 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 NO SI SI NO Genotipo z + y + a + z + y + a + i + P + O + z + y + a + / i - P + O + z + y + a + NO NO NO SI SI SI i + P + O + z + y + a - / i + P + O C z + y + a - SI SI NO SI SI NO i + P + O + z + y + a + / i - P + O + z + y + a + NO NO NO SI SI SI
Si hay lactosa pero también hay glucosa en el entorno celular se expresa el operón lac?
Regulación del operón lac Utilización de glucosa: La glucosa ingresa a la glucólisis sin modificaciones adicionales. Requiere menor cantidad de energía para metabolizarse, respecto de otros azúcares.
Regulación del operón lac Mecanismo de represión por catabolito: utilización de la glucosa en primer término
Regulación del operón lac Mecanismo de represión por catabolito: Sitio de unión CAP
Represión por catabolito Proteína activadora por catabolito = CAP: - proteína dimérica - codificada en otra parte del cromosoma se une al ADN (motivo hélice-giro-hélice) en el extremo 5 de la región promotora del operón
Represión por catabolito Proteína activadora por catabolito = CAP: el ADN se curva y la CAP interactúa con la ARN polimerasa facilita la unión de la ARN-polimerasa al promotor
Represión por catabolito Proteína activadora por catabolito = CAP: para unirse, requiere estar unida a AMPc (también llamada CRP: prot. receptora de camp) a a adenosina-3, 5 -monofosfato cíclico - pero la glucosa inhibe la adenilato ciclasa que cataliza la conversión ATP - AMPc
Regulación por catabolito Lactosa presente en ausencia de glucosa
Regulación por catabolito Glucosa presente, con o sin lactosa Baja concentración de AMPc Escasa síntesis de ARNm
Doble regulación del operón lac 2 mecanismos de regulación Negativa: proteína represora / lactosa inductora - Positiva: represión por catabolito