Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Curso de Genética y Biología Molecular Licenciatura Química Farmacéutico Biológica (1630) Química en Alimentos (0144) (Optativa) Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Laboratorio 105, Edificio E 5622-5280 hlozat@unam.mx
VII. 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
Objetivos particulares 2. Regulación genética en eucariontes El alumno... 2.1. Reconocerá la importancia de los eventos epigenéticos en determinar la expresión génica y el fenotipo. 2.2. Comprenderá los procesos de acetilación/desacetilación de histonas como eventos que modifican la estructura de la cromatina y la expresión génica. 2.3. Conocerá los efectos de la metilación del DNA sobre la expresión génica. 2.4. Conocerá las características de los factores de transcripción y su papel en la regulación de la expresión genética. 2.5. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la regulación de la expresión genética. 2.6. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de la expresión genética mediada por micrornas. 2.7. Reconocerá la biogénesis de los micrornas, desde su transcripción hasta la formación del RNA dúplex asimétrico 2.8. Comprenderá los mecanismos de regulación posttranscripcional mediados por micrornas 2.9. Aplicación técnica: Técnicas para evaluar la expresión genética: Microarreglos, RT-PCR cuantitativo. X X X X X X X X Conocimiento Comprensión Aplicación X
Regulación genética en eucariontes Objetivo general El alumno identificara los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en eucariontes
Regulación genética en eucariontes Garantizar que el gen correcto se active en la célula correcta en el momento correcto Los mecanismos de regulación génica son los encargados de la diferenciación celular Desarrollo de meloncitos en relación con tejido nervioso Development 2012 139: 397-410; doi: 10.1242/dev.065581
Puntos de regulación de la expresión genética en eucariontes 1. 2. 3. Remodelación de la cromatina Transcripción Procesamiento de RNA 4. Estabilidad del mrna 5. Traducción 6. Modificaciones post-traduccionales
Reclutamiento de la maquinaria de transcripción en eucariontes Remodeladores de la cromatina Modificadores de nucleosomas Factores de transcripción basales Proteínas que estimulan el inicio y la elongación Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Alteraciones en la estructura de la cromatina inducidas por los activadores Desacetilasas de histonas (HDACs) Complejos remodeladores de cromatina(swi/snf) Acetilasas de histonas (HATs) La expresión genética en eucariontes requiere de cambios en el estado de condensación de la cromatina Watson et al., (2014) Molecular Biology of te Gene, 7th edición.
Código epigenético Se llama la regulación epigenética a la herencia de los patrones de expresión génica en ausencia de una señal de iniciación. Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Silenciamiento transcripcional: formación de heterocromatina Tinción de DAPI que muestra las regiones de heterocromatina en el genoma de Arabidopsis El silenciamiento es un efecto de posición. Un gen es silenciado por el lugar donde se encuentra, no en respuesta a una señal ambiental. Watson et al., (2014) Molecular Biología of te Gene, 7th edición.
Silenciamiento de un gen por metilación del DNA Estado no modificado de un gen 5-metilcitosina En ocasiones un gen debe estar completamente apagado, algunas veces de forma permanente. Esto se logra a través de la metilación del DNA y modificación de los nucleosomas locales. MeCP2 Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los patrones de la metilación del DNA se mantienen a través de la división celular Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Reclutamiento de la maquinaria de transcripción en eucariontes Remodeladores de la cromatina Modificadores de nucleosomas Factores de transcripción basales Proteínas que estimulan el inicio y la elongación Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Regulación de la expresión genética a nivel TRANSCRIPCIONAL Activadores Represores Coactivadores Factores de transcripción basal
Regulación de la expresión genética a nivel TRANSCRIPCIONAL Promotor Basal: secuencia de nucleótidos necesaria para la fijación de la RNA polimerasa. Secuencias reguladoras: A) Intensificadoras (enhancers): secuencias que estimulan la transcripción y cuya localización puede ser a miles de nts de distancia "río arriba o abajo" del promotor B) Silenciadoras (silencers): secuencias que inhiben la transcripción. También pueden hallarse muy distantes del promotor. Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con el sitio promotor. Son esenciales para la transcripción pero no la pueden aumentar o disminuir. Factores específicos de la transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser activadoras o represoras. A) Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen (enhancers). B) Proteínas represoras: interaccionan con las secuencias silenciadoras del gen (silencers).
Regulación de la expresión genética de la levadura al humano En los organismos multicelulares hay ma s secuencias reguladoras en un gen típico que reflejan la amplia integración de señales necesarias para regular un gen determinado. Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores son proteínas de unión a DNA El dominio de unión a DNA y el dominio activador están separados o en polipéptidos diferentes El dominio activador es clasificado por su contenido de aminoácidos, ya que mantiene una función adhesiva entre proteína - proteína Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores tienen dominios de activación y de unión a DNA separables Experimento de cambio de dominio Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Interacción de los dominios de unión a DNA con secuencias de DNA específicas La hélice de reconocimiento hace contacto con el surco mayor del DNA y reconoce pares de bases específicas. La otra hélice hace contacto con el esqueleto del DNA posicionando la hélice de reconocimiento adecuadamente y aumentando la fuerza de unión. Homeo-dominio Dedos de Zinc Los dominios de unión a DNA en eucarionte son en su mayoría heterodímeros Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Interacción de los dominios de unión a DNA con secuencias de DNA específicas Zipper de leucina Hélice-vuelta-hélice Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los aisladores bloquean la activación inespecífica de los promotores Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores se unen de manera sinérgica y cooperativa para inducir la transcripción Unión cooperativa a través de la interacción directa Efecto indirecto en el que la unión de una proteína en el DNA dentro de nucleosomas ayuda a la unión de una segunda proteína. Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los activadores se unen de manera combinatoria para inducir la transcripción Cada gen tiene una combinación particular de intensificadores y silenciadores. Genes distintos pueden compartir secuencias idénticas de intensificadores y silenciadores, pero no existen dos genes que posean la misma combinación de estas secuencias reguladoras. Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Los represores de eucariontes trabajan de distintas maneras Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
El represor Mig1 esta involucrado en el control de los genes GAL de la levadura S. cerevisiae
Reclutamiento de la maquinaria de transcripción en eucariontes Remodeladores de la cromatina Modificadores de nucleosomas Factores de transcripción basales Proteínas que estimulan el inicio y la elongación Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Proteínas que promueven el inicio o elongación de la transcripción TFIIH Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Regulación por hormonas Tipos de hormonas Componentes Los seres vivos coordinan la regulación de la expresión genética a través de sistemas de señalización complejos. Las hormonas son mensajeros químicos que median las señales intercelulares. Hormonas peptídicas Hormas proteicas Cadenas cortas de amino ácidos. Cadenas largas de amino ácidos. Hormonas esteroideas Derivadas del colesterol.
Regulación por hormonas esteroideas Las hormonas esteroides son moléculas pequeñas derivados de colesterol solubles en lípidos. Debido a su naturaleza lipídica, tienen poco o ningún problema para pasar a través de las membranas celulares. Receptores a estrógenos, progesterona, testosterona Receptores a glucocorticoides (cortisona, hidrocortisona, dexametasona) Receptores a a cido retinoico, y Vitamina D
Regulación de la expresión génica por hormonas esteroideas La hormona interactúa con un receptor dentro de su célula blanco. En este ejemplo, el receptor se encuentra en el citoplasma (receptor nuclear tipo I), otros receptores de hormonas esteroides se encuentran en el núcleo (receptor nuclear tipo II). 1. Las hormonas esteroideas entran a la célula blanco y se unen con un receptor, el complejo del receptor de esteroides/hormona se mueve hacia el núcleo. 2. El complejo hormona/receptor de esteroides se une al elemento de respuesta a hormona en el DNA. 3. La unión del complejo estimula la transcripción. 4. El mrna transcrito es procesado y transportado al citoplasma. 5. El mrna es traducido a proteínas. Principles of Genetics 6th Edition, D. Peter Snustad Michael J. Simmons 2012
Receptor a Glucocorticoides (GR) Receptor a Glucocorticoides (GR) El ligando que estimula (cortisol) es liposoluble y entra a la célula. El GR se encuentra en complejo inactivo con Hsp y es liberado por el ligando. Entra a núcleo donde se dimeriza y actúa sobre sus elementos de respuesta estimulando la transcripción de genes específicos.
Regulación por hormonas peptídicas Las hormonas peptídicas y las hormonas proteicas son péptidos o proteínas que tienen un efecto sobre el sistema endocrino de los animales. Las hormonas peptídicas son solubles en agua y actúan en la superficie de las células diana a través de segundos mensajeros, para transmitir el mensaje a través de las membranas plasmáticas de las células blanco para regular la expresión de genes en el núcleo.
Regulación de la expresión génica por hormonas peptídicas 1. La hormona (una señal extracelular) se unen a un receptor en la membrana de la célula blanco. 2. El complejo hormona/receptor activa una proteína citoplasmática. 3. La proteína citoplasmática activada desencadena una cascada de cambios que transmiten la señal en el núcleo. 4. La señal induce que un factor de transcripción se una al DNA. 5. El factor de transcripción unido al DNA estimula la transcripción de genes particulares. 6. El mrna transcrito es procesado y transportado al citoplasma. 7. El mrna es traducido a proteínas. Principles of Genetics 6th Edition, D. Peter Snustad Michael J. Simmons 2012
Regulación de la expresión génica por hormonas peptídicas
Regulación de la expresión por RNAs El RNA no es sólo funcional como un mensajero entre el DNA y las proteínas, también participa en la regulación de la expresión génica.
Regulación por sirnas Presencia de RNA de doble cadena (por virus, RNA anti- sentido, etc.) Se generan sirnas de 21 nt por corte con DICER Se forma RISC cargado con sirna y varias proteínas incluyendo ARGONAUTA RISC dirige el sirna a su mrna blanco con el cual forma complementariedad PERFECTA y promueve el corte y degradación de este mrna Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Regulación por mirnas Los mirnas se transcriben por la RNA polimerasa II como transcritos primarios y son procesados por DROSHA en el núcleo Luego son exportados al citoplasma y son cortados por DICER a tamaño de 21 nt Los mirnas son tomados por RISC con ARGONAUTA y son dirigidos a sus mrna blanco con los cuales muestran complementariedad IMPERFECTA generalmente en sus regiones 3 UTR RISC cargado con mirnas dirige la inhibición traduccional de los mrnas blanco Watson et al., (2014) Molecular Biology of the Gene, 7th edition.
Control transcripcional Control post-transcripcional Control transporte del mrna Control traduccional Resumen Factores de transcripción Grado de condensación de la cromatina Grado de metilación del ADN Splicing alternativo Capping Poliadenilación Mecanismos que determinan si el mrna maduro sale o no a citosol Mecanismos que determinan si el mrna presente en el citosol es o no traducido Control de la degradación del mrna Control de la actividad proteica Mecanismos que determinan la supervivencia del mrna en el citosol Mecanismos que determinan la activación o desactivación de una proteína, así como el tiempo de supervivencia de la misma