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ESTRUCTURA Y
REGULACIÓN GÉNICA
Muchos factores, un objetivo
› Armonía estructural, equilibrio celular
› Adaptación a condiciones ambientales
cambiantes (organismos unicelulares)
› Diferenciación celular
Objetivos de la regulación a nivel celular
› Integración de las actividades celulares
de diferentes tejidos, órganos y sistemas
› Respuesta coordinada y adaptación a
cambios ambientales
› Desarrollo
Objetivos de la coordinación a nivel de organismo
No todos los genes se expresan simultáneamente
ni al mismo nivel
Genes constitutivos: se expresan al mismo nivel
independientemente de las condiciones
ambientales
Genes regulados: se expresan a distintos niveles
(o no se expresan) dependiendo de las
condiciones
Genes constitutivos y genes regulados
Regulación de la expresión génica
MATERIAL GENÉTICO PROCARIONTE
El cromosoma procariota es un filamento simple, continuo
(circular) de ADN de cadena doble, con una anchura de 2
nanómetros.
En Escherichia coli contiene 4,7 millones de pares de bases y
cuando se extiende completamente alcanza una longitud de 1
milímetro.
Una célula de E. coli mide menos de 2 micrómetros, por lo que el
cromosoma es una 500 veces mayor que la misma célula.
Dentro de la célula, el cromosoma se halla plegado formando
una masa irregular llamada nucleoide.
DNA extra nuclear Moléculas de DNA circular también se
encuentran en las mitocondrias de
numerosas células eucariontes y en
los cloroplastos de las plantas.
MATERIAL GENÉTICO EUCARIONTE
En eucariontes el material genético consiste en moléculas
lineales de DNA no ramificadas, de diferente longitud
pudiendo llegar a ser extremadamente largas (megabases)
las que se encuentran unidas a un grupo de proteínas
básicas llamadas histonas.
Este complejo formado por el DNA y las proteínas recibe el
nombre de cromatina.
Estructura génica
Organización de los genes en el DNA
La organización de los genes en el DNA presenta
bastantes diferencias en procariontes y eucariontes.
Ejemplo:
serie de enzimas que sintetizan el aminoácido triptófano
Bacterias Levaduras
Codificadas en secuencias continuas
Genes ubicados en cromosomas distintos
Bajo una misma región reguladora
Region reguladora en cada cromosoma
Procariontes Eucariontes
Actividad 1. Modelo de splicing diferencial en
el gen de la inmunoglobulina
• Infórmate sobre el rol de los linfocitos B y el papel que juegan los anticuerpos en la respuesta inmune
• Analiza el siguiente esquema, en el que la secuencia del lado izquierdo corresponde a la de un linfocito B no activado y la de la derecha a un linfocito activado por un antígeno. Interpreta ambos procesos
• Especula sobre la posibilidad que esta organización en exones pueda generar diversidad en los genes, ya sea durante la evolución o durante el desarrollo (la recombinación génica en linfocitos genera diversidad en los genes de inmunoglobulinas y de los receptores de linfocitos T).
Regulación génica
Organización de los genes procariontes
En el ADN procarionte los genes que codifican
proteínas relacionadas funcionalmente se
encuentran agrupados en regiones que funcionan
como una unidad que se transcribe desde un sitio
único y genera un ARNm codificante de numerosas
proteínas.
Cada sección del ARN mensajero representa una
unidad (gen) que instruye al aparato de síntesis de
proteína para la construcción de una proteína
particular.
Este arreglo de genes en serie,
funcionalmente relacionados, se llama operón,
porque actúa como una unidad con un solo sitio de
inicio de la transcripción para varios genes.
OPERON
MODELO OPERÓN
Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli,
de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el
modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la
regulación de la expresión génica en bacterias. Jacob y Monod recibieron
en 1965 el Premio Nobel pos estas investigaciones
Francois Jacob
Jacques Monod
E. coli crece en el medio cuando hay glucosa. Pero
sino la hay y si hay lactosa, crece con lactosa.
Jacob y Monod comprobaron que cuando en el medio
había lactosa aumentaba la concentración
intracelular de beta-galactosidasas, además se
producían dos proteínas: permeasa que introduce la
lactosa en el interior de la bacteria y la transacetilasa.
Beta galactosidasas
Lactosa galactosa + glucosa.
Operón lac
Forma de unión de un represor
Operón lac. La transcripción es inducida por la eliminación
del represor, generada a su vez por el inductor lactosa
Operón triptófano. La transcripción es
reprimida por la unión del represor
Sistemas inducibles y represibles
• Sistemas inducibles: cuando el sustrato sobre el que va actuar la enzima provoca la síntesis del enzima. Al efecto del sustrato se le denomina inducción positiva.
Ej. Lactosa Inductor
• Sistemas represibles: cuando el producto final de
la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa
Ej. Triptófano Correpresor
Transcripción activada por la unión del complejo
CRP-AMPc al promotor
Relaciones entre el control positivo y negativo del
operón lac
Regulación de la expresión
génica en eucariotas
NIVELES DE COMPLEJIDAD
Niveles de regulación de la
expresión génica
ADN
Transcritos
primarios
de ADN ARNm ARNm
ARNm inactivo
Proteína
Proteína inactiva
NÚCLEO CITOPLASMA
1. Control
transcripcional
2. Control del
procesamiento
del ARN
3. Control del
transporte del
ARN
4. Control
traduccional
6. Control de la
actividad proteica
5. Control de la
degradación de
los ARNm
FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN
1. Las secuencias codificantes ocupan sólo un 2% del genoma humano, sin embargo el 5-10% del proteoma está constituido por factores que regulan la transcripción.
2. Número de factores de transcripción:
Levadura: aproximadamente 300 (1 por cada 20 genes).
C. elegans (nemátodo): acerca de 1000.
Drosophila melanogaster: acerca de 1000.
Humano: al menos 3000 (1 por cada 10 genes).
Ubicación de las secuencias promotoras en
procariontes y eucariontes
Control transcripcional: conceptos básicos
• Promotor: Secuencia de nucleótidos del ADN en la que se
une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción
• Caja TATA: Secuencia unos 30 pares de bases arriba del
sitio de inicio de la transcripción
• Elemento promotor ascendente (UPE): Secuencia de 8-12
pares de bases, a corta distancia arriba del sitio de unión
para ARN polimerasa
• Elemento intensificador o facilitador: Secuencia a miles
de bases del promotor que es capaz de aumentar la rapidez
de la transcripción
Promotor:
TATA box
Iniciación de la transcripción en eucariontes
La RNA polimerasa
eucarionte require otras
proteínas (factores de
transcripción generales)
para iniciar la
transcripción
ARN polimerasa eucarionte:
estructura general
ARN polimerasa eucarionte: sitios
de unión principales
Sitio de la ARN polimerasa
destinado a unirse con el ADN Sitio de unión del ADN,
ubicación del ADN y el ARN
transcrito
La iniciación de la transcripción en eucariotas requiere:
•Factores de transcripción generales que se unen al promotor
•Factores de transcripción reguladores activadores
(mayoritariamente) o represores, que se unen a secuencias
intensificadoras o silenciadoras que pueden actuar a gran
distancia y en cualquier orientación.
•Estas controlan la estructura de la cromatina y la tasa de
transcripción reguladores
SISTEMA DE REGULACION GENICA EN EUCARIONTES
ARMADO:
Elementos potenciadores
(enhancer) y silenciadores
Formación de complejos entre proteínas
regulatorias de la transcripción (activadores o
represores) y regiones reguladoras
Los 4 motivos con que los factores de
transcripción se unen al ADN
Mecanismo de activación de un represor mediante
la presencia de un metabolito (triptófano)
Mecanismos de interacción entre factores
de transcripción
Ejemplo de coordinación de la expresión génica
Regulación epigenética (heredable)
Metilación de citosina en islas CpG e Imprinting
Regulación epigenética (heredable)
Acetilación-desacetilación de histonas
Algunos genes expresan sólo el alelo paterno o sólo el
alelo materno, pero no ambos. El otro alelo es reprimido
1.Exclusión alélica independiente del origen
cromosómico (al azar)
a) Exclusión alélica por Inactivación del cromosoma X
b) Exclusión alélica por reordenamiento programado del DNA (ej.
inmunoglobulinas)
c) Exclusión alélica por mecanismos desconocidos (ej. receptores olfativos)
2.Exclusión alélica dependiente del origen
cromosómico: imprinting genómico (impronta)
Exclusión alélica
(expresión selectiva de uno de los alelos)
Señalización celular
Señalización celular: vías de “entrada” de la señal en la célula
Percepción de la señal: unión a receptores
de membrana o intracelulares
Posibles tipos de receptores de membrana
Principales rutas de transducción de señales
Segundos mensajeros
Cascadas de proteín quinasas
Cascadas de proteín quinasas
Segundos mensajeros: AMPc
Segundos mensajeros: Ca2+
Segundos mensajeros: IP3 y diacilglicerol
Los segundos mensajeros pueden activar rutas de quinasas
Los segundos mensajeros pueden inducir otros
segundos mensajeros
Las distintas rutas de percepción y transducción de señales están
interconectadas
Coordinación a nivel de organismo
Sistema neuroendocrino de animales
Sistema neuroendocrino de animales
Eje hipotálamo-hipófisis
Mecanismo de actuación hormonal
Hormonas peptídicas
Mecanismo de actuación hormonal
Hormonas esteroideas
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