Regulación Génica en procariotas · la expresión de los genes, actúa como un represor....
39
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS
Transcript of Regulación Génica en procariotas · la expresión de los genes, actúa como un represor....
REGULACIÓN DE LA
EXPRESIÓN GÉNICA EN
PROCARIOTAS
ADN
replicación
transcripción traducción
Flujo de la Información Genética
Dogma central
Proteína ARN
En los organismos pluricelulares existe una clara
diferenciación celular y reparto de funciones, que dan lugar
a la formación de distintos tejidos y órganos. Es claro que en
cada uno de ellos se están expresando distintos grupos de
genes.
Regulación de la Expresión Génica
Las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares,
también necesitan regular la expresión de sus genes,
adaptándola a las necesidades ambientales.
Regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de
los azúcares. Glucosa Lactosa Arabinosa
Regulación de la Expresión Génica
MODELO
GENÉTICO DEL
OPERÓN
SISTEMA DE
LA LACTOSA
EN E. COLI,
1965 PREMIO NOBEL
Francois Jacob Jacques Monod
ES UN GRUPO DE GENES ESTRUCTURALES, CUYA EXPRESIÓN ESTÁ
REGULADA POR LOS MISMOS ELEMENTOS DE CONTROL (PROMOTOR Y
OPERADOR), Y GENES REGULADORES. ES UNA UNIDAD GENÉTICA DE
EXPRESIÓN COORDINADA.
OPERÓN
MONOCISTRÓNICO : en eucariontes los mensajeros suelen ser
monocistrónicos, es decir, corresponden a la transcripción de un
solo gen estructural.
POLICISTRÓNICO : los ARN mensajeros de bacterias suelen ser
policistrónicos. En el caso del Operón lactosa los tres genes
estructurales se transcriben juntos en un mismo ARNm.
Sistemas inducibles: el sustrato sobre el que va a actuar la
enzima provoca la síntesis de la enzima. Al efecto del sustrato se lo
denomina inducción positiva. Al compuesto que desencadena la
síntesis de la enzima se lo denomina Inductor. Los sistemas
inducibles se corresponden a procesos catabólicos de degradación,
Sistemas represibles: el producto final de la reacción que cataliza
la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el
nombre de inducción negativa. Al compuesto que impide la
síntesis de la enzima se lo denomina correpresor. Los sistemas
represibles se corresponden con procesos de síntesis o anabólicos
Control positivo: Se dice que un sistema está bajo control
positivo cuando el producto del gen regulador activa la expresión
de los genes, actúa como un activador.
Control negativo: se dice que un sistema está bajo control
negativo cuando el producto del gen regulador reprime o impide
la expresión de los genes, actúa como un represor.
Regulación de la Expresión Génica
El Operón Lactosa, es un sistema inducible que está bajo
control negativo: la proteína represora, producto del gen
regulador I, es un represor que impide la expresión de los
genes estructurales en ausencia del inductor (lactosa).
control positivo: existe otra proteína (CAP) que estimula la
transcripción de los genes estructurales.
Tipo 1: Inducible, control negativo (operón lactosa y operón
galactosa)
Tipo 2: Inducible, control positivo (operón arabinosa y operón
maltosa)
Tipo 3: Represible, control negativo (operón triptofano y operón
histidina)
Regulación de la Expresión Génica
Ele
me
nto
s d
el
Op
eró
n
Elementos de Control Promotor
Operador
Moléculas Difusibles
Proteínas Reguladoras
Efectores
Inductores
Genes Estructurales Codifican Polipéptidos
Gen Regulador Codifica la Proteína
Represora
OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO
OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO
Mutante
genes
estrucutrales
Los primeros mutantes que fueron aislados afectaban a los
genes estructurales (z, y, a). Los mutantes en estos genes dan
lugar a alteraciones en la estructura de las enzimas.
• Mutante Z-
• Mutante Y-
• Mutante A-
Mutante IS Afecta al gen de la proteína represora modificando la región
de la proteína encargada de unirse al inductor . La proteína
represora mutante se une al operador pero no es capaz de
reconocer al inductor . Se trata de un mutante que está
siempre reprimido en el que no se expresan los genes
estructurales. SUPERREPRESOR
Mutante del
Promotor
Estos mutantes presentan una alteración en la secuencia de
la región promotora, como consecuencia la ARN-polimerasa no
reconoce la secuencia promotora y, por consiguiente, no se
produce la transcripción de los genes estructurales.
Un mejor conocimiento del funcionamiento del Operón Lac fue
posible gracias a la obtención de mutantes que afectaban a los
genes estructurales, a los elementos de control (promotor y
operador) y al gen regulador.
Mutantes constitutivos Son aquellos en los que siempre se expresan o transcriben los genes del
operón lactosa, independientemente de si está o no presente el inductor
Mutante I -
Altera la estructura de la proteína represora de manera que ya
no es capaz de unirse a la región operadora. Se produce la
transcripción de los genes estructurales en ausencia de inductor
(lactosa).
Mutante OC
Alteración en la secuencia del Operador, que tiene como
consecuencia que la proteína reguladora ya no sea capaz de
unirse al operador. De esta manera la región promotora queda
asequible para la ARN polimerasa y se produce la transcripción
de los genes estructurales en ausencia de inductor (lactosa).
Mutante IQ
Mutación en el promotor del gen regulador que codifica para la
proteína represora (iQ). No aparece proteína represora y, por
tanto, siempre se están expresando los genes estructurales,
tanto en ausencia como en presencia del inductor.
Cepas
Expresión de los genes estructurales del
Operón lactosa
Ausencia de inductor
(Sin lactosa)
Presencia de inductor
(Con lactosa)
Genotipo
A+ B+ C+ - +
A- B+ C+ - -
A+ B- C+ + +
A+ B+ C- + +
Análisis de la Expresión Génica
TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN
LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O
MEROCIGOTOS.
Los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico circular
o lineal que se replican y transcriben independientes del ADN
cromosómico.
Están presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones
en organismos eucariotas como las levaduras.
Su tamaño varía desde 3 a 10 kb. El número de plásmidos puede
variar, dependiendo de su tipo, desde una sola copia hasta algunos
cientos por célula.
TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN
LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O
MEROCIGOTOS.
Las moléculas de ADN plasmídico, adoptan una conformación tipo
doble hélice al igual que el ADN de los cromosomas, sin embargo no
tienen proteínas asociadas.
En general, no contienen información esencial, sino que confieren
diferentes ventajas al hospedador. Ej: plásmidos que contienen
genes de resistencia a un determinado antibiótico (el plásmido
únicamente supondrá una ventaja en presencia de ese antibiótico).
Resistencia a
Ampicilina
TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN
LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O
MEROCIGOTOS.
ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN CIS
ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN TRANS
Diploides parciales
Expresión de los genes estructurales del
Operón lactosa
Ausencia de inductor
(Sin lactosa)
Presencia de inductor
(Con lactosa)
Genotipo z+ y+ a+ z+ y+ a+
i+ P O z+y+a+/ i+ P OC z+y+a+ SI SI SI SI SI SI
i+P O z+y+a+/ i- P O z+y+a+ NO NO NO SI SI SI
Análisis de la Expresión Génica en Diploides
Parciales
Cepas
Expresión de los genes estructurales del
Operón lactosa
Ausencia de inductor
(Sin lactosa)
Presencia de inductor
(Con lactosa)
Genotipo
A+ B+ C+ - +
A- B+ C+ - -
A+ B- C+ + +
A+ B+ C- + +
A+ B- C+ / F´A- B+ C+ - +
A+ B+ C+ / F´A+ B+ C- + +
Análisis de la Expresión Génica
OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO
Algunos operones bacterianos poseen promotores
débiles que requieren proteínas auxiliares
activadoras. La transcripción no ocurre (o en todo caso
ocurre a un nivel basal bajo), a no ser que la proteína
activadora se una a zonas del
ADN cercanas al promotor.
Cuando la bacteria E. coli
crece en un medio que
contiene glucosa, prefiere
este azúcar como fuente de
energía y como consecuencia
los operones que producen
las enzimas necesarias para
obtener energía de otros
azúcares están bloqueados
“represión catabólica”.
OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO
Glucosa Adenilato Ciclasa
INACTIVA
ATP AMPc
OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO
Glucosa Adenilato Ciclasa
ACTIVA
ATP AMPc
OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO
En Enterobacterias, este mecanismo se puede hacer extensivo a otros
operones correspondientes al catabolismo de otras fuentes de C más
pobres que la glucosa.
Mientras exista glucosa en el ambiente ésta será usada en primer
lugar, de modo que mientras se metaboliza está operando el fenómeno
de "represión catabólica".
Pero una vez agotada, y
suponiendo que exista
una fuente alternativa de
C, ésta pasará a ser
usada, gracias a la
activación genética
mediada por el complejo
CAP-AMPc.
OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO
Para que el Operón lac pueda transcribirse con un
máximo rendimiento requiere que se cumplan dos
condiciones simultáneamente:
No debe haber en el medio una fuente más rica de
azúcar, como la glucosa (que libera la "represión
catabólica" por el mecanismo de regulación positiva a
través de CAP)
Debe existir el inductor exógeno (la lactosa), que
inactiva el mecanismo de regulación negativa.
OPERÓN TRIPTOFANO
Sistema represible: el producto final de la reacción que
cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este
fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al
compuesto que impide la síntesis de la enzima se lo
denomina Correpresor (Triptofano). Los sistemas
represibles se corresponden con procesos de síntesis o
anabólicos.
Control negativo: se dice que un sistema está bajo control
negativo cuando el producto del gen regulador reprime o
impide la expresión de los genes, actúa como un represor.
Regulación de la Expresión Génica
Operón Triptofano
Regulación de la Expresión Génica
Ele
me
nto
s
de
l
Op
eró
n Elementos de Control
Promotor
Operador
Correpresor Triptofano
Genes Estructurales Codifican Polipéptidos
Gen Regulador Codifica la Proteína
Represora
Regulación de la Expresión Génica
Operón Triptofano
Orden de los genes estructurales y ruta de síntesis del Operón Triptofano
in
OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO
OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO
Operón Triptofano: Regulación por
Atenuación
La atenuación es un mecanismo de control que se da en
ciertos operones de rutas biosintéticas (sobre todo de
aminoácidos), por el cual la transcripción puede terminar
prematuramente en una zona denominada atenuador, antes
de alcanzar al primer gen estructural de ese operón.
Operón Triptofano: Regulación por
Atenuación
Estructura secundaria de la región líder
Operón Triptofano: Regulación por
Atenuación
Operón Triptofano: Regulación por
Atenuación
Regulación por Atenuación
La atenuación es un sistema de control genético de
una amplia variedad de operones biosintéticos,
especialmente de aminoácidos.
En todos los casos el segmento inicial del polipéptido
transcripto es rico en el aminoácido que controla dicho
operón. (Otros ejemplos descubiertos operón his: síntesis
de histidina; operón phe: síntesis de fenilalanina;
operón leu: síntesis de leucina; etc)
Algunos de estos operones sólo poseen atenuación como
mecanismo de control, mientras que otros poseen
además regulación por represión.
La atenuación es un mecanismo que permite detectar
los bajos niveles intracelulares del aminoácido en
cuestión (bajo la forma de aminoacil-ARNt), los cuales
dependen a su vez de bajos niveles del aminoácido en el
medio.
