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• Marleni Rivera Castromonte

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Regulación de la expresión génica en procariotas Biología molecular II - 2016

MSc. Milagros Quintana Cáceda

Diferencias entre transcripción procariota y eucariota

• ARNm monocistrónico • Transcripción y procesamiento

•

acoplados Múltiples niveles de regulación

• ARNm policistrónico • Transcripción y traducción acopladas • Regulación principalmente a nivel transcripción (represión/activación)

Diferencias en la síntesis de proteínas entre procariotas y eucariotas

Regulación de la expresión génica procariota  

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Por adaptación a las necesidades ambientales. Es un principio de economía celular

Procariotas tienen vías catabólicas para diversos azúcares, si todas se expresaran habría un enorme gasto energético Enzimas capaces de introducir cada azúcar y enzimas capaces de romperlos Mucho más económico para la célula producir solo las enzimas necesarias en cada momento Es esencial un mecanismo de regulación de la expresión génica, de manera que los genes se expresen cuando sea necesario. El cambio en la expresión ocurre en pocos minutos

Sistemas de regulación  Encender y apagar ciertos genes o grupos de genes  Mecanismo sensor que determine que enzimas se necesitan en cada momento (y que genes deben ser expresados)  Activación y desactivación del sistema en el tiempo

Operón  Unidad genética funcional formada por un grupo o complejo de genes capaces de ejercer una regulación de su propia expresión por medio de los sustratos con los que interaccionan las proteínas codificadas por sus genes.  Las proteínas (de genes estructurales) son generalmente enzimas que participan en las vías metabólicas cuya expresión es regulada por factores de control (regiones regulatorias):  Promotor: controla inicio de la transcripción del operón por la afinidad a la ARN pol. Inmediatamente antes de los genes estructurales  Operador: zona de control que permite la activación o desactivación del promotor ("interruptor génico“). Tiene secuencias reconocibles por proteínas reguladoras. Por plegamientos 3D de las proteínas reguladoras interacciona con el promotor, pues las proteínas que se unieron contactan con la ARN pol aumentando o disminuyendo su afinidad por el promotor, dando lugar a la expresión o No se trate de "varios genes" de expresión coordinada, el operón es represión de los genes estructurales. Se ubica entre un único gen que codifica un ARNm policistrónico (codones de inicio promotor y los genes estructurales y término que darán proteínas independientes)  Gen regulador: codifica para la proteína reguladora que  Inductor: Sustrato o compuesto cuya reconoce la secuencia del operador. Cerca de los genes presencia o ausencia induce la expresión del estructurales pero no inmediatamente al lado. resto de los genes que conforman el operón. Proteína reguladora: Represora o Activadora Activador o Co-represor.

Clasificación de los operones De acuerdo a su regulación

 Inducible: es el que en condiciones normales no se expresa, se activa en respuesta a un agente inductor que funciona como Activador, en el momento que el inductor se une al operador, se activa el promotor y comienza la transcripción de los genes estructurales.  Represible: es el que en condiciones normales sí expresa las proteínas estructurales aún en ausencia de inductor, en respuesta a un agente represor se activan. El inductor funciona como represor y se une al operador, inhibiendo el funcionamiento del promotor y la transcripción de los genes estructurales.  Constitutivos: es el operón que siempre se expresa, y por lo tanto no están regulados ni por inductores ni por represores.

Inducción

Represión

Control positivo y control negativo 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 mientras 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 . Tanto la represión como la inducción son ejemplos de control negativo , dado que la proteína represora detiene (turn off ) la transcripción.

Modelo Operón  El modelo operón de la regulación de los genes procariotas fue propuesto por Francois Jacob y Jacques Monod en 1961  Jacob, Monod y col. analizaron el sistema de la lactosa en E. coli y los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias .  Jacob y Monod recibieron en 1965 el Premio Nobel

Operón lactosa  Los genes del metabolismo de la glucosa se expresan de forma continua en E.coli  El metabolismo de otros azúcares como fuentes energéticas está regulado, es inducible.  Operón lac, es un sistema inducible.  La proteína reguladora, producto del gen regulador, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor.  El inductor es la lactosa  En presencia de lactosa se expresan las enzimas que la degradan.

Operón lac Con inductor

Sin inductor

 Cuando hay lactosa en el medio (intestinos de  Cuando no hay lactosa en el medio, la un mamífero durante la lactancia), el inductor se proteína represora se encuentra unida al une al represor cambiando su forma lo que evita operador impidiendo la transcripción de que se pueda unir al operador y ARN pol puede los genes de las enzimas que metabolizan transcribir los genes correspondientes la lactosa.

Operón lac La lactosa estimula el aumento de 1000X de la expresión de 3 proteínas:  B- galactosidasa (lacZ): Hidroliza la lactosa en glucosa y galactosa Alolactosa (Inductor)  Permeasa (lacY): transporta lactosa a través de la membrana  Transacetilasa (lac A): Función no conocida

Operón

Estudio de la regulación Mediante el efecto de mutaciones en los distintos elementos del operón

Control positivo

Secuencia del operón lac de E. coli

Regulación del operón lac

Operón Triptófano  

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Sistema represible Codifica 5 enzimas de la síntesis del W Cuando un producto del metabolismo, el triptófano por ejemplo, está en cantidades suficientes la bacteria puede dejar de fabricar las enzimas que los sintetizan. En este sistema, el producto funciona como co-represor uniéndose al represor y de este modo detiene la síntesis proteica. El W actúa como co-represor

Operón Triptófano Con co-represor

 Cuando el W está presente las enzimas no se transcriben, el represor está activo.

Sin co-represor

 Cuando W está ausente las enzimas si se transcriben, represor inactivo

Operón Triptófano  Enzimas de la síntesis del W  Los genes estructurales del operón W se encuentran en el mismo orden que actúan las productos codificados por ellos en la ruta biosintética del triptófano

Regulación por atenuación 

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Yanofsky aisló el ARNm del operón W y secuenció la región del ext. 5´ encontrando una región líder o guía de 160 bases que no se traduce. Esta secuencia se encuentra antes del primer triplete que se transcribe (antes de los codones de los genes estructurales) Cuando analizó la secuencia correspondiente a un mutante del gen trpR (codifica la proteína represora) que siempre produce niveles máximos de W, detectó una deleción de 30 bases de la posición 130 a la 160. Llamó atenuador a la región del ADN inactivada por la deleción, pues la presencia de dicha región conduce aparentemente a disminuir la tasa de transcripción

 Utilizando mutantes trpR- comprobó que en presencia de altos niveles de W, que deberían hacer que la región atenuadora redujera en 10 veces la tasa de transcripción, se seguían transcribiendo las primeras 141 bases de la región líder del ARNm, aunque el ARNm de longitud normal solo aparecía a un nivel 10 veces menor.  En altos niveles de W las primeras 141 bases se transcriben al máximo, pero por el mecanismo de atenuación que tiene lugar en esa región, solamente uno de cada 10 ARNm se transcribe hasta el final.

Por consiguiente, la región atenuadora actúa como una región terminadora de la transcripción en presencia de W, mientras que en ausencia de W el atenuador se desactiva y todas las moléculas de ARNm se completan. En la atenuación, la transcripción se inicia pero no se completa

Organización de la región líder/atenuador 

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El sistema incluye la transcripción y la traducción como procesos consecutivos e inmediatos. Según se va dando la transcripción, el ARNm va siendo traducido por un ribosoma. La región líder tiene 4 secuencias y se caracteriza por tener una sede de reconocimiento para los ribosomas y los codones de 14 aas (entre ellos 2W) y regiones que puede formar una estructura secundaria palindrómica en forma de lazo u horquilla La secuencia 1 codifica al péptido líder o guía Las secuencias 3 y 4 forman la secuencia atenuadora, su contenido permite formación de una horquilla que impide la continuación de la transcripción.

Regulación por atenuación 

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Cuando los niveles de W son altos, la traducción de la primera parte de la región líder impide la transcripción más allá de la estructura secundaria. El péptido líder (secuencia 1) se traduce completo y mientras el ribosoma va traduciendo la secuencia 2, se transcribe la secuencia atenuadora y se forma la horquilla entre las secuencias 3 y 4 que impide la acción de la ARN pol, interrumpiendo la transcripción Cuando los niveles de W son bajos disminuye o cesa la traducción del péptido líder permitiendo que la ARN pol transcriba el operón completo. El péptido guía no puede formarse pues el ribosoma al llegar a los (2) codones W se detiene dejando así a la secuencia 2 libre el tiempo suficiente para que se transcriba la secuencia 3 y entre ambas formen una horquilla que a diferencia de la formada por la secuencia 3 y 4 no impide la unión de la ARN pol permitiendo la expresión de los genes estructurales

Modelo de atenuación Los ribosomas que traducen la región líder promueven la aparición/desaparición de la estructura secundaria que permitirá el reconocimiento de esta región por el factor ρ de terminación.

Ausencia de W

Presencia de W

Secuencia de aa de los atenuadores (péptidos líder)de operones de E.coli

 La regulación por atenuación tiene lugar en otros operones bacterianos relacionados con la síntesis de aas, ya que en todos los casos el segmento inicial del polipéptido transcrito es rico en el aa que controla dicho operón.  Cuando hay poca cantidad del aa correspondiente la traducción del péptido líder se detiene en los codones correspondientes al mismo el tiempo suficiente para que se formen las estructuras secundarias que permiten que la ARN polimerasa pueda continuar con la transcripción.