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Tema 10. Control de la expresión
génica
Genética CC. Mar 2004-05
Objetivos
• Estudiar el funcionamiento del control
de la expresión génica en procariotas:
operones
• Regulación transcripcional y no
transcripcional en eucariotas
• Introducción a la genética del desarrollo
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Genes regulados y constitutivos
• Adaptación al medio ambiente => habilidad de
activar e inactivar genes como respuesta a señales
extracelulares
• Producción de tipos específicos de proteínas cuando
y dónde se necesite.
Genes regulados o adaptativos: genes cuya actividad
está controlada en respuesta a las necesidades de una
célula u organismo.
Genes constitutivos o “housekeeping”: genes que
siempre permanecen activos, independientemente de
las condiciones del medio.
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Sistemas inducibles y represibles en
procariotas
• Sistemas inducibles: un inductor activa la
expresión génica. Catabolismo (degradación de
lactosa, maltosa).
• Sistemas represibles: un represor reprime la
expresión génica. Metabolismo (síntesis de
triptófano, histidina).
• Control positivo: el producto del gen regulador
activa la expresión de los genes.
• Control negativo: el producto del gen regulador
reprime o impide la expresión de los genes
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Operones
•Operón: grupo de genes estructurales cuya expresión está
regulada por los mismos elementos de control (promotor y
operador) y por genes reguladores:
– Genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata de
los genes cuya expresión está regulada. Se transcriben juntos en un
mRNA poligénico.
– Promotor: secuencia de DNA reconocida por la ARN polimerasa para
el comienzo de la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de
los genes estructurales
– Operador: secuencia de ADN reconocida por la proteína reguladora.
Se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales
– Gen regulador: codifica la proteína reguladora que reconoce la
secuencia del operador. Está cerca de los genes estructurales del
operón pero no inmediatamente al lado.
– Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Se une a
la región del operador.
– Inductor: compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.
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Uso de lactosa por E. coli
• En E. coli, si la fuente de carbono es únicamente
lactosa (glucosa + galactosa), tres enzimas van a ser
sintetizados rápidamente para metabolizar la lactosa
– !-galactosidasa: rompe la lactosa en glucosa y galactosa,
pudiendo además transformar lactosa en alolactosa
– Lactosa permeasa: proteína de membrana que transporta
lactosa en la célula
– Transacetilasa: función desconocida
• En ausencia de lactosa en el medio hay ~3 moléculas
de !-galactosidasa. En presencia de lactosa está
cantidad puede aumentar hasta 3000.
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Operón lactosa (lac)
Org anización d el op erón lac
• Sistema inducible bajo control negativo.
• Genes estructurales: lacZ+ (!-galactosidasa), lacY+
(lactosa permeasa) y lacA+ (transacetilasa).
• Operador lacO+.
• Gen regulador lacI+: separado, se expresa de de
forma constitutiva, pero débilmente, y codifica una
proteína represora.
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Operón lac en ausencia de lactosa
Op erón lac en ausencia d e lactosa
• En ausencia de lactosa, la proteína represora se une al
operador: la RNA polimerasa puede unirse al
promotor pero no es capaz de iniciar la transcripción.
• Las pocas moléculas de enzima que se producen lo
hacen aprovechando las constantes uniones y
desuniones del represor.
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Operón lac en presencia de lactosa
Op erón lac en
p resencia d e
lactosa
• Única fuente de carbono es lactosa
• Lactosa -- !-galactosidasa --> alolactosa.
• La alolactosa se une al represor, modificando su
conformación. Éste pierde su afinidad por el operador.
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Operón triptófano (trp)
• Sistema represible bajo
control negativo.
• Genes estructurales:
trpE, trpD, trpC, trpB,
trpA. Biosíntesis de
triptófano.
• Gen regulador (trpR):
proteína aporrepresora
• Región líder (trpL):
incluye un sitio
atenuador (att)
• Dos mecanismos de
regulación:
Org anización d el op erón trp
– interacción represoroperador.
– longitud de los
tránscritos.
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Operón trp en presencia/asuencia de
triptófano
• trpR => proteína aporrepresora: represor que no se
puede unir al operador por sí sola.
• El tritptófano es el efector: interactúa con el
aporrepresor y lo convierte en un represor activo.
• El represor activo se une operador e impide la
transcripción de los genes estructurales.
• Esta represión puede reducir unas 70 veces la tasa de
transcripción de estos genes.
• Cuando no hay triptófano en el medio los genes trp se
expresan al máximo nivel
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Atenuación del operón trp
Estructura d e la reg ión líd er d el mRNA en el op erón trp d e E. coli
• La atenuación controla la
proporción de transcritos
completos e incompletos
que terminan en el
atenuador
• La región líder del mRNA
contiene 4 regiones
complementarias que
pueden aparearse y
plegarse. Antes del codón
de terminación hay dos
codones de Trp.
• Las regiones 1 y 2 de la región líder del mRNA se emparejan justo
después de ser sintetizadas formando una estructura secundaria que
paraliza temporalmente la RNA polimerasa (señal de pausa) y le permite
al ribosoma acoplarse al mRNA de forma que comienza a traducir justo
detrás de la RNA polimerasa
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Atenuación en ausencia de trp
Atenuación d el op erón trp en E. coli: ausencia d e Trp
• Poco Trp => poco tRNA.trp => el ribosoma se para en los codones de Trp
• El ribosoma cubre la región 1; no hay señal de pausa 1-2
• Se produce el apareamiento 2-3, que es una señal de antiterminación, ya
que evita que se forma la señal de terminación (3-4)
• Los genes estructurales se transcriben
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Atenuación en presencia de trp
Atenuación d el op erón trp en E. coli: p resencia d e Trp
• Suficiente Trp => suficiente tRNA.trp => el ribosoma llega al codón de
terminación
• El ribosoma cubre la región 2; no hay señal de antiterminación 2-3
• Se produce el apareamiento 3-4, que es una señal de terminación
• Los genes estructurales no se transcriben
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Regulación génica en eucariotas
• La regulación de la expresión
génica puede producirse a cortoplazo, como respuesta a cambios
en el ambiente, o a largo plazo,
durante la diferenciación y el
desarrollo
• En eucariotas la regulación de la
expresión génica es complicada
–
–
–
–
–
–
Transcripción
Procesamiento del mRNA
Transporte del mRNA
Traducción
Procesamiento de las proteínas
Degradación del mRNA
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Control de la transcripción: factores
de regulación
Reg ulación p ositiva y neg ativa d e la transcrip ción
• Control positivo y negativo.
• Los factores de regulación cis están físicamente
relacionados con la secuencia de DNA que regulan,
mientras que los factores trans no están físicamente
anclados a su diana.
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Control de la transcripción:
promotores e intensificadores
• Los genes codificantes de eucariotas contienen elementos
promotores e intensificadores
• Algunos elementos de los promotores, como la caja
TATA, son necesarios para especificar dónde comienza la
transcripción (promotores basales).
• Otros elementos de los promotores controlan sí la
transcripción se produce o no (promotores proximales)
• Los intensificadores y represores regulan los niveles de
expresión
• Proteínas regulatorias específicas se unen a estas regiones
para activar o reprimir, o para intensificar, la transcripción
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Control de la transcripción: factores
de transcripción
• Los factores de transcripción
son proteínas se unen a
activadores o a elementos
proximales de los
promotores para regular la
transcripción (de forma trans).
• En general presentan dos
dominios, uno de unión al
DNA y otro de unión a
proteínas (p.e., dedos de
zinc), que es el que
influencia la transcripción.
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Cambios cromosómicos y control
transcripcional
• La regiones cromosómicas que se están transcribiendo
presentan una estructura de la cromatina más relajada
• Las histonas pueden a su vez actuar como represores
de la transcripción: los nucleosomas alrededor de
elementos de un promotor (por ejemplo, caja TATA)
impiden que las proteínas reguladores o los factores
de transcripción se unan a estos elementos
• Es posible que las proteínas activadoras se unan a los
intensificadores desplazando las histona y
“rompiendo” los nucleosomas: la caja TATA queda
expuesta a las factores de transcripción.
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Metilación y control transcripcional
• Después de la replicación, algunas citosinas
son metiladas por la DNA metilasa para dar
lugar a 5-metilcitosina (5mC).
• En mamíferos, un 3% de las citosinas están
metiladas, y el 90% de las 5mC se encuentran
en la secuencia CG. En Drosophila o
Tetrahymena casi no hay 5mC.
• Parece ser que existe una correlación negativa
entre metilación y transcripción en algunos
casos, aunque no se sabe si es causa o efecto.
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Regulación hormonal
• Las hormonas son
moléculas efectoras
producidas por una
célula, y que causan
una respuesta
fisiológica en otras
células
• Determinados tipos de
células presentan
determinados tipos de
receptores para
determinados tipos de
hormonas.
Mecanismos d e acción d e hormonas p olip ep tíd icas y esteroid eas
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Proteínas inducidas por hormonas
esteroides
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Acción de los esteroides
• Los genes regulados por
esteroides específica presentan
una secuencia de DNA común
a la que se une el complejo
esteroide-receptor,
denominadas elementos de
respuesta a las hormonas
esteroides (HREs)
• Los HREs se encuentran, a
menudo en copias múltiples, en
regiones intensificadoras.
• Dependiendo de la presencia
de otras proteínas regulatorias,
los HREs pueden activar genes
diferentes en distintos tipos de
células.
Mod elo d e acción d e una hormona g lucocorticoid e en células d e mamíferos.
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Procesamiento del RNA:
poliadenilación y splicing alternativo
• Este tipo de control regula
la producción de
moléculas de RNA
maduras a partir de
precursores
• La poliadenilación
alternativa puede resultar
en la producción de
moléculas de pre-mRNA
diferentes (p.e., calcitonina)
P oliad enilación y sp licing alternativos d el g en humano d e la calcitonina
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Determinación del sexo en Drosophila
• El corte y empalme
alternativo desempeña
un pape crucial en la
determinación del sexo
en Drosophila
• En Drosophila el sexo
está determinado por la
proporción cromosoma
X : autosoma (A)
Cascad a
reg ulatoria d e
d eterminación
d el sexo en
Drosoph ila.
– Si X:A " 1, hembra
– Si X:A # 0.5,s macho
– Si 1 > X:A > 0.5, “intersex”
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Control del transporte del mRNA
• Varios experimentos parecen demostrar que
quizás la mitad de los transcritos primarios de
genes codificantes nunca llegan a abandonar
el núcleo
• Modelo de retención por el spliceosoma
– El spliceosoma previene el transporte nuclear,
retiene el RNA inmaduro en el núcleo hasta que
todos los intrones han sido eliminados
– El mRNA maduro con la caperuza 5’ (que parece
desempeñar un importante papel) interacciona con
los poros nucleares y abandona el núcleo.
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Control de la traducción
• Las moléculas de mRNA son sometidas a un
control traduccional a través de la selección
de mRNAs por parte de los ribosomas
• Los mRNA citoplasmáticos podrían asociarse
con proteínas que los protegen de la
degradación y previenen su traducción.
• La cola poli(A) podría estar implicada en este
tipo de control: los mRNA inactivos
almacenados suelen tener colas poli(A) más
cortas que los mRNAs activos.
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Control de la degradación del mRNA
Estab ilid ad d e mRNAs en resp uesta la p resencia d e moléculas efectoras
• Los tRNA y rRNA son bastante estables.
• Los mRNAs pueden durar de minutos a meses, como
respuesta a diversas señales de regulación.
• Mecanismo importante, aunque desconocido.
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Control de la degradación de
proteínas
• La vida media de las proteínas es un control
post-traduccional de la expresión génica.
• En eucariotas la proteolisis parece requerir el
factor proteico ubiquitina, que se une a las
proteínas “marcándolas” para su degradación.
• La regla del N-terminal predice que la vida
media de una proteína depende del
aminoácido N-terminal.
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Genética del desarrollo
• Los eucariotas complejos presentan muchos tipos de células,
tejidos y órganos con funciones especializadas, pero con un único
genoma.
• El desarrollo es el proceso de crecimiento regulado que resulta de
las interacciones del genoma con el citoplasma y el ambiente
celular externo, y que involucra una secuencia programada de
eventos fenotípicos a nivel celular, de forma típicamente
irreversible.
• La diferenciación implica la formación de diferentes tipos de
células, tejidos y órganos a través del proceso de regulación
específica de la expresión génica; las células diferenciadas
presentan propiedades estructurales y funcionales características.
• Los procesos de desarrollo y diferenciación son el resultado de un
patrón programado de activación e inactivación génica.
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Actividad genómica en eucariotas
Organismo
Homo sapiens
Rattus norvegicus
Mus musculus
Drosophila melanogaster
Arabidopsis thaliana
Caenorhabditis elegans
Saccharomyces cerevisiae
Escherichia coli
H. influenzae
Tamaño estimado
(millón de bases)
2900
Número estimado de
genes
~30000
Densidad
(1 gen cada x bases)
100000
Número de
cromosomas
46
2750
2500
180
125
~30000
~30000
13600
25500
100000
100000
9000
4000
42
40
8
5
97
12
19100
6300
5000
2000
6
16
4.7
1.8
3200
1700
1400
1000
1
1
• Un 20-40% del DNA de eucariotas multicelulares es altamente repetitivo; el
resto es moderadamente repetitivo o de copia única.
• Se cree que tan sólo un 1.5% del genoma humano es codificante/
• En erizos de mar, en cualquier momento un máximo del 6% de las
secuencias únicas se está transcribiendo.
• La función del DNA que no se transcribe es eucariotas multicelulares podría
ser “DNA basura” acumulado durante la evolución, o podría desempeñar
funciones regulatorias todavía por determinar.
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Constancia del genoma durante el
desarollo
• La clonación de la oveja Dolly
demostró que las célula
somáticas poseen toda la
información genética necesaria
para producir un desarrollo
completo desde el comienzo.
• El núcleo celular es totipotente
Clonación d e la oveja Dolly
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Actividad genética diferencial entre
tejidos y durante el desarrollo
• En humanos, se producen diferentes
tipos de hemoglobinas a lo largo del
desarrollo:
– hemoglobina embrionaria (2$ + 2% )
en el saco vitelino.
– hemoglobina fetal (2& + 2') en
hígado y al bazo.
Síntesis d e g lob ina d urante el d esarrollo humano
– hemoglobina adulta (2& + 2!; 1/40
son 2& + 2() en la médula espinal.
• Los genes de las globinas se sitúan en
los cromosomas en orden
cronológico.
Genes humanos d e la g lob ina
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Inmunogenes
Molécula d e inmunog lob ulina G (Ig G)
• Cuándo un antígeno las activa,
los linfocitos B se producen
anticuerpos, que consisten
proteínas especializadas
denominadas inmunoglobulinas.
• 2 cadenas pesadas (H) idénticas y
2 cadenas ligeras (L) idénticas.
• Regiones variables (VH y VL) y
regiones conservadas (CH y CL).
• Los mamíferos (IgA, IgD, IgE, IgG
e IgM) presentan 106-108
anticuerpos distintos, originados
por recombinación somática.
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Recombinación de la cadena ligera
P rod ucción d e la cad ena lig era * en ratón p or
recomb inación d e los seg mentos g énicos V, J,
y C d urante el d esarrollo. El reord enamiento
q ue se muestra es uno d e muchos p osib les.
• En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos que
codifican partes de la cadena ligera: 350 L-V* (L es una secuencia líder), 4
segmentos J* de unión y 1 segmento C*
• Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmento
particular L-V* se asocia con un segmento particular J* y con el
segmento C*
• Así, se pueden producir 350 ) 4 ) 1 = 1400 cadenas ligeras * diferentes.
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Recombinación de la cadena pesada
P rod ucción d e g enes d e la cad ena p esad a en
ratón p or recomb inación d e los seg mentos
g énicos V, D, J, y C d urante el d esarrollo p ara
d ar lug ar a Ig G. Dep end iend o d el seg mento
CH usad o, el anticuerp o resultante es Ig M,
Ig D, Ig E o Ig A. El reord enamiento q ue se
muestra es uno d e muchos p osib les.
•
•
•
En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos que codifican
partes de la cadena pesada: 500 L-VH, 12 segmentos D, 4 segmentos JH de
unión y 5 segmentos CH para las IgM, IgD, IgG, IgE e IgA.
Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmento particular
L-VH se asocia con un segmento particular D, con otro JH y con un segmento CH
que especifica el tipo de Ig.
De esta forma, se pueden producir 500 ) 12 ) 4 = 24000 cadenas pesadas
diferentes, y por lo tanto 24000 ) 1400 (cadenas ligeras *) = 33600000
moléculas de anticuerpo.
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Genética del desarrollo en
Drosophila
• Gradientes en los ejes posterioranterior y dorsal-ventral en el
huevo.
• Subsiguiente determinación de
regiones en el embrión que se
corresponden directamente con
segmentos del cuerpo del adulto.
• En Drosophila hay tres clases
principales de genes del desarrollo
– genes de efectos maternos:
especifican los gradientes en el
huevo
– genes de segmentación:
determinan los segmentos del
embrión y del adulto
– genes homeóticos: especifican la
identidad de los segmentos.
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Genes de efectos maternos y de
segmentación
• Los genes de efectos maternos bicoid, nanos y torso
regulan la formación de las estructuras anterior,
posterior y terminal, respectivamente.
– La proteína BICOID se acumula en la parte anterior del
huevo y la NANOS en la posterior. La proteína TORSO se
distribuye homogéneamente, pero sólo será activada en las
partes terminales.
• Los genes de segmentación se dividen en tres clases:
– Los genes gap dividen embrión en grandes regiones.
– A continuación los genes de la regla de pares dividen el
embrión en un número de regiones, cada una de las cuales
contiene un par de parasegmentos.
– Finalmente los genes de polaridad del segmento se expresan
para determinar las regiones que se corresponderán con los
segmentos en el embrión y en el adulto.
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Genes homeóticos (Hox)
•
•
•
•
Comp lejo bith orax
Determinan la identidad de cada
segmento con respecto la parte corporal a
la que darán lugar en el adulto.
Los mutantes homeóticos provocan que
un segmento se desarrolle en una parte
corporal diferente de la normalmente
especificada.
Comparten secuencias similares de unos
180 pb que se denominan homebox, que
dan lugar a homeodominios proteicos
capaces de unirse al DNA. Estas
secuencias suelen estar muy conservadas
también han sido observadas en otros
organismos.
Los genes homeóticos aparecen en todos
los fila animales, a excepción de esponjas y
cnidarios.
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Mutaciones homeóticas
Mutaciones an ten n apedia
Mutaciones bith orax
• El complejo Antennapedia agrupa varios genes que determinan la identidad
anterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.
• El complejo Bithorax agrupa varios genes que determinan la identidad
posterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.
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