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Cap 8
Control of Gene
Expression
JA Cardé, PhD
Universidad Adventista
Alberts et al.
Objetivos
• Discusión de las principales formas de
control de expresión genética
• Comparación de expresión genética en
procariotas y eucariotas
Expresión Genética
• Mecanismos y procesos a través de los
cuales la información almacenada en el
DNA está disponible y es utilizada en la
síntesis de mRNA y posteriormente de
proteínas.
• Regulación de expresión diferencial del
genoma.
08_01_same.genome.jpg
En que se parecen y/o se
diferencian estas dos células?
-Mismo genoma
-Diferente patrón de expresión
-Diferenciación
-Expresión diferencial
Diferenciación vs Totipotencialidad
08_02_genetic.instruc.jpg
Diferenciación vs Totipotencialidad
Genes:
Tejido específicos
Housekeeping
Gene Expression: Control levels
Transcripcional:
-Principal punto de control
-Es el principal intermediario
-Genes on/off
-Proteínas que se pegan a
secuencias reguladoras, otras
q no son el promotor
-Zurco mayor
08_04_gene.reg.prot.jpg
Homeodominios
08_05_binding motifs.jpg
Zinc fingers
Leucine Zipper
DNA recognition structures of some transcription factors
Fig. 15-17
Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.
University of Puerto Rico
Intercampus Doctoral Program in Biology
E2- Mechanism of Action
From Geneka Biotechnology
http://www.biolynx.ca/active.html
Operon de Triptofano
Ejemplo clásico de control y regulación de expresión en base a la
necesidad de alimentos (cambios en ambiente)
08_06_single.promot.jpg
-5 genes para 5 proteinas en un mRNA (policistrónico)
-transcripción y traducción simultánea
-No triptófano – operón se enciende
-Si triptófano – operón se apaga
Operon de Triptófano - Como opera?
- Operador:
- Represor alostérico
- Triptófano?
08_07_repress.protein.jpg
Represores vs Activadores
08_08_activator.prot.jpg
Represor activo: reprime genes
- Se pega al promotor
Activador activo: activa genes
-Se pegan a la pol y la estimulan
-Ambas son alostéricas
Ej: CAP – activador
- Dependiente de cAMP
-[cAMP ] aumenta cuando no hay
glucosa, para que se metabolicen
otra azucares
Operón de Lactosa
- Un activador y un represor controlan el operon de Lactosa
- Un promotor controlado por dos reguladores de transcripción:
- Lac operon controlado por;
- lac represor y CAP activador
- Codifica proteinas para importar y metabolizar lactosa
- En ausencia de glucosa:
- cAMP aumenta y se ativan los genes regulados por CAP
- CAP prende los genes para lactosa , pero si esta lactosa presente;
sino para q los necesita seria perder esfuerzo
- Lac represor los apaga cuando no hay lactosa
- El operon es expresado cuando se dan dos condiciones:
- Lactosa presente y glucosa ausente
- Si no estan LAS DOS, no epera
08_09_lac operon.jpg
Regulación en Eucariotas
- Reguladores de transcripción controlan la expresión a la distancia
- Usan activadores y represores pero estos se unen a regiones
conocidas como enhancers… aumentaban la expresión
dramáticametne
- Lo hacen a miles de bp y tanto upstream como dowstream COMO?
- El módelo sugiere un loop del DNA trayendo cerca del promotor y del
complejo de iniciación la región donde esta el regulador
- Activadores y mediadores facilitan el ensamblaje del complejo de
iniciación o lo sabotean
- Tambien atraen proteínas que modulan estructura de la cromatina
afectando la accesibilidad de promotor a los factores y la polimerasa
08_13_gene.activation.jpg
Promotores en
nucleosomas, como los
liberamos?
08_14_chromatin.struc.jpg
-acetilaciones de lisinas
-deacetilaciones
-remodelacion
Mecanismos moleculares de diferenciación
- Procariotas – cambios reguladores son rapidos y no se guardan
- Eucariotas – cambios son lentos y permanentes para varias
generaciones (tejidos multicelulares)
Memoria celular – requisito para crear un organimos
diferenciado
- Eucariotas regulan por combinación de proteínas
- Un grupo de factores determinan la expresión de un gen
- En otras palabras
- Un gen puede ser controlado por un conjunto o combinación de
factores
- El resultado será la sumatoria de todos los factores
Eucariotas: Proteinas reguladoras, cambios lentos y permanentes:
control combinado – varios factores  gen
08_15_Reg. proteins.jpg
-memoria celular de tejidos
-control combinatorial
-sumatoria de activadores y represores
HOW WE KNOW?
08_16_anterior_posteri.jpg
HOW WE KNOW?
08_17_4.gene.reg.prot.jpg
HOW WE KNOW?
08_18_reporter.gene.jpg
HOW WE KNOW?
08_19_eve.stripe.2.jpg
Control combinado: un factor varios genes - HRE
08_20_coord.expressio.jpg
Control combinado puede
generar distintos tipos de
celulas
Fibroblastos:
-convertidos miocitos por
MyoD
-provocando distintas
diferenciaciones
-mioblasto + mioblasto =
miocito
-actina, miosina, canales de
Ca+2 y Na+… se expresan
por MyoD en mioblastos
fusionados
-fibroblastos + MyoD =?
MyoD:
-Regulador de
transcripción “musclespecific”… meaning?
-Fibroblastos son
inducidos a mioblastos por
expresión artificial de
MyoD y este induce
expresión diferencial del
genoma para músculo
-Fibroblastos y mioblastos
salen del mismo origen
embrionario
-Otras celulas no se
diferencian en mio..
08_21_Fibroblasts.jpg
Distintas combinaciones de
factores producen distintas
celulas.
- Factores reguladores
distintos se acumulan
08_22_cell.types.jpg
Como se hereda la diferenciacion; Memoria celular
08_23_cell.memory.jpg
Feedback ____________
Propagacion de una patron de condensacion de la cromatina
Metilación del DNA (Citosinas) - metiltransferasas
Reguladores de transcripción dirigen organogenesis!
08_25_eye.on.leg.jpg
La formacion de un organo completo activada por un solo regulador
transcripcional (Ey/Pax): Cascada de factores y feedback + en Ey
Controles Post-transcripcionales: Riboswitches
Riboswitches – secuencias de RNA q cambian conformacion al
unirse a metabolitos y moleculas peq y asi regulan expresion
- tipicos de bacterias, responden a metabolitos y activan
genes segun se necesitan
- económicos por que no necesitan proteinas
Controles Post-transcripcionales:UTRs
- Una vez el mRNA existe un
punto de control importante es la
iniciacion de la traduccion
- Procariotas: tienen una RBS
upstream el AUG, donde la subU
pequena se aparea y acomoda el
AUG para iniciar
- Bloquear esta region con
Represores es una forma de
control
- Eucariotas: tienen el Cap en el 5’
que guia al ribosoma hasta el
primer AUG. Represores se
asocian al 5’UTR bloqueando el
paso del ribosoma hacia el AUG
Controles Post-transcripcionales: microRNAs
- Una vez el mRNA existe un punto de control importante es la
iniciacion de la traduccion
- Procariotas: tienen una RBS upstream el AUG, donde la subU
pequena se aparea y acomoda el AUG para iniciar
- Bloquear esta region con Represores es una forma de control
- Eucariotas: tienen el Cap en el 5’ que guia al ribosoma hasta el
primer AUG. Represores se asocian al 5’UTR bloqueando el paso
del ribosoma hacia el AUG
Controles Post-transcripcionales:micro RNAs
-miRNA – tipo de RNA no codificante en plantas y animales
- humanos mas de 400 miRNAs
- regulan mas de 1/3 de los genes estructurales
- por complementaridad, regulan estabilidad y traducción
- precursor, procesado a miRNA
- asociado a proteinas forma RNA induced silencing complex
-RISC, se mueven por el citoplasma buscando sus mRNA
complementarios, se les pega en los UTRs y propicia su
degradacion
miRNAs:
pre-Drosha-Dicer-RISC
Controles Post-transcripcionales: RNAi
-RNAi – para destruccion de RNAs DS ajenos
- son las mismas que llevan miRNAs sirven de sistema
inmmune
- RNAs DS? = viruses y retrotansposones
- Cuando estos DS RNA entran DICER los reconoce (nucleasa)
- los degrada en fragmentos de 23 ncltds (siRNAs)
- estos se incorporan a RISC que degrada una de las strands
- RISC busca el mRNA con la otra cadena para degradarlo
- conservados desde hongos hasta invertebrados, plantas
Aplicacion:
- usarlo para apagar genes y ver efectos y determinar funcion
- usarla para apagar genes defectuosos o fuera de control
siRNA
RNAi Therapy