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TEMA 6 (10 horas)
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA
Características generales de la regulación genética en procariotas y
eucariotas. Niveles de la regulación.
Regulación de la expresión genética en procariotas.
1. El modelo del operón de Jacob y Monod. Elementos integrantes del
operón: genes estructurales, operador, promotor, genes reguladores,
moléculas reguladoras.
2. Inducción y represión. Regulación positiva y regulación negativa. El
operón lactosa.
Regulación de la expresión genética en eucariotas.
1. Niveles de regulación.
2. Regulación a nivel transcripcional. RNA polimerasa I, II y III.
Factores de transcripción. Promotores. Potenciadores.
3. Regulación por modificaciones post transcripcionales.
4. Regulación a nivel traduccional.
Genética teoría
Tema 6
Regulación Genética
• Los sistemas procariotas y eucariotas
• La transcripción
• Control de la expresión genética en procariotas
• El operón lactosa
• Sistemas de control positivo y negativo
• El operón triptófano
Toma de agua contaminada
Ambiente ácido del estómago
Vibrio cholerae
Bacterias en el agua contaminada
• Paso de sobrevivientes al
intestino delgado
• Penetración de la mucosa
intestinal: proteasas y flagelina
• Adherencia al epitelio intestinal:
proteínas de virulencia, toxina
Diarrea producto de la fuga de Cl-,
deshidratación y muerte
Organismos unicelulares
• Contacto directo con el ambiente externo
• Capacidad de respuesta a cambios en el ambiente con cambios
en la expresión genética
Los procariotas regulan la expresión genética mediante:
La activación, el incremento, la disminución y la prevención de
la transcripción
Regulación negativa: bloquea
Regulación positiva: activa
Expresión genética
ADN
ARN
TRANSCRIPCIÓN
PROTEINAS
TRADUCCION
Organización del genoma refleja los mecanismos de control
en ambos sistemas procariotas y eucariotas
• Empaquetamiento del ADN
• Organización de los genes: monocistrónicos vs policistrónicos
presencia de intrones y exones
• Compartamentalización : núcleo y citoplasma
• Tipos de ARN polimerasas: Tres en eucariotas
La transcripción: pasos en el proceso
Cada paso puede ser un punto de control
Procariotas
Iniciación
Elongación
ADN
desenrrollado
Promotor
Terminación
Dependiente de Rho
Promotor
o
ARNm
desprendido de
la polimerasa
Terminación
Independiente de Rho
Asa señala
liberación
del ARNm
Procariotas
Traducción se inicia antes que la transcripción termine
Existen señales diferentes de inicio y terminación
para cada proceso
El nivel más importante de control es la
iniciación de la transcripción
Interacción directa de proteínas y ADN:
Reconocimiento del promotor por la ARN polimerasa
Transcripción
Traducción inmediata
Proteína
naciente
Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa
Unión de proteínas regulatorias a regiones específicas del ADN
controla la transcripción:
Lactosa
Periplasma
Inhibición de la actividad de la ARN polimerasa:
regulación negativa
Membrana
interna
Permeasa
Permeasa
Incremento de la actividad de la ARN polimerasa:
regulación positiva
Interior de la célula
Lactosa Inductor
Inducción
• Permeasa
• β - galactosidasa
1000 X
β-Galactosidada
Galactosa
Lactosa
Glucosa
Inductores
Alolactosa
Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa
Ventajas
• Cultivos de gran número de células
genes no esenciales
mutantes Lac–
• Mapeo del mutante por conjugación Hfr y complementación
• Capacidad de medir niveles de expresión de las enzimas
Sustratos químicos o-nitrofenil galactosido ONPG
y X-gal
Pruebas de complementación y mapeo determinaron:
Tres genes agrupados
lacZ : β-galactosidasa
lacY : Permeasa
lacA :Transacetilasa
lacI : Represor
lacZ lacY
lacA
Mutaciones en lacI eran constitutivas
Un cuarto gen Las mutaciones lacI - eran constitutivas
lacI : Represor La β-galactosidasa y la permeasa siempre presentes
Hfr
FX
lacI+ lacZ+
lacI- lacZ-
Medio sin lactosa
Arthur Pardee
Jacob
Jacques Monod
El experimento
PaJaMo
Cantidades relativas de síntesis de β –galactosidasa
en la receptora F – mutante lacI – lacZ –
¿Había un regulador negativo que impedía la expresión en la ausencia del inductor?
Al añadir el inductor, lactosa continua
la síntesis de β-galactosidasa
Sin inductor al expresarse lac I+ se
produce el represor y cesa la
síntesis de β-galactosidasa
Genes lacI+ lacZ+
entran en F- por
conjugación
Sínteisis de
β-galactosidasa inmediatamente
de la transferencia
El gen lacZ+ se expresa
Tiempo (horas)
Propusieron al represor como elemento regulador
Mutaciones en lacI
Represor normal
Represor mutante
lacI
Represor
mutante
Represor
normal
lacI
Represor normal
Represor mutante superrepresor
lacI
Inductor
puede unirse
al represor
lacI
El complejo
represor/inductor
no se une al
operador:
TRANSCRIPCION
No inducible
es constitutiva
No puede unirse al
operador
La enzima es constitutiva
Se une al operador
Las enzimas no se
sintetizan
+
–
S
mutante
El inductor no se une al
represor y el represor se
une al operador aun en
presencia del inductor:
NO HAY
TRANSCRIPCION
S
No inducible
Super reprimida
Análisis estructural del represor
N- terminal
Dominio de unión
al ADN
Mutaciones lacI -
Dominio de unión al inductor
Mutaciones lacI S
C- terminal
El represor es una
proteína alostérica:
cambia su confirmación
de manera reversible al
interactuar con otras
moléculas
Propusieron otro elemento regulador en el ADN: el operador
Otras mutaciones constitutivas que mapean en lacO: lacOC
Operador mutante OC
Cambio en la secuencia de nucleótidos
El represor no reconoce ni se une al operador,
Las enzimas del operon lac se sintetizan
constitutivamente
Mutaciones en el operador: son constitutivas
¿Cómo distinguir las mutaciones constitutivas en
el represor y en el operador?
Elementos regulatorios CIS y Trans: ADN y proteínas
Uso de merozigotos F’ para definir interacción alélica: dominancia/recesividad
Bacteria lacI - O + lacZ +
F´
lacI + O + lacZ -
¿Sistema inducible?
SI
El producto lacI + difunde y
es dominante sobre lacI –
El represor difunde,
actúa en trans
Elementos regulatorios CIS y Trans: ADN y proteínas
Uso de merozigotos F’ para definir interacción alélica: dominancia/recesividad
Bacteria lacI + O + lacZ +
F´
lacI S O + lacZ -
¿Sistema inducible?
No, está super reprimido
El producto lacI S difunde y
es dominante sobre lacI +
El represor difunde,
actúa en trans
Elementos regulatorios CIS y Trans: ADN y proteínas
Bacteria lacI + O C lacZ +
F´
lacI + O + lacZ -
¿Sistema inducible?
NO
El producto lacI + difunde y es
dominante pero no puede
actuar en el operador mutante
el operador actúa CIS
sobre lacZ +
En general los productos génicos (proteínas) difundibles que se unen a un
blanco de ADN, actúan en trans y el alelo dominante cubre toda la función
Los genes de acción cis solo afectan a los genes contíguos, generalmente
se altera el sitio de unión en el ADN y no una proteína
La teoría del operón
Unidad de organización genética que permite la regulación simultánea de genes
estructurales generalmente relacionados en respuesta a cambios ambientales
Inducción
Los actores
Gen
represor
Promotor
Genes estructurales
Operador
Represor +
inductor
No se une
al operador y se
expresan Z, Y y A
Represión
No hay lactosa en la célula
El represor está unido al operador
Los genes Z, Y y A no se expresan
La ARN
polimerasa
inicia la
transcrición
porque el
promotor
está
accesible