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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