Regulación de la expresión génica en eucariontes Campbell

LECTURE PRESENTATIONS For CAMPBELL BIOLOGY, NINTH EDITION

Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson

© 2011 Pearson Education, Inc.

Lectures by Erin Barley

Kathleen Fitzpatrick

Regulation of Gene Expression

http://grade-11-biology-bethune.wikispaces.com/file/view/dna-music.gif/272242764/188x218/dna-music.gif

Traducción libre por América Castañeda S. Enero 2013.

Regulación de la expresión génica en eucariontes

Conduciendo la Orquesta Genética

•  Los procariontes y eucariontes modifican la expresión génica en respuesta a los cambios ambientales.

•  En los organismos eucariontes multicelulares, la

expresión génica regula el desarrollo y es responsible de los diferentes tipos celulares.

•  Las moléculas de RNA juegan muchos roles en la

regulación de la expresión génica en eucariontes.


La expresión génica en eucariontes está regulada en muchos estados.

•  Todos los organismos deben regular qué genes se expresan en un tiempo determinado.

•  En los organismos multicelulares la regulación de

la expresión génica es esencial para la especialización de las células.


Figure 18.6 Signal

NUCLEUS Chromatin

Chromatin modification: DNA unpacking involving histone acetylation and

DNA demethylation DNA

Gene

Gene available for transcription

RNA Exon Primary transcript

Transcription

Intron RNA processing

Cap Tail

mRNA in nucleus

Transport to cytoplasm

CYTOPLASM mRNA in cytoplasm

Translation Degradation of mRNA

Polypeptide Protein processing, such

as cleavage and chemical modification

Active protein Degradation

of protein Transport to cellular

destination

Cellular function (such as enzymatic activity, structural support)

Figure 18.6a Signal

NUCLEUS Chromatin

Chromatin modification: DNA unpacking involving histone acetylation and

DNA demethylation DNA

Gene

Gene available for transcription

RNA Exon Primary transcript

Transcription

Intron RNA processing

Cap Tail

mRNA in nucleus

Transport to cytoplasm

CYTOPLASM

Figure 18.6b CYTOPLASM

mRNA in cytoplasm

Translation Degradation of mRNA

Polypeptide Protein processing, such

as cleavage and chemical modification

Active protein Degradation

of protein Transport to cellular

destination

Cellular function (such as enzymatic activity, structural support)

Regulación de la estructura de la cromatina

•  Los genes con alto grado de compactación en la heterocromatina, usualmente no se expresan.

•  Las modificaciones químicas de las histonas y de la cromatina tienen gran influencia en la estructura y expresión génica.


Modificaciones de las histonas

•  En la acetilación de las histonas, los grupos acetilo se unen a las lisinas cargadas positivamente en las colas de las histonas.

•  Esto relaja la estructura de la cromatina, promoviendo así la iniciación de la transcripción.

•  La adición de grupos metilo (metilación) puede

condensar la cromatina, la adición de grupos fosfato (fosforilación) próximos a un aminoácido metilado puede aflojar la cromatina


Figure 18.7

Amino acids available for chemical modification

Histone tails

DNA double helix

Nucleosome (end view)

(a) Histone tails protrude outward from a nucleosome

Unacetylated histones Acetylated histones (b) Acetylation of histone tails promotes loose chromatin

structure that permits transcription

•  La hipótesis “código de histonas” propone que las combinaciones específicas de las modificaciones, así como el orden en que se producen, ayudan a determinar la configuración de la cromatina y e incfluencían la transcripción


Metilación del DNA

•  Metilación del DNA, la adición de grupos metilo a ciertas bases en el DNA, está asociada con la reducción de la transcripción en algunas especies.

•  La metilación del DNA puede provocar a largo plazo la inactivación de genes en la diferenciación celular.

•  En la impronta genómica, la metilación regula la expresión de cualquiera de los alelos maternos y paternos de ciertos genes en el inicio del desarrollo.


Herencia epigenética

•  Aunque las modificaciones de la cromatina no alteran la secuencia de ADN, estas modificaciones pueden ser transmitidas a futuras generaciones de células.

•  La herencia de rasgos transmitidos por mecanismos que no están directamente relacionados con la secuencia de nucleótidos se denomina herencia epigenética


Regulación de la iniciación de la trancripción

•  Las enzimas modificadoras de la cromatina proporcionan un control inicial de la expresión génica haciendo una región de DNA más o menos accesible a la maquinaria de la transcripción


Organización de un típico gen eucarionte

•  Asociados con la mayoría de los genes eucariontes existen múltiples elementos de control, segmentos de DNA no codificantes que sirven como sitios de unión para factores de transcripción ayudan a regular la transcripción.

•  Los elementos de control y los factores de transcripción, son críticos para la regulación precisa de la expresión de genes en diferentes tipos celulares


Figure 18.8-3

Enhancer (distal control

elements) DNA

Upstream Promoter

Proximal control

elements Transcription

start site Exon Intron Exon Exon Intron

Poly-A signal

sequence Transcription termination

region

Downstream Poly-A signal

Exon Intron Exon Exon Intron

Transcription

Cleaved 3ʹ′ end of primary transcript

5ʹ′ Primary RNA transcript (pre-mRNA)

Intron RNA

RNA processing

mRNA

Coding segment

5ʹ′ Cap 5ʹ′ UTR Start

codon Stop

codon 3ʹ′ UTR

3ʹ′

Poly-A tail

P P P G AAA ⋅⋅⋅ AAA

UTR untranslated region

El papel de los Factores de Transcripción

•  Para iniciar la transcripción, la RNA polimerasa eucarionte requiere de la ayuda de las proteínas denominadas factores de transcripción

•  Los factores de transcripción son esenciales para la transcripción de todos los genes que codifican proteínas

•  En eucariontes, los altos niveles de transcripción de ciertos genes dependen de la interacción de los elementos de control con factores de transcripción específicos


•  Los elementos proximales de control están situados cerca del promotor

•  Los elementos distales de control, algunas

agrupaciones de los cuales son llamados potenciadores (enhancers), pueden estar muy lejos de un gen o incluso localizados en un intrón.

Enhancers Factores de Transcripción específicos


•  Un activador es una proteína que se une a un potenciador y estimula la transcripción de un gen.

•  Los activadores tienen dos dominios, uno que se

une al DNA y un segundo que activa la transcripción

•  La unión de los activadores facilita una secuencia

de interacciones proteína-proteína que dan como resultado la transcripción de un gen dado


Animation: Initiation of Transcription

Figure 18.9

DNA

Activation domain

DNA-binding domain

•  Algunos factores de transcripción funcionan como represores, inhibiendo la expresión de un gen particular mediante una variedad de métodos.

•  Algunos activadores y represores actúan

indirectamente al influir en la estructura de la cromatina para promover o silenciar la transcripción


Activators DNA

Enhancer Distal control element

Promoter Gene

TATA box General transcription factors

DNA- bending protein

Group of mediator proteins

RNA polymerase II

RNA polymerase II

RNA synthesis Transcription initiation complex

Figure 18.10-3

Control combinatorial de la activación génica

•  Una combinación particular de elementos de control puede activar la transcripción sólo cuando las proteínas activadoras apropiadas están presentes.

Figure 18.11

Control elements

Enhancer Promoter

Albumin gene

Crystallin gene

LIVER CELL NUCLEUS

Available activators

Albumin gene expressed

Crystallin gene not expressed

(a) Liver cell

LENS CELL NUCLEUS


Albumin gene not expressed

Crystallin gene expressed

(b) Lens cell

Control elements

Enhancer Promoter

Albumin gene

Crystallin gene

LIVER CELL NUCLEUS


Albumin gene expressed

Crystallin gene not expressed

(a) Liver cell

Figure 18.11a

Control elements

Enhancer Promoter

Albumin gene

Crystallin gene

LENS CELL NUCLEUS


Albumin gene not expressed

Crystallin gene expressed

(b) Lens cell

Figure 18.11b

Control coordinado de los genes en eucariontes

•  A diferencia de los genes del operón en procariontes, cada uno de los genes co-expresados en ecurationtes tienen un promotor y elementos de control.

•  Estos genes pueden estar dispersos en cromosomas diferentes, pero cada uno tiene la misma combinación de elementos de control

•  Las copias de los activadores reconocen elementos de control específicos y promovueven la transcripción simultánea de los genes


Arquitectura nuclear y expresión génica

•  Los bucles de cromatina se extienden desde los cromosomas individuales hacia sitios específicos en el núcleo

•  Los bucles de diferentes cromosomas pueden congregarse en sitios particulares, algunos de los cuales son ricos en factores de transcripción y RNA polimerasas

•  Éstas, pueden ser áreas especializadas para una función común


Figure 18.12

Chromosome territory

Chromosomes in the interphase nucleus

Chromatin loop

Transcription factory

10 µm

Figure 18.12a

Chromosomes in the interphase nucleus

10 µm

Mecanismos de regulación Post-Transcripcional

•  Los mecanismos de regulación pueden operar en varias etapas después de la transcripción.

•  Tales mecanismos permiten a la célula ajustar rápidamente la expresión génica en respuesta a cambios ambientales.


Procesamiento del RNA

•  En el splicing alternativo del RNA las alternativas de empalme del RNA, llevan a que diferentes moléculas de RNAm se puedan producir a partir del mismo transcrito primario, dependiendo de qué segmentos de ARN son tratados como exones y cuáles como intrones


Animation: RNA Processing

Exons

DNA

Troponin T gene

Primary RNA transcript

RNA splicing

or mRNA

1

1

1 1

2

2

2 2

3

3

3

4

4

4

5

5

5 5

Figure 18.13

Degradación del mRNA

•  El lapso de vida de las moléculas de RNAm en el citoplasma son un factor clave para determinar la síntesis de proteínas

•  El mRNA de los eucariontes tiene mayor duración que el de los procariontes.

•  Las secuencias de nucleótidos que influyen en la vida útil del ARNm en eucariotas residen en la región no traducida (UTR untranslated region) en el extremo 3 ʹ′ de la molécula


Animation: mRNA Degradation

Iniciación de la Traducción

•  La iniciación de la traducción de los mRNAs puede ser bloqueada por proteínas reguladoras que se unen a secuencias o estructuras del mRNA.

•  Alternativamente, la traducción de todos los

mRNAs en una célula puede ser regulada simultáneamente.


Animation: Blocking Translation

Iniciación de la Traducción

•  Por ejemplo, los factores de

iniciación de la traducción se activan simultáneamente en un óvulo después de la a fertilización


Animation: Blocking Translation

Procesamiento y degradación de las proteínas

•  Después de la traducción, diversos tipos de procesamiento de proteínas, incluyendo la escisión y la adición de grupos químicos, están sujetos a control.

•  Los proteasomas son complejos gigantes de

proteínas que se unen a moléculas de proteína y las degradan.


Animation: Protein Degradation

Figure 18.14

Protein to be degraded

Ubiquitin

Ubiquitinated protein

Proteasome

Protein entering a proteasome

Proteasome and ubiquitin to be recycled

Protein fragments (peptides)

La ubiquitina es una pequeña proteína reguladora que ha sido encontrada en la mayoría de los tejidos de los organismos eucariotas. Una de sus muchas funciones es dirigir el reciclaje de proteínas (wikipedia 2013).

Los RNAs no codificantes desempeñan múltiples funciones en el control de la expresión de los genes •  Sólo una pequeña fracción de DNA codifica para las

proteínas, y una fracción muy pequeña del DNA no codificante para proteínas, se compone de genes de RNA para RNAr y RNAt

•  Una cantidad significativa del genoma puede ser transcrito en RNAs no codificantes

•  Los RNAs no codificantes regulan la expresión génica en dos puntos: la traducción del RNAm y la configuración de la cromatina


Effects on mRNAs by MicroRNAs and Small Interfering RNAs

•  MicroRNAs (miRNAs) son pequeñas moléculas de cadena sencilla de RNA que pueden unirse a mRNA.

•  Éstos pueden degradar el RNAm o bloquear su traducción


(a) Primary miRNA transcript

Hairpin miRNA

miRNA

Hydrogen bond

Dicer

miRNA- protein complex

mRNA degraded Translation blocked (b) Generation and function of miRNAs

5ʹ′ 3ʹ′

Figure 18.15

Hairpin=Horquillas son un tipo común de estructura secundaria en moléculas de ARN. http://www.nature.com/scitable/definition/hairpin-loop-mrna-314

•  El fenómeno de la inhibición de la expresión génica mediante moléculas de RNA se denomina interferencia del RNA (RNA interference, RNAi)

•  El siRNAs y el miRNAs son similares pero se

forman a partir de diferentes precursores de RNA El nombre siRNA son las siglas en inglés de small interfering RNA, en español ARN pequeño de interferencia o ARN de silenciamiento. Es un tipo de ARN interferente con una longitud de 20 a 25 nucleótidos que es altamente específico para la secuencia de nucleótidos de su ARN mensajero diana, interfiriendo por ello con la expresión del gen respectivo (wiki, 2013).
