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Del DNA a la proteína: regulación de la expresión génica

Genética Médica – Tema 3. Del DNA a la proteína: regulación de la expresión génica. Griffiths AJ et al., (2000) Tamarin RH (1996) Klug WS y Cummings MR (1999) Solari AJ (1999) Animaciones: http://vcell.ndsu.nodak.edu/~christjo/vcell/animationSite/transcription/movie.htm

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Del DNA a la proteína: regulación de la expresión génica

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Presentation Transcript

  1. Genética Médica – Tema 3 Del DNA a la proteína: regulación de la expresión génica Griffiths AJ et al., (2000) Tamarin RH (1996) Klug WS y Cummings MR (1999) Solari AJ (1999) Animaciones: http://vcell.ndsu.nodak.edu/~christjo/vcell/animationSite/transcription/movie.htm http://vcell.ndsu.nodak.edu/~christjo/vcell/animationSite/translation/movie.htm Tema 3: Expresión y control

  2. Genética Médica • Introducción • Regulación de la expresión génica • Metilación • Impronta genómica • Lionización del cromosoma X Tema 3: Expresión y control

  3. Sabemos que… • Los productos de todos los genes son los RNA (ácidos ribonucleicos) • Transcripción: copia de DNA a RNA (transcritos) • Estos RNA serán traducidos en la síntesis de una secuencia polipeptídica Traducción Tema 3: Expresión y control

  4. RNA • Diferencias con el DNA • Constituido por una sola cadena de nucleótidos puede adoptar muchas formas tridimensionales complejas • El azúcar de sus nucleótidos es una ribosa. Presenta también esqueleto fosfato-ribosa • Contiene Uracilo en lugar de Timina U·A • Tipos: • RNA informativo • RNA funcional Tema 3: Expresión y control

  5. Tipos de RNA • RNA informativos: mRNA (mensajeros) • Es el intermediario en la síntesis del producto funcional definitivo del gen, la proteína. • En eucariotas el transcrito se procesa para dar lugar al mRNA Tema 3: Expresión y control

  6. Tipos de RNA • RNA funcionales • RNA transferente (tRNA): transportadores de a.a. en la traducción • RNA ribosómico (rRNA): componentes de los ribosomas. Guías de ensamblaje de los a.a. en la traducción. • RNA de interferencia (iRNA) / microRNA: pequeñas moléculas que intervienen en la regulación génica • RNA nuclear pequeño (snRNA): implicados en la maduración del mRNA, regulación de FT y mantenimiento de los telómeros • RNA citoplasmático pequeño (scRNA): involucrados en el transporte de proteínas • Otros: snoRNA (modificaciones del rRNA), scaRNA (biogénesis de snRNP), gRNA (edición del RNA), etc. Tema 3: Expresión y control

  7. Tipos de RNA micro RNA Tema 3: Expresión y control

  8. Las operaciones que utilizan DNA y RNA se basan en la complementariedad de las secuencias nucleotídicas y en la unión de proteínas a sitios específicos Tema 3: Expresión y control

  9. Transcripción: fases • Iniciación • Elongación • Terminación • Procesamiento del RNA Tema 3: Expresión y control

  10. Transcripción: fases • Iniciación en eucariotas: • En los promotores de RNApol II: secuencias TATA • Existen otras secuencias reguladoras • Se necesita la unión de factores de transcipción RNA polimerasa +1 5’ 3’ GG(C/T)CAATCT TATA G -70 -25 Caja TATA Promotor Caja CAAT Tema 3: Expresión y control

  11. Fases de la transcripción • Elongación: • La RNA polimerasa cataliza la elongación 3’ manteniendo una burbuja de transcripción • Superenrollamiento de la cadena de DNA aguas arriba y aguas abajo acción de las topoisomerasas La RNA polimerasa no verifica la fidelidad de la copia Tema 3: Expresión y control

  12. Fases de la transcripción • Terminación: • La polimerasa reconoce las señales de terminación: secuencias ricas en GC seguidas de 6 o más T • Estas secuencias suponen la formación de lazos en el RNA y una cola de U • El RNA y la polimerasa se disocian del DNA 5’UTR Segmento traducible a proteína 3’UTR Líder Trailer Tema 3: Expresión y control

  13. Fases de la transcripción • Procesamiento del RNA eucariota: • La transcripción da lugar al transcrito primario o pre-mRNA • Cada transcrito contiene un único gen • Maduración: • Unión de la caperuza: 7-Metilguanosina en el extremo 5’ • Corte del RNA 20 bases aguas debajo de la secuencia AAUAAA • Adición de una cola poli(A) • Eliminación de los intrones: mecanismo de corte y empalme Tema 3: Expresión y control

  14. Procesamiento del mRNA en eucariotas Tema 3: Expresión y control

  15. Transcripción inversa • El RNA puede servir como molde para la síntesis de DNA • Todos los virus RNA pueden producir DNA polimerasa dependiente del RNA (transcriptasa inversa o retrotranscriptasa) • Es la forma de infectar la célula Tema 3: Expresión y control

  16. Traducción: fases • Iniciación • Elongación • Terminación Tema 3: Expresión y control

  17. Iniciación 1 • Unión del mRNA a la subunidad pequeña del ribosoma • AUG primer codón en eucariotas Met • Unión del tRNA-Met al sitio P (Peptidil) 3 2 A P Tema 3: Expresión y control

  18. Elongación 4 • Entra el segundo t-RNA al sitio A (Aminoacil) • Enlace peptídico por la peptidil transferasa y salida del t-RNA descargado • Se desplaza el mRNA, el peptidil pasa al sitio P y entra el tercer t-RNA al sitio A A P 6 5 A P A P Tema 3: Expresión y control

  19. Terminación 7 • La cadena se elonga hasta el codón stop • El codón stop es reconocido por un factor de terminación • El polipéptido se libera del sitio P y las dos subunidades del ribosoma se disocian P A 9 8 P A Tema 3: Expresión y control

  20. Resumen • La secuencia de un polipéptido está determinada por la secuencia de nucleótidos del gen en que está cifrada • La cadena de mRNA tiene la misma secuencia que la “cadena sentido” de DNA • Los ribosomas leen el mRNA de 3 en 3 nucleótidos empezando por 5’3’ Tema 3: Expresión y control

  21. A lo largo de todo el proceso de transcripción y traducción se mantiene la colinealidad entre la secuencia de nucleótidos de un gen y la secuencia de aa de la proteína final Tema 3: Expresión y control

  22. El código genético • Regla de correspondencia entre la secuencia de nucleótidos del DNA/RNA y la secuencia de a.a. de las proteínas • Codón triplete: cada grupo de 3 nt Los ribosomas leen el mRNA de 3 en 3 nucleótidos empezando por 5’3’ • Hay 4 nucleótidos 4x4x4=64 codones distintos (sólo 20 a.a.) Tema 3: Expresión y control

  23. El código genético Tema 3: Expresión y control

  24. El código genético Ala 3’ 5’ • La especificidad codón-a.a. recae en el tRNA • tRNA: • Estructura de trébol • El bucle central contiene el triplete denominado anticodón • El anticodón se une al codón mediante emparejamientos RNA-RNA • El anticodón está orientado 3’5’ • El bucle 3’ reconoce al ribosoma • Cada tRNA es específico de un a.a. (unido a su extremo 3’) Anticodón Tema 3: Expresión y control

  25. El código genético Ala • El número de codones para un a.a. varía entre 1 y 6 • Algunos aa son transportados al ribosoma por varios tRNA con distintos anticodones • Ciertas especies de tRNA pueden colocar sus aa específicos en respuesta a varios codones mediante una hibridación relajada del extremo 3’ del codón y 5’ del anticodón tambaleo 3’ 5’ Anticodón Tema 3: Expresión y control

  26. Características del código • Desplazamiento de la pauta de lectura • No está solapado: una base pertenece a un único triplete • No existen signos de puntuación entre codones • Es un código degenerado (1aavarios codones) • Universalidad (con excepciones) Tema 3: Expresión y control

  27. El código degenerado da cierta permisibilidad a la aparición de mutaciones sin que suponga un cambio aminoacídico en la proteína Tema 3: Expresión y control

  28. Las proteínas • Una proteína es una cadena de a.a. (polipéptido) • Hay 20 a.a. que pueden constituir proteínas. • 4 Niveles de organización de las proteínas: • Estructura primaria: secuencia lineal de a.a. • Estructura secundaria: interacciones entre a.a. próximos  hélice a o láminas b (principalmente) • Estructura terciaria: plegamiento de la hélice u otras estructuras secundarias • Estructura cuaternaria: unión de dos o más estructuras terciarias La forma es esencial para la función de la proteína Tema 3: Expresión y control

  29. Genética Médica • Introducción • Regulación de la expresión génica • Metilación • Impronta genómica • Lionización del cromosoma X Tema 3: Expresión y control

  30. Objetivos de la regulación: • Armonía estructural, equilibrio celular • Diferenciación: típico de eucariotas pluricelulares La célula sólo sintetizará aquellas proteínas o enzimas que necesita. Esta síntesis está regulada de forma estricta. La regulación responderá a un estímulo. Tema 3: Expresión y control

  31. DNA Procesamiento Transcripcional Transcripción RNAm maduro Proteína a.a. Transporte Polipéptido RNAt Traducción Traduccional Ribosoma Expresión génica Regulación de la expresión génica No todos los genes se expresan simultáneamente: - Genes constitutivos:se expresan a nivel constante - Genes regulados:se expresan en distinto grado según las condiciones Niveles de regulación Tema 3: Expresión y control

  32. Regulación génica en eucariotas: • Responder a cambios fisiológicos (cambios ambientales) • Circuitos genéticos regulados en el desarrollo (regulados por genes del desarrollo) • La mayoría de los genes se regulan a nivel transcripcional Tema 3: Expresión y control

  33. Señales de transcripción en eucariotas: • Utilización de tres sistemas de transcripción: • Genes de clase I: RNAr 5,8S, 18S y 28S  RNA polimerasa I • Genes de clase II: RNAm, snRNA  RNA polimerasa II • Genes de clase III: RNAt, RNAr 5s, scRNA  RNA polimerasa III • Cada polimerasa necesita secuencias de regulación diferentes, colocadas en distintos sitios • Cada polimerasa requiere distintos factores de transcripción • Las secuencias codificantes (exones) se alternan con las no codificantes (intrones) Tema 3: Expresión y control

  34. mRNA GGGCGG CCAAT TATA -200pb -100pb -30pb Regulación transcripcional en eucariotas: • Control en cis de la transcripción: • El promotor mínimo y los elementos proximales: • Intensificadores: activan la transcripción • Silenciadores: reducen la transcripción inhibiendo a los activadores • Son capaces de actuar a distancia (>50 kb) • Pueden colocarse aguas arriba o abajo del promotor • Poseen estructura compleja Tema 3: Expresión y control

  35. Inicio transcripción Fin transcripción Intrón 1 Intrón 2 Intrón 3 Promotor Exón 1 Exón 2 Exón 3 Exón 4 Región reguladora aguas abajo 5’UTR Región reguladora aguas arriba Región reguladora interna Unidad de transcripción Gen eucariota Regulación transcripcional en eucariotas: Los bucles de DNA acercan las proteínas reguladoras, unidas a intensificadores o silenciadores a las secuencias promotoras. Tema 3: Expresión y control

  36. Regulación transcripcional en eucariotas: • Control en trans de la transcripción: • Proteínas reguladoras que se unen al promotor y elementos proximales y ayudan a la polimerasa de RNA II a iniciar la transcripción (FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN) • Tanto la regulación temporal como la específica de tejido dependerá de la presencia de los factores de transcripción • Existe gran variedad de factores de transcripción: inductores, represores, mixtos • Factores específicos de tejido o de un estadio de desarrollo • 1 secuencia cis – varios factores, 1 factor - varias secuencias Tema 3: Expresión y control

  37. Regulación transcripcional en eucariotas: • Estructura de las proteínas reguladoras: • Presentan un dominio de unión al DNA que sobresale del cuerpo central de la proteína • Frecuentemente presentan hélices alfa que encajan en el surco mayor del DNA • Distintos motivos de unión al DNA Tema 3: Expresión y control

  38. Regulación transcripcional en eucariotas: ¿Quién controla al controlador? • Las proteínas reguladoras poseen dominios que interaccionan con señales moleculares del estado fisiológico de la célula • Ejemplos: hormonas (determinación del sexo), calor (heat shock proteins), stress, metales, etc. Tema 3: Expresión y control

  39. Regulación post-transcripcional en eucariotas: • Maduración del RNAm: • Protección del extremo 5’ con CAP (G modificada) • Corte 3’ a la señal de poliadenilación (AAUAAA) • Adición de cola de poli(A) (cientos de bases) • Eliminación de intrones (maduración alternativa) • Edición del RNA (corrección) • Vida media variable • Secuencias que otorgan inestabilidad Tema 3: Expresión y control

  40. Regulación post-transcripcional en eucariotas: RNA de interferencia (siRNA) • El RNA de interferencia es una técnica consistente en la introducción de un RNA exógeno de doble cadena (dsRNAs) complementario a un RNAm conocido con el fin de destruir específicamente dicho RNAm, disminuyendo o impidiendo la expresión génica.   • El RNA de interferencia es una técnica de silenciamiento génico utilizada para estudiar la ausencia de una acción génica normal en cultivos celulares. • El RNA de interferencia regula la expresión a nivel de RNAm y ofrece una vía rápida y sencilla de determinar la función de un gen in vitro. Tema 3: Expresión y control

  41. Regulación post-transcripcional en eucariotas: RNA de interferencia (RNAi): Andrew Fire & Craig C. Mello (Nobel de Medicina 2006) Introducción dsRNA Degradación del mRNA homólogo Tema 3: Expresión y control

  42. Regulación post-transcripcional en eucariotas: microRNA • RNAs endógenos de doble cadena imperfecta que dan lugar a un microRNA activo • Función: Regulación de la expresión génica (disminuye) • Funciones reguladoras del:Ciclo celular, división celular en el desarrollo embrionario, apoptosis, control del tamaño de órganos y tejidos • Regulación de la producción de microRNAs: promotores tipo RNA polimerasa de tipo II Tema 3: Expresión y control

  43. microRNA Animales: Unión a la 3’UTR Tema 3: Expresión y control

  44. http://en.wikipedia.org/wiki/MicroRNA Tema 3: Expresión y control

  45. microRNAs expresados en SNC de ratón Tema 3: Expresión y control

  46. Utilización en terapia • Difícil introducir cadenas largas de dsRNA en las células de mamíferos debido a la respuesta del interferón. • Aplicaciones potenciales: • Tratamiento de la degeneración macular y virus sincitial respiratorio • Tratamienot de fallo hepático en ratones. • Terapia antivírica (VIH, hepatitis) • Tratamiento de enfermedades neurodegenerativas. • Cáncer Tema 3: Expresión y control

  47. Regulación post-traduccional en eucariotas: Proteolisis intracelular: • Señales para la proteolisis: • El extremo amino: metionina  aa estabilizantes o desestabilizantes • Secuencias PEST  corta vida media (enzimas del control metabólico, factores de transcripción, quinasas, fosfatas y ciclinas) • Cajas de destrucción  RAALGNISN (ciclinas) • Motivos KEFRQ  degradación lisosomal • Sistemas de proteolisis intracelular: • Lisosomas (endopeptidasas y exopeptidasas) • Ubiquitinación: unión de ubiquitina • Calpaínas: proteasas dependientes de Ca • Proteosoma 26S:cuerpo catalítico complejo Tema 3: Expresión y control

  48. Regulación post-transcripcional en eucariotas: • Acumulación proteica: • Alzheimer  b-amiloide, Tau • Parkinson  Parkina, Tau • Creutzfeldt Jakob, kuru  Prion • Huntington  Huntingtina • Enfermedad de Pick  Tau • Demencia frontotemporal  Tau • Síndrome de down  Tau • Demencia pugilística  Tau Tema 3: Expresión y control

  49. Genética Médica • Introducción • Regulación de la expresión génica • Metilación • Impronta genómica • Lionización del cromosoma X Tema 3: Expresión y control

  50. Cambios epigenéticos cambios reversibles del DNA (químicos) que permiten que los genes se expresen o no dependiendo de condiciones exteriores. Herencia epigenética  transmisión de información (no DNA) a través de la mitosis o meiosis, esta información modula la expresión de genes sin alterar su secuencia. Metilación Metilación en mamíferos: Adición de un grupo metilo a la posición 5 de la dC (dmC) en dinucleótidos CpG (normalmente en las llamadas islas CpG >200bp y %CG>50%) Islas CpG asociadas a promotores en 50% de genes  funciones reguladoras 85% de los genes sellados tienen islas CpG Cambios en la estructura de la cromatina Tema 3: Expresión y control

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