Universidad Nacional Autónoma de México

1. Universidad Nacional Autónoma de México Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Facultad de Química Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E 5622-5280 hlozat@unam.mx

2. VIII. Regulación de la Expresión genética • Objetivo general • El alumno identificará los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

3. Objetivos particulares

4. 1. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EN PROCARIOTES

5. a) MODIFICACIONES POST-TRADUCCIONALES b) ZIMÓGENOS REGULACIÓN COVALENTE La regulación de la expresión de los genes se establece de la necesidad de controlar la actividad de las enzimas o de las proteínas en general, en momentos precisos de la vida de la célula POSITIVO O NEGATIVO ALOSTERISMO POR PRODUCTO, RETROALIMENTACIÓN REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA CELULAR ISOENZIMAS SÍNTESIS DEGRADACIÓN CANTIDAD DE ENZIMA

6. Regulación a nivel de: • Transcripción • Traducción DNA mRNA Traducción PROTEÍNA Transcripción

7. Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos mecanismos Aumenta el número de transcritos Resultando en un aumento en la cantidad de proteína Regulación transcripcional

8. Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos mecanismos A B B B B B B B B Regulación traduccional B B B B B B B B

9. En bacterias, el principal nivel de regulación es el transcripcional GENE CON Regulación negativa (-) El gene “se apaga” (no se transcribe o se transcribe menos) GENE CON Regulación positiva (+) El gene “se enciende” (se empieza a transcribir o se transcribe más)

10. El modelo del Operónlac F. Jacob J. Monod A. Lwoff Expresión inducible

11. La lactosa es hidrolizada por la -galactosidasa para generar glucosa y galactosa Alolactosa La bgalactosidasa también convierte parte de la lactosa en alolactosa

12. La síntesis de la b-galactosidasa se induce cuando hay lactosa en el medio La -galactosidasa se encuentra en niveles muy bajos dentro de la célula si no hay lactosa en el medio. Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste.

13. En bacterias los genes están organizados en operones por lo que la expresión es coordinada DNA RNA polimerasa

14. Componentes de un operón P: promotor de los genes estructurales E1, E2, E3 y E4 R: gen regulador (codifica una proteína represora que regula la transcripción de los genes estructurales) O: operador (secuencia reconocida por la proteína represora que impide la transcripción) DNA RNA polimerasa Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.

15. Los operones están formados por genes estructurales y una región de control Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

16. Cuando no hay lactosa en el medio, el operónlac está apagado El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a

17. El inductor se une al represor y éste ya no se une al DNA. La RNA polimerasa reconoce al promotor y transcribe los genes estructurales Cuando hay lactosa en el medio, el represor se disocia del operador y los genes z, y, a pueden ser transcritos

18. El inductor se une al represor y entonces éste ya no se une al DNA, permitiendo la transcripción El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a Operón reprimido Operón inducido b Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

19. El Operonlac se activa para poder utilizar a la lactosa como fuente de carbono Genes estructurales Gen regulador

20. Normalmente, hay una expresión baja del operónlac lo que permite que haya un poco de b-galactosidasaen la célula

21. La lactosa es convertida a alolactosa por la bgalactosidasa. La alolactosa es el inductor del operónlac.

22. Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho cAMP. Aún en ausencia del represor, la activación del operónlacrequiere la pariticipación de un activador: CRP o CAP Activador CRP.cAMP receptor protein También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein. CRP une cAMP Este activador regula la expresión con base en los niveles de glucosa presentes en el sistema Si los niveles de glucosa son altos, hay poco cAMP.

23. Cuando los niveles de cAMP se incrementan, éste se une a la CRP El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa y causa un giro en el DNA que facilita la unión de la RNA polimerasa al promotor, activándolo.

24. El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa facilitando la unión de la RNA polimerasa al promotor e incrementando 50 veces la transcripción

25. ¿Cómo se regula el operónlac cuando hay glucosa en el medio? + glucosa – lactosa Represor RNApol Regulación negativa No se transcribe

26. Regulación del operón de lactosa Regulación Negativa Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay b galactosidasa

27. ¿Qué le pasa al operónlacen presencia de lactosa aún cuando exista glucosa? + glucosa + lactosa inductor (lactosa) RNApol Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción basal). La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar

28. Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos. La síntesis del mRNA lac es pobre.

29. ¿Qué le pasa al operónlac cuando hay lactosa en el medio y no hay glucosa? - glucosa + lactosa Activador Regulación positiva La transcripción es alta

30. Regulación positiva. Inducción. Cuando hay lactosa y la glucosa es baja, los niveles de cAMP son altos. El cAMP se une con la CRP que activa a la RNApol para transcribir al operón lac. Por lo tanto, se sintetiza mucho mRNA lac.

31. ¿Qué le pasa al operónlac cuando no hay glucosa ni tampoco lactosa? - glucosa - lactosa Como el represor está unido al promotor ¡No hay transcripción! RNApol Aunque los niveles de cAMP sean altos y el activador esté presente....

32. Regulación negativa En presencia de glucosa y ausencia de lactosa En presencia de lactosa y ausencia de glucosa

33. Regulación positiva + lactosa [glucosa] [AMPc]

34. Represión por catabolito del operónlac (Elección del mejor azúcar a metabolizar) CAP= Catabolite activator protein Activación del operón lac

35. El operador actúa en cis y regula a los genes que están ligados al lado de éste

36. El gen I actúa entrans La proteína codificada por el gen I actúa reconociendo al operador, por lo que el gen I no necesita estar al lado de un operador para regularlo.

37. Secuencia del operador lac al que se une el represor I Sitio del promotor lac al que se une CAP

38. El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es decir aquel en el cual la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa) induce la transcripción de los genes estructurales. El operón lac también se encuentra bajo control positivo. Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de cAMP, el cual tiene influencia en la activación del operón lac. El cAMP actúa uniéndose a una proteína fijadora de cAMP denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando la concentración de este complejo es alta (poca glucosa), el CAP-cAMP se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora para la RNA polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón. Para que se exprese el operón lac deben darse dos condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja.

39. Operón de triptófano Este operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la biosíntesis de triptófano. Bajo control del promotor (Ptrp) y del operador (Otrp)

40. El represor se une a triptófano y este complejo se une al operador reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.

41. El OperónTrp Sin triptófano en el medio De manera normal, Escherichia coli está expresando su operón Trp. En este caso el represor codificado por el gen regulador, es inactivo.

42. ¿Qué ocurre cuando hay triptófano en el medio? Complejo Represor-Corepresor + Triptófano en el medio El triptófano (correpresor) se une al represor, activándolo. Ahora el represor se puede unir al operador impidiendo la transcripción del operón trp. Regulación negativa

43. OPERÓN Lac OPERÓN Trp Operón inducible, se expresa en presencia de lactosa. Operón reprimible, se expresa en ausencia de triptófano. La lactosa es el inductor El triptófano es el co-represor El represor se sintetiza en forma activa. Actúa solo. El represor se sintetiza en forma inactiva. Actúa en presencia del co-represor. Sus enzimas participan en un vía catabólica Sus enzimas participan en una vía anabólica Comparación entre Operón Lac y OperónTrp

44. Regulación de la expresión genética a nivel traduccional

45. Atenuación del operónTrp Se basa en la existencia de secuencias específicas en el mRNA policistrónico Trp, en la región 5’ del mRNA, que al ser traducidas por el ribosoma y dependiendo de la presencia de tRNATrp, pueden controlar la transcripción .

46. En el operón de triptófano hay una región atenuadora en la que dos codones para Trp se encuentran muy juntos Cuando los niveles de Trp son altos, el ribosoma traduce rápidamente el mRNA incluyendo los dos codones de Trp. Esto favorece la formación de un tallo-asa que provoca la terminación de la transcripción. Cuando los niveles de Trp son bajos, el ribosoma se detiene en los codones de Trp, por lo que no se forma el tallo-asa y la transcripción continua.

47. Mecanismo de atenuación Se basa en la presencia de 4 secuencias invertidas repetidas en el mRNA capaces de formar tallos-asa que pueden pausar la traducción y la transcripción. + triptófano El ribosoma NO se detiene tRNA-Trp En presencia de trp hay mucho tRNAtrp por lo que la traducción es rápida, esto hace que se forme un tallo-asa en la región 3-4 que bloquea la transcripción. Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón

48. Mecanismo de atenuación – triptófano tRNA-Trp El ribosoma SE DETIENE En ausencia de trp hay poco tRNAtrp por lo que la traducción es lenta. Esto hace que se forme un pasador en la región 2-3 que permite que la transcripción del resto del operón continúe. La transcripción y traducción del resto del operón se lleva a cabo

49. Regulación del operóntrp

50. Regulación por Shine-Dalgarno Traducción más eficiente Traducción menos eficiente Regulación por posición del gen en el operón Traducción más eficiente Traducción menos eficiente