Tema 10. Control de la expresión génica Genética CC. Mar 2004-05

Objetivos • Estudiar el funcionamiento del control de la expresión génica en procariotas: operones • Regulación transcripcional y no transcripcional en eucariotas • Introducción a la genética del desarrollo

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Genes regulados y constitutivos • Adaptación al medio ambiente => habilidad de activar e inactivar genes como respuesta a señales extracelulares • Producción de tipos específicos de proteínas cuando y dónde se necesite. Genes regulados o adaptativos: genes cuya actividad está controlada en respuesta a las necesidades de una célula u organismo. Genes constitutivos o “housekeeping”: genes que siempre permanecen activos, independientemente de las condiciones del medio.

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Sistemas inducibles y represibles en procariotas • Sistemas inducibles: un inductor activa la expresión génica. Catabolismo (degradación de lactosa, maltosa). • Sistemas represibles: un represor reprime la expresión génica. Metabolismo (síntesis de triptófano, histidina). • Control positivo: el producto del gen regulador activa la expresión de los genes. • Control negativo: el producto del gen regulador reprime o impide la expresión de los genes Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Operones •Operón: grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador) y por genes reguladores: – Genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata de los genes cuya expresión está regulada. Se transcriben juntos en un mRNA poligénico. – Promotor: secuencia de DNA reconocida por la ARN polimerasa para el comienzo de la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales – Operador: secuencia de ADN reconocida por la proteína reguladora. Se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales – Gen regulador: codifica la proteína reguladora que reconoce la secuencia del operador. Está cerca de los genes estructurales del operón pero no inmediatamente al lado. – Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Se une a la región del operador. – Inductor: compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Uso de lactosa por E. coli • En E. coli, si la fuente de carbono es únicamente lactosa (glucosa + galactosa), tres enzimas van a ser sintetizados rápidamente para metabolizar la lactosa – !-galactosidasa: rompe la lactosa en glucosa y galactosa, pudiendo además transformar lactosa en alolactosa – Lactosa permeasa: proteína de membrana que transporta lactosa en la célula – Transacetilasa: función desconocida

• En ausencia de lactosa en el medio hay ~3 moléculas de !-galactosidasa. En presencia de lactosa está cantidad puede aumentar hasta 3000.

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Operón lactosa (lac)

Org anización d el op erón lac

• Sistema inducible bajo control negativo. • Genes estructurales: lacZ+ (!-galactosidasa), lacY+ (lactosa permeasa) y lacA+ (transacetilasa). • Operador lacO+. • Gen regulador lacI+: separado, se expresa de de forma constitutiva, pero débilmente, y codifica una proteína represora. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Operón lac en ausencia de lactosa

Op erón lac en ausencia d e lactosa

• En ausencia de lactosa, la proteína represora se une al operador: la RNA polimerasa puede unirse al promotor pero no es capaz de iniciar la transcripción. • Las pocas moléculas de enzima que se producen lo hacen aprovechando las constantes uniones y desuniones del represor. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Operón lac en presencia de lactosa

Op erón lac en p resencia d e lactosa

• Única fuente de carbono es lactosa • Lactosa -- !-galactosidasa --> alolactosa. • La alolactosa se une al represor, modificando su conformación. Éste pierde su afinidad por el operador. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Operón triptófano (trp) • Sistema represible bajo control negativo. • Genes estructurales: trpE, trpD, trpC, trpB, trpA. Biosíntesis de triptófano. • Gen regulador (trpR): proteína aporrepresora • Región líder (trpL): incluye un sitio atenuador (att) • Dos mecanismos de regulación:

Org anización d el op erón trp

– interacción represoroperador. – longitud de los tránscritos. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Operón trp en presencia/asuencia de triptófano • trpR => proteína aporrepresora: represor que no se puede unir al operador por sí sola. • El tritptófano es el efector: interactúa con el aporrepresor y lo convierte en un represor activo. • El represor activo se une operador e impide la transcripción de los genes estructurales. • Esta represión puede reducir unas 70 veces la tasa de transcripción de estos genes. • Cuando no hay triptófano en el medio los genes trp se expresan al máximo nivel

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Atenuación del operón trp

Estructura d e la reg ión líd er d el mRNA en el op erón trp d e E. coli

• La atenuación controla la proporción de transcritos completos e incompletos que terminan en el atenuador • La región líder del mRNA contiene 4 regiones complementarias que pueden aparearse y plegarse. Antes del codón de terminación hay dos codones de Trp.

• Las regiones 1 y 2 de la región líder del mRNA se emparejan justo después de ser sintetizadas formando una estructura secundaria que paraliza temporalmente la RNA polimerasa (señal de pausa) y le permite al ribosoma acoplarse al mRNA de forma que comienza a traducir justo detrás de la RNA polimerasa Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Atenuación en ausencia de trp

Atenuación d el op erón trp en E. coli: ausencia d e Trp

• Poco Trp => poco tRNA.trp => el ribosoma se para en los codones de Trp • El ribosoma cubre la región 1; no hay señal de pausa 1-2 • Se produce el apareamiento 2-3, que es una señal de antiterminación, ya que evita que se forma la señal de terminación (3-4) • Los genes estructurales se transcriben Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Atenuación en presencia de trp

Atenuación d el op erón trp en E. coli: p resencia d e Trp

• Suficiente Trp => suficiente tRNA.trp => el ribosoma llega al codón de terminación • El ribosoma cubre la región 2; no hay señal de antiterminación 2-3 • Se produce el apareamiento 3-4, que es una señal de terminación • Los genes estructurales no se transcriben Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Regulación génica en eucariotas • La regulación de la expresión génica puede producirse a cortoplazo, como respuesta a cambios en el ambiente, o a largo plazo, durante la diferenciación y el desarrollo • En eucariotas la regulación de la expresión génica es complicada – – – – – –

Transcripción Procesamiento del mRNA Transporte del mRNA Traducción Procesamiento de las proteínas Degradación del mRNA

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Control de la transcripción: factores de regulación

Reg ulación p ositiva y neg ativa d e la transcrip ción

• Control positivo y negativo. • Los factores de regulación cis están físicamente relacionados con la secuencia de DNA que regulan, mientras que los factores trans no están físicamente anclados a su diana. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Control de la transcripción: promotores e intensificadores • Los genes codificantes de eucariotas contienen elementos promotores e intensificadores • Algunos elementos de los promotores, como la caja TATA, son necesarios para especificar dónde comienza la transcripción (promotores basales). • Otros elementos de los promotores controlan sí la transcripción se produce o no (promotores proximales) • Los intensificadores y represores regulan los niveles de expresión • Proteínas regulatorias específicas se unen a estas regiones para activar o reprimir, o para intensificar, la transcripción

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Control de la transcripción: factores de transcripción • Los factores de transcripción son proteínas se unen a activadores o a elementos proximales de los promotores para regular la transcripción (de forma trans). • En general presentan dos dominios, uno de unión al DNA y otro de unión a proteínas (p.e., dedos de zinc), que es el que influencia la transcripción.

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Cambios cromosómicos y control transcripcional • La regiones cromosómicas que se están transcribiendo presentan una estructura de la cromatina más relajada • Las histonas pueden a su vez actuar como represores de la transcripción: los nucleosomas alrededor de elementos de un promotor (por ejemplo, caja TATA) impiden que las proteínas reguladores o los factores de transcripción se unan a estos elementos • Es posible que las proteínas activadoras se unan a los intensificadores desplazando las histona y “rompiendo” los nucleosomas: la caja TATA queda expuesta a las factores de transcripción.

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Metilación y control transcripcional • Después de la replicación, algunas citosinas son metiladas por la DNA metilasa para dar lugar a 5-metilcitosina (5mC). • En mamíferos, un 3% de las citosinas están metiladas, y el 90% de las 5mC se encuentran en la secuencia CG. En Drosophila o Tetrahymena casi no hay 5mC. • Parece ser que existe una correlación negativa entre metilación y transcripción en algunos casos, aunque no se sabe si es causa o efecto. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Regulación hormonal • Las hormonas son moléculas efectoras producidas por una célula, y que causan una respuesta fisiológica en otras células • Determinados tipos de células presentan determinados tipos de receptores para determinados tipos de hormonas. Mecanismos d e acción d e hormonas p olip ep tíd icas y esteroid eas

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Proteínas inducidas por hormonas esteroides

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Acción de los esteroides • Los genes regulados por esteroides específica presentan una secuencia de DNA común a la que se une el complejo esteroide-receptor, denominadas elementos de respuesta a las hormonas esteroides (HREs) • Los HREs se encuentran, a menudo en copias múltiples, en regiones intensificadoras. • Dependiendo de la presencia de otras proteínas regulatorias, los HREs pueden activar genes diferentes en distintos tipos de células. Mod elo d e acción d e una hormona g lucocorticoid e en células d e mamíferos. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Procesamiento del RNA: poliadenilación y splicing alternativo • Este tipo de control regula la producción de moléculas de RNA maduras a partir de precursores • La poliadenilación alternativa puede resultar en la producción de moléculas de pre-mRNA diferentes (p.e., calcitonina) P oliad enilación y sp licing alternativos d el g en humano d e la calcitonina

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Determinación del sexo en Drosophila • El corte y empalme alternativo desempeña un pape crucial en la determinación del sexo en Drosophila • En Drosophila el sexo está determinado por la proporción cromosoma X : autosoma (A)

Cascad a reg ulatoria d e d eterminación d el sexo en Drosoph ila.

– Si X:A " 1, hembra – Si X:A # 0.5,s macho – Si 1 > X:A > 0.5, “intersex” Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Control del transporte del mRNA • Varios experimentos parecen demostrar que quizás la mitad de los transcritos primarios de genes codificantes nunca llegan a abandonar el núcleo • Modelo de retención por el spliceosoma – El spliceosoma previene el transporte nuclear, retiene el RNA inmaduro en el núcleo hasta que todos los intrones han sido eliminados – El mRNA maduro con la caperuza 5’ (que parece desempeñar un importante papel) interacciona con los poros nucleares y abandona el núcleo.

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Control de la traducción • Las moléculas de mRNA son sometidas a un control traduccional a través de la selección de mRNAs por parte de los ribosomas • Los mRNA citoplasmáticos podrían asociarse con proteínas que los protegen de la degradación y previenen su traducción. • La cola poli(A) podría estar implicada en este tipo de control: los mRNA inactivos almacenados suelen tener colas poli(A) más cortas que los mRNAs activos.

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Control de la degradación del mRNA

Estab ilid ad d e mRNAs en resp uesta la p resencia d e moléculas efectoras

• Los tRNA y rRNA son bastante estables. • Los mRNAs pueden durar de minutos a meses, como respuesta a diversas señales de regulación. • Mecanismo importante, aunque desconocido. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Control de la degradación de proteínas • La vida media de las proteínas es un control post-traduccional de la expresión génica. • En eucariotas la proteolisis parece requerir el factor proteico ubiquitina, que se une a las proteínas “marcándolas” para su degradación. • La regla del N-terminal predice que la vida media de una proteína depende del aminoácido N-terminal.

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Genética del desarrollo • Los eucariotas complejos presentan muchos tipos de células, tejidos y órganos con funciones especializadas, pero con un único genoma. • El desarrollo es el proceso de crecimiento regulado que resulta de las interacciones del genoma con el citoplasma y el ambiente celular externo, y que involucra una secuencia programada de eventos fenotípicos a nivel celular, de forma típicamente irreversible. • La diferenciación implica la formación de diferentes tipos de células, tejidos y órganos a través del proceso de regulación específica de la expresión génica; las células diferenciadas presentan propiedades estructurales y funcionales características. • Los procesos de desarrollo y diferenciación son el resultado de un patrón programado de activación e inactivación génica.

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Actividad genómica en eucariotas Organismo Homo sapiens Rattus norvegicus Mus musculus Drosophila melanogaster Arabidopsis thaliana Caenorhabditis elegans Saccharomyces cerevisiae Escherichia coli H. influenzae

Tamaño estimado (millón de bases) 2900

Número estimado de genes ~30000

Densidad (1 gen cada x bases) 100000

Número de cromosomas 46

2750 2500 180 125

~30000 ~30000 13600 25500

100000 100000 9000 4000

42 40 8 5

97 12

19100 6300

5000 2000

6 16

4.7 1.8

3200 1700

1400 1000

1 1

• Un 20-40% del DNA de eucariotas multicelulares es altamente repetitivo; el resto es moderadamente repetitivo o de copia única. • Se cree que tan sólo un 1.5% del genoma humano es codificante/ • En erizos de mar, en cualquier momento un máximo del 6% de las secuencias únicas se está transcribiendo. • La función del DNA que no se transcribe es eucariotas multicelulares podría ser “DNA basura” acumulado durante la evolución, o podría desempeñar funciones regulatorias todavía por determinar.

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Constancia del genoma durante el desarollo • La clonación de la oveja Dolly demostró que las célula somáticas poseen toda la información genética necesaria para producir un desarrollo completo desde el comienzo. • El núcleo celular es totipotente

Clonación d e la oveja Dolly

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Actividad genética diferencial entre tejidos y durante el desarrollo • En humanos, se producen diferentes tipos de hemoglobinas a lo largo del desarrollo: – hemoglobina embrionaria (2$ + 2% ) en el saco vitelino. – hemoglobina fetal (2& + 2') en hígado y al bazo. Síntesis d e g lob ina d urante el d esarrollo humano

– hemoglobina adulta (2& + 2!; 1/40 son 2& + 2() en la médula espinal.

• Los genes de las globinas se sitúan en los cromosomas en orden cronológico.

Genes humanos d e la g lob ina

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Inmunogenes

Molécula d e inmunog lob ulina G (Ig G)

• Cuándo un antígeno las activa, los linfocitos B se producen anticuerpos, que consisten proteínas especializadas denominadas inmunoglobulinas. • 2 cadenas pesadas (H) idénticas y 2 cadenas ligeras (L) idénticas. • Regiones variables (VH y VL) y regiones conservadas (CH y CL). • Los mamíferos (IgA, IgD, IgE, IgG e IgM) presentan 106-108 anticuerpos distintos, originados por recombinación somática.

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Recombinación de la cadena ligera

P rod ucción d e la cad ena lig era * en ratón p or recomb inación d e los seg mentos g énicos V, J, y C d urante el d esarrollo. El reord enamiento q ue se muestra es uno d e muchos p osib les.

• En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos que codifican partes de la cadena ligera: 350 L-V* (L es una secuencia líder), 4 segmentos J* de unión y 1 segmento C* • Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmento particular L-V* se asocia con un segmento particular J* y con el segmento C* • Así, se pueden producir 350 ) 4 ) 1 = 1400 cadenas ligeras * diferentes.

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Recombinación de la cadena pesada

P rod ucción d e g enes d e la cad ena p esad a en ratón p or recomb inación d e los seg mentos g énicos V, D, J, y C d urante el d esarrollo p ara d ar lug ar a Ig G. Dep end iend o d el seg mento CH usad o, el anticuerp o resultante es Ig M, Ig D, Ig E o Ig A. El reord enamiento q ue se muestra es uno d e muchos p osib les.

• • •

En la línea germinal de ratón hay una serie de segmentos génicos que codifican partes de la cadena pesada: 500 L-VH, 12 segmentos D, 4 segmentos JH de unión y 5 segmentos CH para las IgM, IgD, IgG, IgE e IgA. Durante el desarrollo de la célula B, por recombinación un segmento particular L-VH se asocia con un segmento particular D, con otro JH y con un segmento CH que especifica el tipo de Ig. De esta forma, se pueden producir 500 ) 12 ) 4 = 24000 cadenas pesadas diferentes, y por lo tanto 24000 ) 1400 (cadenas ligeras *) = 33600000 moléculas de anticuerpo.

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Genética del desarrollo en Drosophila • Gradientes en los ejes posterioranterior y dorsal-ventral en el huevo. • Subsiguiente determinación de regiones en el embrión que se corresponden directamente con segmentos del cuerpo del adulto. • En Drosophila hay tres clases principales de genes del desarrollo – genes de efectos maternos: especifican los gradientes en el huevo – genes de segmentación: determinan los segmentos del embrión y del adulto – genes homeóticos: especifican la identidad de los segmentos. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Genes de efectos maternos y de segmentación • Los genes de efectos maternos bicoid, nanos y torso regulan la formación de las estructuras anterior, posterior y terminal, respectivamente. – La proteína BICOID se acumula en la parte anterior del huevo y la NANOS en la posterior. La proteína TORSO se distribuye homogéneamente, pero sólo será activada en las partes terminales.

• Los genes de segmentación se dividen en tres clases: – Los genes gap dividen embrión en grandes regiones. – A continuación los genes de la regla de pares dividen el embrión en un número de regiones, cada una de las cuales contiene un par de parasegmentos. – Finalmente los genes de polaridad del segmento se expresan para determinar las regiones que se corresponderán con los segmentos en el embrión y en el adulto. Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo

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Genes homeóticos (Hox) •

•

•

• Comp lejo bith orax

Determinan la identidad de cada segmento con respecto la parte corporal a la que darán lugar en el adulto. Los mutantes homeóticos provocan que un segmento se desarrolle en una parte corporal diferente de la normalmente especificada. Comparten secuencias similares de unos 180 pb que se denominan homebox, que dan lugar a homeodominios proteicos capaces de unirse al DNA. Estas secuencias suelen estar muy conservadas también han sido observadas en otros organismos. Los genes homeóticos aparecen en todos los fila animales, a excepción de esponjas y cnidarios.

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Mutaciones homeóticas

Mutaciones an ten n apedia

Mutaciones bith orax

• El complejo Antennapedia agrupa varios genes que determinan la identidad anterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales. • El complejo Bithorax agrupa varios genes que determinan la identidad posterior de la mosca. A menudo las mutaciones en estos genes son letales.

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