genética teoría tema 6 regulación genética los sistemas procariotas y eucariotas la...
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Genética teoríaTema 6Regulación 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
La teoría del operón
Unidad de organización genética que permite la regulación simultánea de genes estructurales generalmente relacionados en respuesta a cambios ambientales
Los actores
Inducción
Represión
No hay lactosa en la célulaEl represor está unido al operadorLos genes Z, Y y A no se expresan
Genes estructurales
Represor +inductorNo se uneal operador y se expresan Z, Y y A
La ARN polimerasa inicia la transcrición porque el promotor está accesible
Genrepresor
Promotor
Operador
Monómeros
Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa
E. coli en un medio con glucosa y lactosa NO utiliza la lactosa,NO inicia la transcripción de los genes del operón lac hasta agotar la glucosa
¿Por qué la lactosa no actúa como inductor en estas condiciones?
Existe otro tipo de control en el operón lac mediado poradenosine monofosfato cíclico cAMP y proteína activadora cAMP CAP
Control positivo
AMPc-CAPactúa sobreotros operones:gal y ara
Adenil ciclasa
Regulación positiva:CAP unida a cAMP.
CAP-cAMPpermite la unión al ADNy promueve la expresióndel operón lac
El inductor unido al represor no inhibe la expresión porque es necesaria la presenciadel regulador positivoCAP-cAMP para laexpresión del operón lac
Represión por catabolito:La glucosa disminuye ladisponibilidad de laadenilato ciclasa y reduce los niveles del cAMPpara la unión al CAP
Represión por catabolito afecta al operón lac y los operones gal y araPero hay otros reguladore positivos específicos de un operón: AraC
No hay transcripción delos genes estructurales BAD
Transcripción de los genes estructurales BAD
RNA polimerasa
Degradación del azúcar arabinosa es un sistema inducible en presencia de arabinosa
Mutación en araCRecesivapérdida de función
Estudios de mutantes araC- NO expresan altos niveles de los genes araBAD
Control positivo
La proteína AraC no se une al ADN del promotor
Cuando la mutación en una proteína regulatoria resulta en la no expresión de los genes debe ser un regulador positivo (activador), si la mutación causa una expresión constitutiva de los genes entonces es un regulador negativo (represor)
Mutación engen regulador
activador represor
Expresión degenes estructurales
ausente constitutiva
Tipo de control positivo negativo
En el operón lac tanto el represor (el regulador negativo) como CAP (regulador positivo) son proteínas que ejercen su función a través de la unión al ADN en sitios específicos
Proteína represora marcada radiactivamente
ADN viral y bacterianoOperon lac lacO+
Mezclar ADN y proteínaSedimentar por centrifugación en gradiente de glicerol
Cosedimentación del ADN operón lac y represor marcado
ADN viral y bacteriano
Operon lac lacOC
Proteína represora marcada radiactivamente
Mezclar ADN y proteínaSedimentar por centrifugación en gradiente de glicerol
Solo ADN operón lac No hay represor marcado
Muchas proteínas de unión a ADN contienen motivos Helix-turn-Helix
2 α Hélices separadas por una vuelta en la estructura de la proteína (HTH)
El motivo HTH encaja en el surco mayor del ADN
Los amino ácidos en el α hélice identifica a la secuencia de bases del ADN
Reconoce al operador en el fago P22434
Sitio de unión de CAP-cAMP Sitio de unión de ARN polimerasa
Sitio de unión en el operador
Sitio de iniciación de la transcripción
Sitio de iniciación del ORF de lacZ
Contacto físico entre CAP y ARN polimerasa
Sitio de unión de CAP
¿Como las proteínas reguladoras interactúan con la ARN polimerasa?
Triptófano ausente
Triptófano presente
Co-represorrepresor
El triptófano actúa como un co-represor
La síntesis del triptófano es una ruta anabólica y la presencia del producto final reprime la expresión del operón
Otros sistemas modelo en Escherichia coli: la síntesis del triptófano
La máxima expresión de los genes trp ocurre cuando triptófano está ausente del medio
La unión del co-represor altera la forma del represor y permite su unión al operadorNO hay transcripción
El represor no se une al operador, hay transcripción
La atenuación del operón triptófano en E. coli
Bacteria TrpR - O + trpE+ trpD+ trpC+ trpB+ trpA+
¿Expresión constitutiva de los genes estructurales trp independiente de la presencia del triptófano?
Expresión del Operón en cepas trpR+ y trpR- (%)
Triptófano en el medio + -
trpR+ 8 100
trpR- 33 100
Hay un mecanismo independiente del represor que reprime la expresión
Triptófano presente
La unión del co-represor altera la forma del represor y permite su unión al operador
NO
La atenuación del operón triptófano en E. coli
Transcripción: produce dos ARN
Sitio de atenuación
Operador
Promotor Leader
¿Por qué hay una terminación de la transcripción prematura?
Atenuación: control de la expresión genética mediante la terminación prematura de la transcripción
140 pb
La atenuación del operón triptófano en E. coli
La lectura de los primeros 14 codones determina cual estructuras se forman. El codon trp UGG esta dos veces al principio y la transcripción censa la presencia de triptófano en la célula.
En la secuencia leader potencialmente se pueden formar estructuras alternas secundarias de tallos y asas.Tallo 1-2 permite formar tallo 3-4 que es un terminador Rho independiente y detienen la transcripción.Tallo 2-3 no permite formar el tallo 3-4 y hay transcripción
2Xcodones
trp
Codones trp
La atenuación del operón triptófano en E. coli
Se produce un ARN atenuado, truncado de 140 pb
Triptófano presente
El ribosoma transcribe pasando los 2 codones trp.No se forma el tallo 2-3
ARNttrp
disponible
Se forma el asa 3-4 y termina la transcripción
La atenuación del operón triptófano en E. coli
Continua la transcripción
Triptófano ausente
El ribosoma se atasca en los codones trp
ARNtTrp
no disponible
Al detenerse el ribosoma permite la formación de la horquilla con tallo 2-3 que previene la estructura del asa 3-4
Se produce un ARNm policistrónicio con todos los genes estructurales del operón trp
La traducción simultánea de un péptido de la región leader determina el control fino de la transcripción a través de censar los niveles de ARNtTrp.
El sistema de atenuación existe para los operones His, Phe, Thr y Leu
Codones trp
¿Cómo demostramos que existe la estructura secundaria y que la traducción del leader participa en su formación?
• Deleción de la secuencia leader:
• Mutaciones que alteran la formación de la estructura del tallo:
pérdida del control por atenuaciónMutantes trpR – no responde a triptófano en el medio
Promotor
OperadorSitio de
atenuaciónOperador
Promotor Leader
afectan la regulación, no hay atenuaciónmutaciones que restituyan el tallo, recuperan la atenuaciónX
El papel de la ARN polimerasa en la transcripción
La inducción de factores sigma alternativos que reconocen diferentes secuencias de promotores sirve como un mecanismo global de regulación en muchas bacterias
• Respuesta choque térmico en E. coli • Esporulación en Bacillus subtilis• Síntesis del flagelo• Fijación del nitrógeno en Klebsiella y Rhizobium
Diferencias básicas en la regulación de la expresión entre procariotas y eucariotas
Control de la transcripción a través de proteínas de unión al ADN SI SI
Reutilización de los mismos motivos de unión a ADNpor diferentes proteínas de unión a ADN SI SIProteínas activadoras SI SI
Proteínas represesoras SI SI
Especificidad de unión al ADN de la proteína regulatoria Específica Altamente Específica
Afinidad de unión Fuerte Muy fuertePapel de la estructura de la cromatina NO SI
Control coordinado alcanzado con los operones SI RaroEdición diferencial NO SIAtenuación SI NOProcesamiento del ARN NO SIPoliadenilación diferencial NO SI
Transporte diferencial del ARN del núcleo al citoplasma NO SI
Características Procariotas Eucariotas