REGULACIÓN DE LA REGULACIÓN DE LA REGULACIÓN DE LA REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EXPRESIÓN GENÉTICA EXPRESIÓN GENÉTICA EXPRESIÓN GENÉTICA EN PROCARIOTASEN PROCARIOTASEN PROCARIOTASEN PROCARIOTAS

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

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA CELULAR

ALOSTERISMO POSITIVO O NEGATIVO

REGULACIÓN COVALENTE

a) MODIFICACIONES POST-TRADUCCIONALES

b) ZIMÓGENOS

POR PRODUCTO, RETROALIMENTACIÓN

ISOENZIMAS

CANTIDAD DE ENZIMA

SÍNTESIS DEGRADACIÓN

Transcripción

DNADNADNADNA

mRNAmRNAmRNAmRNA

PROTEÍNAPROTEÍNAPROTEÍNAPROTEÍNA

Traducción

Regulación a nivel de:

• Transcripción

• Traducción

Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos

mecanismos

Regulación transcripcional

Aumenta el número de transcritos

Resultando en un aumento en la cantidad de proteína

A B B B B

B B B B

B B B B

B B B B

Regulación traduccional

Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos

mecanismos

En bacterias, el principal nivel de regulación es el transcripcional

GENE CON

Regulación positiva (+)

El gene “se enciende”

(se empieza a transcribir o se transcribe más)

GENE CON

Regulación negativa (-)

El gene “se apaga”

(no se transcribe o se transcribe menos)

El modelo del Operón lac

F. Jacob J. Monod A. Lwoff

Expresión inducible

La β galactosidasa también convierte parte de la lactosa en alolactosa

La lactosa es hidrolizada por la ββββ-galactosidasa para generar glucosa y galactosa

Alolactosa

La β-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.

La síntesis de la ββββ-galactosidasa se induce cuando hay lactosa en el medio

En bacterias los genes están organizados en operones por lo que la expresión es

coordinada

DNA

RNA polimerasa

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)

Componentes de un operón

Un operón es un conjunto de genes, localizados contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.

DNA

RNA polimerasa

Los operones están formados por genes estructurales y una región de control

Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a

Cuando no hay lactosa en el medio, el operón lac está apagado

Cuando hay lactosa en el medio, el represor se disocia del operador y los genes z, y, a pueden ser transcritos

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

El inductor se une al represor y entonces éste ya no se une al DNA, permitiendo la transcripción

ββββ Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a

Operón reprimido

Operón inducido

El Operon lac se activa para poder utilizar a la lactosa como fuente de

carbono

Genes estructurales

Gen regulador

Normalmente, hay una expresión baja del operón lac lo que permite que haya un poco

de ββββ-galactosidasa en la célula

La lactosa es convertida a alolactosa por la ββββ galactosidasa. La alolactosa

es el inductor del operón lac.

Aún en ausencia del represor, la activación del operón lac requiere la pariticipación de un

activador: CRP o CAP

Activador CRP. cAMP receptor protein

También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein.

Si los niveles de glucosa son altos, hay poco cAMP.

Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho cAMP.

CRP une cAMP

Este activador regula la expresión con base en los niveles de glucosa presentes en el sistema

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.

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

RNApol

No se transcribe

¿Cómo se regula el operón lac cuando hay glucosa en el medio?

Regulación negativa

Represor

+ glucosa – lactosa

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 β galactosidasa

+ glucosa + lactosa

Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo

que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción

basal).

¿Qué le pasa al operón lac en presencia de lactosa aún cuando

exista glucosa?

inductor (lactosa)

La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar

RNApol

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

Regulación positiva

La transcripción es alta

Activador

¿Qué le pasa al operón lac cuando hay lactosa en el medio y

no hay glucosa? - glucosa + lactosa

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.

- glucosa - lactosa

¡No hay transcripción!

¿Qué le pasa al operón lac cuando no hay glucosa ni tampoco lactosa?

Como el represor está unido al promotor

RNApol

Aunque los niveles de cAMP sean altos y el activador esté presente....

Regulación negativa

En presencia

de lactosa y

ausencia de

glucosa

En presencia

de glucosa y

ausencia de

lactosa

Regulación positiva

[glucosa]

[AMPc]

+ lactosa

Represión por catabolito del operón lac (Elección del mejor azúcar a metabolizar)

CAP= Catabolite activator protein

Activación del operón lac

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

El gen I actúa en trans

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.

Secuencia del operador lac al que se une el represor I

Sitio del promotor lac al que se une CAP

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.

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)

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

El Operón Trp

De manera normal, Escherichia coli está expresando su operón Trp. En este caso el represor codificado por el gen regulador, es inactivo.

Sin triptófano en el medio

Regulación negativa

Complejo Represor-Corepresor

+ Triptófano en el medio

¿Qué ocurre cuando hay 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.

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 Operón Trp

Regulación de la expresión genética a nivel traduccional

Atenuación del operón Trp

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 .

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.

Mecanismo de atenuación

Se inhibe la transcripción y traducción del resto del operón

+ triptófano tRNA-Trp El ribosoma NO se detiene

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.

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.

La transcripción y traducción del resto del operón se lleva a cabo

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.

Regulación del operón trp

Regulación por posición del gen en el operón

Traducción más eficiente Traducción menos eficiente

Regulación por Shine-Dalgarno

Traducción más eficiente

Traducción menos eficiente