Universidad Nacional Autónoma de México

Curso Genética y Biología Molecular (1630)Licenciatura

Químico Farmacéutico Biológico

Facultad de Química

Dra. Herminia Loza TaveraProfesora Titular de Carrera

Departamento de BioquímicaLab 105, Edif E

5622-5280hlozat@unam.mx

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

Objetivos particulares

VIII. Regulación de la expresión genética

El alumno... Conoci-miento

Compren-sión

Aplica-ción

2. Regulación genética en eucariontes

2.1. Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas en la regulación genética.

X

2.2. Conocerá las características de los factores de transcripción y su papel en la regulación de la expresión genética.

X

2.3. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la regulación de la expresión genética.

X

2.4. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de la expresión genética (microRNAs).

X

Dos genomas muy similares (98% de identidad en su secuencia)

La diferencia crucial radica en sus mecanismos de regulación génica

Dos células con el mismo genoma y diferente fenotipo

Los mecanismos de regulación génica son los encargados de la diferenciación celular

En eucariontes hay muchos puntos de regulación

Diferentes niveles de regulación genética

Regulación transcripcional

Regulación post-transcripcional

Regulacióntraduccional

Regulaciónpost-traduccional

Regulación Transcripcional(a nivel de DNA)

Componentes fundamentales

Secuencias definidas en el DNA (p. ej. región operadora del operón lac en procariotes) (factores en cis)

Proteínas reguladoras que reconocen dichas secuencias y se unen a ellas (p. ej. represor del operón lac en procariotes) (factores en trans)

Promotor: secuencia de nucleótidos necesaria para la fijación de la RNA polimerasa.

Secuencias reguladoras:

A) Intensificadoras (enhancers): secuencias que estimulan la transcripción y cuya localización puede ser a miles de nucleótidos de distancia "río arriba o abajo" del promotor

B) Silenciadoras (silencers): secuencias que inhiben la transcripción. También pueden hallarse muy distantes del promotor.

Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con el sitio promotor. Son esenciales para la transcripción pero no pueden aumentar o disminuir su ritmo.

Factores específicos de la transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser activadoras o represoras.

C) Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen.

D) Proteínas represoras: interaccionan con las secuencias silenciadoras del gen.

Componentes fundamentales de la regulación transcripcional

Secuencias definidas en el DNA

*URE (Elementos regulatorios “río arriba”). Son sitios de unión de otras proteínas (factores de transcripción) que facilitan la unión de la RNA polimerasa y la transcripción de ese gen. De 100 a 200 pb del inicio.Enhancers (Secuencias Intensificadoras). Regiones en el DNA que están alejadas por más de 1000 pb del sitio de inicio y que activan al promotor para que ocurra una transcripción más eficiente.

Inicio de la transcripción

Caja TATA: TATA(A/T)A(A/T)

-18 - 25 nts

(-1000)

Factores de transcripción(basales y específicos)

ActivadoresRepresores

CoactivadoresFactores de

transcripción basal

Los factores de transcripción hacen contacto con la doble hélice mediante: Puentes de hidrógeno

Enlaces iónicos

Interacciones hidrofóbicas

Por si solas, dichas interacciones son débiles, pero el hecho de que sean múltiples hace que el complejo proteína-DNA esté unido muy fuertemente, además de darle específicidad a la unión

Los factores de transcripción reconocen regiones específicas en la doble hélice, determinadas por la secuencia

Reconocen patrones de donadores y aceptores de puentes de hidrógeno, y zonas hidrofóbicas, principalmente en el surco mayor

Código de reconocimiento

No todos los factores de transcripción reconocen al DNA en su estructura regular

Se creía que todo el DNA de una célula tenía una estructura homogénea

Nuevos estudios han revelado que existen zonas con “irregularidades” en la estructura del DNA. Muchas de ellas hacen que la doble hélice se doble y dependen de la secuencia (p. ej. AAAANN).

Ciertos factores de transcripción reconocen específicamente estas zonas de DNA “curvo”

Factores de Transcripción Además de los factores de transcripción generales que forman el

complejo basal de transcripción, hay otras proteínas que se unen con alta afinidad a motivos específicos en los promotores, en los elementos regulatorios y en las regiones intensificadoras.

Cremallera (zipper) de leucinas

Hélice – vuelta – Hélice Dedos de Zinc

Poseen dos actividades • Se unen fuertemente al

DNA• Activan (Activadores) o

reprimen (Represores) la transcripción

Estas dos actividades distintas residen en dominios discretos y bien caracterizados de

los factores de transcripción Además, pueden tener dominio de dimerización, pues es

frecuente que actúen como homodímeros o heterodímeros. Algunos factores de transcripción también tiene un dominio de

unión a un ligando, por ejemplo, a una hormona.

Dominio de Unión al DNA Dominio de Dimerización

Dominio de Transactivación

Dominios de unión al DNA

Hélice-Vuelta-Hélice

Dominio Hélice-vuelta-Hélice.

4 Hélices alfa.

Las hélice 2 y 3 están separadas por un giro de tal manera que quedan en ángulo recto.

Una o dos hélices se unen al surco mayor del DNA

Secuencia específica reconocida por la proteína Cro del bacteriofago lambda

Ejemplos de dominios hélice-vuelta-hélice

Los motivos hélice-vuelta-hélice están presentes en factores de transcripción

homeóticosLos factores de transcripcion homeóticos regulan la

expresión de genes durante el desarrollo embrionario.

Estos factores de transcripción se encuentran altamente conservados en eucariontes.

La posicion de sus genes en el cromosoma se encuentra en el mismo orden de las regionesdel embrión cuyo desarrollo controlan.

antenapedia

Inducción de ojos ectópicos en Drosophila mediante la mutación del factor de transcripción (activador) ey

Factores de transcripción homeóticos

Dominios de unión al DNA

Dedo de Zinc

Dominio dedo de Zinc

Se forma un asa de 12 aminoácidos que contiene 2 His y 2 Cys. Estos AA coordinan a un ión Zn2+

Esta estructura se repite tres o más veces a lo largo del dominio.

Ejemplo:Factor de transcripción Sp1

Dominio de dimerización

Zipper de Leucina

Zippers de Leucina

Contiene una región rica en Leu (cada 7 aa, hay Leu).

Se forma una superficie hidrofóbica en una hélice

Esta estructura se forma en las dos subunidades que forman el dímero. Hay interacciones hidrofóbicas entre ellas.

No es posible predecir de manera precisa las secuencias de DNA que reconocerán los distintos factores

de transcripción

La expresión genética en eucariontes requiere de cambios en el estado de la

cromatina

Acetilación

Remodelaciónde la cromatina

Los activadores ayudan a reclutar acetilasas de histona y al complejo de

remodelación de la cromatina

Desacetilasas de Histonas

(HDACs)

Acetilasas de Histonas(HATs)

Del código genético al código epigenético

Los activadores actúan de manera sinérgica

Mecanismos de acción de los represores

Complejos formados in situ sobre el DNA

Cada gen tiene una combinación particular de intensificadores y silenciadores.

Genes distintos pueden compartir idénticas secuencias intensificadoras y silenciadoras, pero no existen dos genes que posean la misma combinación de estas secuencias reguladoras.

Estructuras que permiten interacción entre proteínas alejadas

RNA de interferencia:Fenómeno de silenciamiento génico post-trascripcional mediado por un dsRNA con secuencia complementaria a

un mRNA específico

RNA de interferencia (RNAi)

RNAi

RNAi

El mRNA es degradado

dsRNA dirigido contra un mRNA específico

El complejo reconoce a un mRNA específico

RNAi

dsRNA-GFP

RNAi en la célulaDiferentes procesos generan RNA de doble cadena

Mecanismo de generación de RNAi

El RNAi tiene diversas aplicaciones Cáncer: silenciamiento de oncogenes, determinación de

genes involucrados en la resistencia a fármacos Enfermedades infecciosas: VIH, influenza,

herpesvirus, papilomavirus. Estudio de la función de un gen mediante su

silenciamiento

Receptores nucleares a hormonas Receptores a estrógenos, progesterona, testosterona Receptores a glucocorticoides (cortisona, hidrocortisona,

dexametasona) Receptores a ácido retinoico, tiroxina y Vitamina D

Regulación por hormonas

Superfamilia de receptores nucleares

Receptores nucleares tipo IEl receptor unido a una HSP (Heat Shock Protein) se encuentra en el citoplasma

Receptores de hormonas sexuales y de glucocorticoides

Receptores nucleares tipo II

Receptores de vitaminas A y D, ácido retinoico y hormona tiroidea

El receptor se encuentra en el núcleo, unido al DNA y está inactivado por un co-represor

Otros receptores de hormonas están en la membrana plasmática y se requiere de una cascada

de señalización para la transcripción de genes

Control transcripcional Factores de transcripciónGrado de condensación de la cromatinaGrado de metilación

Control post-transcripcional

Splicing alternativoCappingPoliadenilación

Control transporte del mRNA

Mecanismos que determinan si el mRNA maduro sale o no a citosol

Control traduccional Mecanismos que determinan si el mRNA presente en el citosol es o no traducido

Control de la degradación del mRNA

Mecanismos que determinan la supervivencia del mRNA en el citosol

Control de la actividad proteica

Mecanismos que determinan la activación o desactivación de una proteína, como así también el tiempo de supervivencia de la misma.

Resumen de los mecanismos de regulación genética en eucariontes