Transcript operón lac - Genética y Biología Molecular

Universidad Nacional
Autónoma de México
Facultad de Química
Curso Genética y Biología Molecular (1630)
Licenciatura
Químico Farmacéutico Biológico
Dra. Herminia Loza Tavera
Profesora Titular de Carrera
Departamento de Bioquímica
Lab 105, Edif E
5622-5280
[email protected]
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
El alumno...
1. Regulación
genética en
procariontes
2. Regulación
genética en
eucariontes
Conoci- Compren- Aplicamiento
sión
ción
1.1. Conocerá los distintos niveles de regulación genética.
X
1.2. Identificará las diferencias entre regulación positiva y
negativa.
1.3. Comprenderá el concepto de inducción y represión.
1.4. Conocerá el concepto de operón, genes reguladores,
genes estructurales, promotor, reguladores en cis y trans.
1.5. Comprenderá el funcionamiento del operón lac.
X
1.6. Comprenderá el modelo de represión catabólica: AMPc y
CAP.
1.7. Conocerá los sistemas de regulación por atenuación:
operón del triptófano.
2.1. Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas
en la regulación genética.
2.2. Conocerá las características de los factores de
transcripción y su papel en la regulación de la expresión
genética.
2.3. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la
regulación de la expresión genética.
2.4. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de
la expresión genética (microRNAs).
X
X
X
X
X
X
X
X
X
1. REGULACIÓN DE LA
EXPRESIÓN GENÉTICA
EN PROCARIOTES
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
ALOSTERISMO
REGULACIÓN
DE LA
ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
CELULAR
POSITIVO O NEGATIVO
POR PRODUCTO,
RETROALIMENTACIÓN
REGULACIÓN COVALENTE
a) MODIFICACIONES POSTTRADUCCIONALES
b) ZIMÓGENOS
ISOENZIMAS
SÍNTESIS
CANTIDAD DE
ENZIMA
DEGRADACIÓN
Regulación a nivel de:
• Transcripción
• Traducción
DNA
Transcripción
mRNA
Traducción
PROTEÍNA
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
Los genes se expresan con diferente
eficiencia y se regulan por distintos
mecanismos
A
Regulación traduccional
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
En bacterias, el principal nivel de
regulación es el transcripcional
GENE CON
GENE CON
Regulación positiva (+)
Regulación negativa (-)
El gene “se enciende”
El gene “se apaga”
(se empieza a transcribir o se
transcribe más)
(no se transcribe o se
transcribe menos)
El modelo del Operón lac
F. Jacob
J. Monod
A. Lwoff
Expresión inducible
La lactosa es hidrolizada por la
b-galactosidasa para generar
glucosa y galactosa
La b galactosidasa
también convierte
parte de la lactosa
en alolactosa
Alolactosa
La síntesis de la b-galactosidasa se
induce cuando hay lactosa en el medio
La b-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.
En bacterias los genes están organizados
en operones por lo que la expresión es
coordinada
DNA
RNA polimerasa
Componentes de un operón
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)
Un operón es un conjunto de genes, localizados
contiguamente en el DNA, que obedece a las mismas
señales de encendido o apagado.
Los operones están formados por genes
estructurales y una región de control
Galactosidasa
Permeasa
Transacetilasa
Cuando no hay lactosa en el medio,
el operón lac está apagado
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los
genes z, y, a
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
Operón
reprimido
El represor unido al sito operador
previene la transcripción de los genes
z, y, a
Operón
inducido
b Galactosidasa
El inductor se une al represor y
entonces éste ya no se une al DNA,
permitiendo la transcripción
Permeasa
Transacetilasa
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 b-galactosidasa en la célula
La lactosa es convertida a alolactosa
por la b 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
CRP une cAMP
También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein.
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.
Si los niveles de glucosa son
bajos, hay mucho cAMP.
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
¿Cómo se regula el operón lac cuando hay
glucosa en el medio?
+ glucosa
– lactosa
Represor
RNApol
No se transcribe
Regulación
negativa
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
¿Qué le pasa al operón lac en
presencia de lactosa aún cuando
exista glucosa?
inductor (lactosa)
+ glucosa
+ 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
Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos.
La síntesis del mRNA lac es pobre.
¿Qué le pasa al operón lac
cuando hay lactosa en el medio y
no hay glucosa?
Activador
La transcripción es alta
- glucosa
+ lactosa
Regulación
positiva
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.
¿Qué le pasa al operón lac cuando no
hay glucosa ni tampoco lactosa?
Como el represor está unido al promotor
- glucosa
- lactosa
RNApol
¡No hay transcripción!
Aunque los niveles de cAMP
sean altos y el activador
esté presente....
Regulación negativa
En presencia
de glucosa y
ausencia de
lactosa
En presencia
de lactosa y
ausencia de
glucosa
Regulación positiva
+ lactosa
[glucosa]
[AMPc]
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
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.
¿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
Comparación entre Operón Lac y 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
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 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
tRNA-Trp
El ribosoma NO se detiene
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
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
Regulación del operón trp
Regulación por posición del gen
en el operón
Traducción más eficiente
Regulación por Shine-Dalgarno
Traducción
más eficiente
Traducción
menos eficiente
Traducción menos eficiente