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!
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CONTROL DE LA
! !
! !!!!!!!expresion genica
!
!
§ Todas!las!células!de!un!organismo!contienen!el!mismo!material!genético!que!codifica!para!todas!las!proteínas!y!
moléculas!de!ARNs!necesarias!
§ En!cada!celula!solo!se!expresan!específicamente!una!selección!de!genes!específicos!en!tiempo!y!espacio!y!esto!
está!regulado!por!diferentes!mecanismos!de!control!génico!
§ A!estos!genes!se!los!llama!genes!histoespecificos!
§ El!tiempo!está!definido!por!el!momento!especifico!en!el!que!se!encuentra!una!celula!en!el!ciclo!celular!y!la!
necesidad!de!una!proteína!determinada!en!el!mismo!
§ El!espacio!está!representado!por!la!ubicación!de!cada!celula!perteneciendo!a!un!tejido!
§ Las!células!de!un!tejido!expresaran!genes!que!otras!células!de!un!tejido!diferente!no!lo!hacen,!logrando!la!
diversidad!de!la!diferenciación!tisular!
§ Las!células!producen!proteínas!especificas!dependiendo!del!momento!del!ciclo!en!el!que!se!encuentren,!y!el!
lugar!del!cuerpo!en!el!que!se!ubican!
§ Muchos!otros!genes!esenciales!para!la!celula!como!los!genes!de!proteínas!que!intervienen!en!el!metabolismo,!
de!proteínas!estructurales!como!la!actina,!polimerassa,etc,!se!encuentran!expresados!en!forma!constitutiva,!es!
decir,!constantemente!sin!ser!regulados!por!señales!externas!o!internas!y!se!encuentran!expresados!en!grandes!
cantidades!en!todos!los!tipos!celulares!
MOMENTOS Y LUGARES ESPECIFICIOS EN LOS QUE SE PUEDE REGULAR LA EXPRESION GENICA
Regulando el momento y la frecuencia de transcripción (control transcripcional):
!se!regula!cuando!y!con!qué!frecuencia!se!
transcribe!un!gen!
Controlando el modo del procesamiento de los transcriptos primarios de ARN (control de procesamiento de ARN
):!se!controla!el!
modo!de!maduración!de!los!transcriptos,!actuando!en!el!splicing!alternativo!
Seleccionando los mensajeros maduros que van a ser transportados al citoplasma (control de transporte de ARN):
!se!controla!
cuales!ARNm!van!a!salir!del!núcleo!hacia!el!citoplasma,!y!la!ubicación!en!el!citoplasma!
Regulando la traducción de los mensajeros citoplasmáticos (control traduccional):
!se!seleccionan!los!ARNm!que!van!a!ser!
traducidos!por!ribosomas!
Desestabilizando (dejando susceptible a degradación) selectivamente algunas moléculas de ARNm citoplasmático
+
(control de
degradación de los ARNm):
!se!desestabilizan!o!degradan!selectivamente!algunas!moléculas!de!ARNm!en!el!citosol!celular.!
Para!ello!se!usan!los!ARN!de!interferencia!(miARN!y!siARN)!
Regulando la actividad de la proteína producida (activación e inactivación proteica):
!se!regula!activando,!inactivando,!
degradando!o!ubicando!de!modo!selectivo!las!proteínas!ya!sintetizadas!
!
CONTROL DE LA TRANSCRIPCION EN EUCARIOTAS
§ Existen!múltiples!formas!de!silenciar!un!gen,!es!decir,!disminuir!la!cantidad!de!proteína!que!produce!ese!gen!al!
impedir!que!se!transcriba!
§ Estos!mecanismos!se!agrupan!en!dos!grandes!familias!
!
!
Inactivación a corto plazo:
!son!inactivaciones!reversibles!y,!por!tal,!tienden!a!durar!poco!en!el!tiempo.!Involucra!los!
enhancers!y!silencers,!los!dominios!de!unión!ADN-proteínas,!los!factores!de!transcripción!y!las!hormonas!esteroideas!
Inactivación a largo plazo:
!la!inactivación!del!gen!se!mantiene!en!el!tiempo!de!forma!prolongada.!Involucra!a!la!
modificación!de!histonas!(acetilaciones,!metilaciones!y!fosforilaciones),!la!metilación!del!ADN!(imprinting)!y!la!
remodelación!de!nucleosomas!!
LAS SECUENCIAS ENHANCERS
§ Los!enhancers!son!secuencias!de!ADN!que!activan!la!transcripción!de!un!gen!especifico!
§ Estas!secuencias!activadores!(enhancers)!actúan!por!medio!de!unión!de!factores!de!transcripción!o!proteínas!de!
activación!que!interactúan!con!los!factores!generales!de!transcripción!o!con!la!ARN!polimerasas!ubicados!en!el!
promotor!del!gen!que!será!activado!
§ Los!enhancers!se!diferencian!de!los!promotores!en!que!actúan!independientemente!de!la!posición!con!respecto!
al!gen,!es!decir!que!no!es!necesario!que!estén!ubicados!en!una!región!en!particular!para!que!sean!funcionales!
§ Pueden!encontrase!rio!arriba!del!gen,!tanto!cerca!como!lejos!del!promotor!
§ Pueden!también!encontrarse!rio!abajo!del!gen,!e!incluso!dentro!del!gen!
§ Generalmente,!se!encuentran!rio!arriba!del!gen,!por!eso!se!los!suele!marcar!en!esa!posición!en!los!esquemas!de!
los!genes!
§ Estos!elementos!son!independientes!de!la!orientación,!si!se!los!invierte!por!ingeniería!genética!siguen!
funcionando!
LAS SECUENCIAS SILENCERS
§ Actúan!a!distancia!modulando!la!transcripción!
§ Inhiben!la!transcripción!en!lugar!de!estimularla!
§ Estos!elementos!causan!un!superenrollamiento!y!condensación!de!la!cromatina,!quedando!esta!inaccesible!e!
inactiva!
§ A!veces,!una!misma!región!de!ADN!puede!actuar!como!enhancer!o!silencer!según!que!proteína!se!una!a!el!
§ Existen!otros!mecanismos!de!control!génico!que!consisten!en!modificaciones!estructurales!de!la!cromatina!
como!superenrrollamiento!y!condensación!así!como!modificaciones!covalentes!como!metilación,!acetilación!y!
fosforilacion!
MOTIVOS ESTRUCTURALES DE UNION AL ADN EN LAS PROTEINAS DE REGULACION GENICA
§ Las!proteínas!de!regulación!génica!(los!factores!de!transcripción)!poseen!uno!de!entre!una!pequeña!serie!de!
motivos!estructurales!característicos!que!se!unen!al!ADN!y!pueden!leer!secuencias!especificas!sin!necesidad!de!
abrir!la!doble!hélice!
§ La!mayoría!de!estas!proteínas!se!unen!al!surco!mayor!del!ADN!
§ Se!relacionan!entre!sí!porque!tienen!una!forma!muy!particular,!llamados!“motivos”,!que!permiten!unirse!al!ADN!
y!reconocer!al!gen!especifico,!sin!necesidad!de!abrir!la!hélice!del!ADN!
§ Estos!motivos!son:!
Hélice- giro-hélice:
!se!encuentra!en!centenas!de!proteínas!tanto!eucariotas!como!procariotas.!Consta!de!dos!hélices!
conectadas!por!una!corta!cadena!de!aa!que!forman!el!“giro”.!Aparte!de!esta!región!hélice-giro-hélice,!la!estructura!de!
las!proteínas!que!contienen!este!motivo!varía!enormemente.!Estas!proteínas!se!unen!como!dímeros!simétricos!a!
secuencias!de!ADN!que!están!formadas!por!dos!medios-lugares!muy!similares,!también!organizados!simétricamente!
Dedos de Zinc:
!son!formas!estructurales!acomplejadas!con!un!átomo!de!zinc!que!tienen!el!aspecto!!de!un!dedo.!Existen!
diferentes!tipos!de!dedos!de!zinc,!el!motivo!más!simple!consiste!en!una!alfa!hélice!y!una!lámina!beta!mantenidas!unidas!
!
!
por!el!zinc.!Este!tipo!de!zinc!se!encuentra!agrupado!con!otro!dedo!de!zinc,!organizados!uno!detrás!del!otro!de!modo!que!
la!alfa!hélice!puede!contactar!con!el!surco!mayor!del!ADN.!Otro!tipo!de!dedos!de!zinc!consiste!en!dos!alfa!hélices!unidas!
por!un!átomo!de!zinc!
Cierre o cremallera de leucinas:
!formada!por!dos!alfa!hélices,!una!de!cada!monómero,!que!contiene!una!leucina!cada!siete!
aa!y!se!mantienen!unidas!por!interacciones!entre!aa!hidrofóbicos,!leucinas!formando!un!corto!enrollamiento.!Las!
proteínas!con!estos!motivos!se!unen!al!ADN!siempre!como!dímeros,!formados!por!dos!subunidades!iguales!!
(homodimeros)!o!por!subunidades!diferentes!(heterodimeros)!
§ Aunque!ambas!estructuras!de!dedos!de!zinc!son!diferentes,!comparten!dos!rasgos!importantes.!Ambas!utilizan!
el!zinc!como!elemento!estructural!y!ambas!utilizan!la!alfa!hélice!para!reconocer!el!surco!mayor!del!ADN.!Las!
estructuras!de!lámina!beta!también!pueden!reconocer!muchas!secuencias!diferentes!de!ADN!
FACTORES DE TRANSCRIPCION
§ Todas!las!enzimas!ARN!Pol!requieren!obligatoriamente!a!los!factores!de!transcripción!para!poder!actuar!
§ Los!factores!!de!transcripción!pueden!ser:!
!
Generales:
!son!los!factores!que!median!la!activación!de!la!enzima!ARN!polimerasa!y!su!correcta!unión!al!
promotor!de!un!gen!
!
Específicos:
!o!histoespecificos.!Son!los!que!se!unen!a!regiones!reguladoras!o!promotoras!específicas!de!los!
genes!y!regulan!el!grado!de!transcripción!
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ACETILACION DE HISTONAS
§ Este!mecanismo!permite!modificar!el!nivel!de!compactación!de!la!cromatina!
§ Cuando!a!las!histonas!se!las!acetila!en!el!aa!lisina,!se!relaja!la!cromatina!y!permite!su!transcripción!
§ La!desacetilacion!de!histonas!promueve!la!compactación!de!la!cromatina!e!impide!que!se!transcriba!
§ Las!enzimas!encargadas!de!acetilar!se!llaman!histona!acetil!transferasa!HAT!
§ Las!que!desacetilan!se!llaman!histonas!desacetilasas!HDA!
§ Al!acetilar!histonas!se!activa!un!gen!
§ Al!hipoacetilar!o!desacetilar!histonas!se!inactiva!un!gen!
§ Cuando!una!histona!es!acetilada,!pierde!su!carga!positiva!y!se!vuelve!neutra,!por!lo!que!pierden!la!afinidad!al!
ADN.!las!mas!susceptibles!son!la!H3!y!H4!
METILACION DE HISTONAS
§ Actúan!de!forma!inversa!a!la!acetilación!
§ Cuando!se!metila!a!las!lisinas!de!las!histonas!se!produce!la!compactación!de!la!cromatina!
§ La!desmetilacion!produce!relajación!de!la!cromatina!
§ La!enzima!encargada!de!la!metilación!es!la!histona!metil!transferasa!o!HMT!
§ La!metilación!de!histonas!inactiva!al!gen!
§ Las!HP1!son!proteínas!atraídas!por!las!hipermetilaciones!y!bloquean!al!ADN,!formando!así!a!la!heterocromatina!
METILACION DE BASES NITROGENADAS
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§ Sobre!todo!de!citosinas!que!preceden!a!guaninas,!produciendo!represión!transcripcional!(compacta!la!
cromatina)!
§ La!enzima!encargada!de!la!metilación!de!bases!de!citosina!es!la!enzima!que!se!llama!DNA!metil!tranferasa!o!
DNMT!
§ La!base!nitrogenada!más!frecuentemente!metilada!es!la!citosina!cuando!esta!junto!a!la!guanina!formando!la!
secuencia!CG!
§ Al!metilarse,!da!la!metilcitosina!y!forman!las!islas!CG!
§ Un!gen!inactivo!se!encuentra!metilado!en!las!citosinas!que!forman!las!islas!CG!
REMODELAICON DE NUCLEOSOMAS
§ Para!remodelar!la!cromatina,!se!hacen!modificaciones!covalentes!de!las!histonas!y!la!remodelación!del!
nucleosoma!
§ Es!un!mecanismo!poco!conocido!aun!
CONTROL DE LA DEGRADACION DE LOS ARN MENSAJEROS
§ El!mecanismo!de!interferencia!de!los!ARNm!se!trata!de!mecanismos!que!usan!ARN!de!doble!cadena!que!actúan!
impidiendo!la!lectura!de!los!ARNm!por!parte!de!los!ribosomas!o!cortando!al!ARNm!
§ Es!una!serie!de!mecanismos!que!actúan!impidiendo!la!traducción!y!actúan!a!nivel!de!la!degradación!de!los!
ARNm!
§ Hay!dos!tipos!de!ARN!de!interferencia:!los!micro!ARN!(miARN)!y!los!ARN!pequeños!!de!interferencia!(si!ARN)!
MICRO ARN
§ Son!ARN!no!codificantes,!es!decir,!no!tienen!información!para!la!secuencia!de!aa!de!una!proteína!
§ Son!sintetizados!por!la!ARN!Pol!II!
§ Las!células!humanas!producen!alrededor!de!1000!ARNmi!distintos!y!cada!ARNmi!puede!reconocer!a!100!ARNm!
distintos!
§ Muchos!de!los!genes!de!los!miARN!se!encuentran!en!intrones!de!genes!de!mayor!tamaño,!por!lo!que!son!
considerados!genes!anidados!
§ El!procesamiento!de!estos!miARN!involucra!el!agregado!de!un!capuchón!en!5!y!la!cola!poli!A!EN!3!(igual!que!los!
ARNm)!!
§ Para!seguir!madurando,!el!miARN!hace!lo!siguiente:!
1. En!núcleo!se!pliega!en!horquilla,!formando!los!pri-mi!ARN!
2. En!nucleo,!la!enzima!DROSHA!le!recorta!los!extremos,!formando!el!pre!miARN,!que!es!quien!sale!del!nucleo;!
tiene!un!tamaño!de!22!nucleótidos!
3. En!el!citosol,!la!enzima!DICER!lo!vuelve!monocatenario!y!lo!une!a!unas!proteínas!para!formar!RISC!
4. El!complejo!RISC!busca!ARNm!y!une!el!miARN!monocatenario!al!UTR!3!del!ARNm.!En!este!punto!pueden!
pasar!dos!cosas:!
5. El!miARN!es!perfectamente!complementario:!se!induce!al!corte!del!ARNm!y!su!degradación!posterior!
6. El!miARN!solo!tiene!complementariedad!parcial:!queda!unido!al!ARNm!e!impide!que!actúen!los!reguladores!
del!UTR3!
§ En!ambos!casos!se!produce!el!silenciamiento!génico!por!impedir!la!traducción!
§ La!diferencia!de!si!corta!al!ARNm!o!si!impide!que!se!mueva!el!ribosoma,!depende!de!la!cantidad!de!uniones!
complementarias!entre!el!ARNm!y!el!miARN.!Si!son!muchas,!hay!corte!del!ARNm,!si!son!pocas!inhibe!la!
traducción!
§ Los!miARN!presentan!varias!funciones!más,!además!del!silenciamiento!fenico!
!
!
ARN PEQUEÑOS DE INTERFERENCIA
§ Son!ARN!de!doble!cadena!de!20!a!25!nucleótidos!de!longitud!
§ Los!siARN!son!procesados!por!un!complejo!enzimático!llamado!DICER!en!citosol!
§ Su!ARN!de!doble!cadena!se!desdobla!en!una!hebra!sentido!y!una!hebra!antisentido,!por!acción!de!la!proteína!
argonauta!
§ La!hebra!antisentido!se!une!a!la!cadena!de!ARNm!de!manera!específica!por!complementariedad!de!bases,!
provocando!que!el!complejo!resultante!sea!reconocido!por!los!mecanismos!celulares!y!degradado!
§ Cada!siARN!es!altamente!específico!para!la!secuencia!de!nucleótidos!diana!al!que!degrada!
§ Este!fenómeno!de!interferencia!génica!se!produce!de!forma!natural!en!el!organismo,!estando!implicado!en!el!
desarrollo!y!en!la!defensa!contra!los!virus!
§ Son!ARN!bacterianos!
§ DICER!separa!las!hebras!y!una!de!ellas!se!une!perfectamente!al!ARNm!diana!y!su!unión!genera!el!corte!de!ARNm!
PIWI ARN
§ Los!piwi!ARN!o!piARN!son!un!subtipo!de!ARN!pequeños!
§ !suprimen,!eliminan,!a!elementos!transponibles!en!células!germinativas.!!
§ Se!relacionan!con!las!proteínas!PIWI!!
§ !son!una!subclase!de!familia!argonauta,!la!misma!familia!de!proteínas!que!se!relaciona!con!los!siARN!!y!miARN!
como!parte!de!sus!complejos!RISC!
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REGULACION EN PROCARIOTAS
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Control negativo de la transcripción y represores
§ La!transcripción!puede!regularse!en!los!estadios!de!iniciación!y!elongación!pero!la!mayoría!de!la!regulación!en!
bacterias!opera!a!nivel!de!la!iniciación!
§ La!lactosa!induce!la!síntesis!de!las!enzimas!implicadas!en!su!metabolismo!
§ En!el!metabolismo!de!la!lactosa!intervienen!otras!dos!enzimas!cuyos!genes!se!encuentran!muy!ligados!al!de!la!
beta-!galactosidasa:!son!la!galactosido!permeasa,!que!transporta!lactosa!al!interior!de!la!celula,!y!una!
transacetilasa,!cuya!función!en!esta!vía!metabólica!todavía!se!desconoce!!
§ Los!genes!que!codifican!la!b-galactosidasa,!la!permeasa!y!la!transacetilasa!se!expresan!en!una!unidad!única,!
denominada!operon!
§ Hay!dos!loci!distintos,!denominados!o!e!i!que!controlan!la!expresión!del!operon!
§ El!locus!o!(el!operador),!situado!junto!al!sitio!de!inicio!de!la!transcripción,!controla!la!transcripción!del!operon!
§ El!gen!i,!que!no!se!encuentra!dentro!del!operon,!codifica!Una!proteína!que!regula!la!transcripción!al!unirse!al!
ADN!del!operador!
§ Los!mutantes!que!no!sintetizan!un!producto!funcional!del!gen!i!se!caracterizan!por!la!expresión!constitutiva!del!
operon!incluso!en!ausencia!de!lactosa!
§ El!producto!normal!del!gen!i!actuaría!como!un!represor!que!inhibiría!la!transcripción!al!unirse!a!o!
§ La!adición!de!lactosa!supone!la!inducción!del!operon!y!como!consecuencia!la!alolactosa!(metabolito!de!la!
lactosa)!se!une!al!represor,!lo!que!impediría!su!asociación!con!el!ADN!del!operador!!
!
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§ El!represor!lac!y!el!análisis!de!su!unión!al!operador!en!el!ADN,!definido!como!una!zona!de!unos!20!pares!de!
bases!situada!poco!antes!del!sitio!de!inicio!de!transcripción!
§ Esta!región!es!el!sitio!de!unión!del!represor,!que!bloquea!la!transcripción!
§ El!principio!central!de!regulación!génica!ejemplificado!por!el!operon!lactosa!es!que!el!control!de!la!transcripción!
esta!mediado!por!la!interacción!de!proteínas!reguladoras!con!secuencias!de!ADN!especificas!
§ Este!modo!de!regulación!es!aplicable!de!forma!general!a!células!procariotas!y!eucariotas!
§ Las!secuencias!reguladoras!del!tipo!del!operador!se!denominan!elementos!de!control!de!acción!en!cis,!dado!que!
afectan!únicamente!a!la!expresión!de!genes!presentes!en!la!misma!molécula!de!ADN!
§ Las!proteínas!del!tipo!del!represor!se!denominan!factores!de!acción!en!trans,!dado!que!intervienen!en!la!
expresión!de!genes!localizados!en!otros!cromosomas!de!la!celula!
§ Ciertas!proteínas,!como!el!represor,!son!capaces!de!afectar!a!la!expresión!de!genes!situados!en!otros!
cromosomas!de!la!celula!
§ El!operon!lac!es!Un!ejemplo!de!control!negativo!porque!la!unión!del!represor!bloquea!la!transcripción.!Sin!
embargo,!no!siempre!ocurre!así;!existen!muchos!casos!de!control!positivo!en!los!que!las!proteínas!reguladoras!
actúan!como!activadores!y!no!como!inhibidores!de!la!transcripción!
!
CONTROL POSITIVO DE LA TRANSCRIPCION
§ La!glucosa!se!utiliza!de!forma!preferencial,!porque!mientras!está!disponible,!no!se!expresan!las!enzimas!
implicadas!en!el!catabolismo!de!fuentes!alternativas!de!energía!
§ Por!ejemplo,!si!se!cultiva!e.!coli!en!un!medio!que!contenga!glucosa!y!lactosa,!el!operon!lac!no!se!induce!y!la!
bacteria!solamente!utiliza!glucosa!
§ La!glucosa!reprime!al!operon!lac!incluso!en!presencia!del!inductor!normal!(lactosa)!
§ La!represión!por!glucosa!(denominada!represión!catabólica!o!represión!por!catabolito)!esta!mediada!por!un!
sistema!de!control!positivo!que!depende!de!los!noveles!de!AMP!cíclico!(AMPc)!
§ La!enzima!adenilato!ciclasa,!que!transforma!ATP!a!AMPc,!inhibido!por!alfa-cetoglutarato,!un!producto!
intermedio!en!la!descomposición!de!la!glucosa!por!medio!del!ciclo!del!ácido!cítrico!
§ Cuando!se!dispone!de!glucosa,!se!produce!alfa-!ceto!glutarato!y!se!inhibe!la!adenilil-ciclasa!
§ En!ausencia!de!glucosa!o!de!otras!fuentes!de!uso!!eficaz!d!carbono!y!energía,!los!niveles!de!alfa!cetoglutarato!
disminuyen,!lo!que!conduce!a!la!activación!de!la!adenilil-ciclasa!y!a!la!síntesis!de!AMPc!
§ El!AMPc!se!une!a!una!proteína!de!regulación!transcripcional!denominada!proteína!activadora!de!genes!
catabólicos!(CAP),!lo!cual!promueve!la!unión!de!CAP!a!una!determinada!secuencia!de!ADN,!que!en!el!operon!Lac!
está!situada!60!bases!corriente!arriba!del!sitio!de!inicio!de!la!transcripción!
§ CAP!interacciona!luego!con!la!subunidad!alfa!de!la!ARN!polimerasa,!facilitando!la!unión!de!la!polimerasa!al!
promotor!y!activando!la!transcripción!
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