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Tema 20: el control de la expresión génica en eucariotas

1. MECANISMOS DE REGULACIÓN DE LA EPXRESIÓN GÉNICA -

Procariotas: operones (activadores y represores)

-

Eucariotas: papel muy importante de la estructura de la cromatina

-

En procariotas y eucariotas los mecanismos pueden ser: o A corto plazo: ambiental o A largo plazo: se necesitan durante el desarrollo (no hace falta que sean inmediatos).

-

¿A qué nivel se dan? o Transcripcional o Post-transcripcional (procesamiento y transporte) o De traducción (traducción y degradación del RNAm) o Post-traduccional (activación y degradación de la proteína)

-

Genes constitutivos/housekeeping: genes que se transcriben siempre en todas las células  ej. Gen de la actina

-

Genes no costitutivos/reguladores: genes que no se transcriben en todas las células. Puede ser en diferente tiempo y espacio.

2. REGULACIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS -

Transcripción y traducción simultánea en el núcleo.

-

Solo se utiliza un tipo de RNA polimerasa.

-

Varias subunidades sigma que pueden reconocer distintos grupos de genes y regularlos de forma coordinada  Factor sigma: si un grupo de genes tiene el mismo promotor podrá ser regulado de la misma forma.

-

Operons (activadores y represores): conjunto de genes que se encuentran seguidos en el genoma formando un claster (grupo) que se reculan de manera coordinada. o Estructura: varios genes + parte reguladora (promotor y operador) o En cis: región reguladora con promotor-operador y genes estructurales o En trans: alejados y requieren un intermediario

Tema 20: el control de la expresión génica en eucariotas

-

Tipos de operones: o Inducibles: generalmente apagados y podemos hacer que el gen se exprese.

En estado basal no

Hay un represor (proteína)

tienen ninguna proteína

que hace que se inactivo.

unida.

Cuando se va se transcribe.

o Reprimibles: generalmente encendidos y podemos hacer que los genes no se expresen (inactivar)

Tienen un activador

Cuando están libres están

presente que al irse

activos pero con un represor

pasa a estar inactivo

se vuelven inactivos

o Lac -

3 genes codificantes (Z, N, A) + un líder + operador + promotor + represor

-

Operón inducible y negativo (generalmente apagado)

-

Situación basal: no hay transcripción  se genera el represor que al unirse se bloquea la transcripción.

-

Si no tenemos la transcripción de esta secuencia no se sintetiza lactosa.

-

Presencia de lactosa: actúa como señal y fuente de energía (inducer) 1- Unión lactosa + proteína represora  cambios conformacionales 2- Se bloquea la represora 3- Sintesi

de

B-Galactosidase,

metabolizan la lactosa.

permanase

y

transacety

lase:

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o Trp (triptofano) -

Reprimible de control negativo

-

5’ – región reguladora [promotor + operador + líder + atenuador] + genes estructurales [trpE + trpD + trpB + trpA] – 3’

-

Triptofano en el medio: no se sintetiza más triptófano. Este actúa como un corepressor. 1- El Trp se une al represor  cambio conformacional 2- Permite que se pueda unir el represor a la cadena y actúe reprimiendo 3- No se sintetiza Trp

-

Estado basal: se sintetiza el represor

-

Atenuador: secuencia de ADN que hace que la transcripción vaya lenta (no actúa siempre)

3. REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL EN EUCARIOTAS -

Posibles puntos de control de la regulación de la expresión génica:

-

Sin operón.

-

ARNm monocistrónico

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REGULACIÓN EN CIS -

Elemento regulador: secuencia de ADN contigua a un gen, generalmente a 5’ del promotor (puede estar a varias Kb de distancia) y que tiene un efector regulador sobre la transcripción de ese gen.

-

Mecanismos de regulación por… o Enhancers:



Secuencias de ADN que pueden interaccionar con las proteínas

amplificadoras

o

activadoras

y

tener

repercusiones en la regulación. 

Estas secuencias actúan a grandes distancias del gen (hasta 50Kb)



El ADN se pliega



Són activadores que potencian la expresión génica



Se unen a los promotores a partir de proteínas y fomentan la transcripción.



1 enhancer puede actuar sobre más de un promotor (hay más de un promotor por gen). o Silencers:



Fragmento de ADN capaz de unir proteínas represoras de la transcripción.



Disminuyen los niveles de transcripción al unirse con enhancers o las proteínas activadoras.



El silenciador secuestra proteínas activadoras que no se pueden unir a enhancers.



El silenciador actúa sobre el enhancer bloqueándolo o Insulators:



Silenciadores de la expresión génica



Elementos barrera que impiden la interacción de enhancers y promotores



Si hay dos insulators que actúan entre ellos todo lo que esté en el medio no puede actuar  ej. Si hay un enhancer este no puede interaccionar con el promotor.

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REGULACION TRANSCRIPCIONAL EN TRANS -

Regulación indirecta de la transcripción.

-

Generalmente mediada por proteínas de unión que interactúan con las secuencias en cis (enhancers, elementos de respuesta…)

-

Pueden ser activadores o represores.

-

Proteínas reguladoras/ factores de transcripción: suelen consistir en o Dominio de fijación del ADN: permite a la proteína reconocer sus genes diana o Dominio de acción sobre la transcripción: provocará los efectos positivos o negativos o Dominios de interacción con otras proteínas (pueden tener o no)

4. REGULACIÓN POST-TRANSCRIPCIONAL -

La cola de PolyA nos da protección

5. EPLICEOSOMA (complejo de proteínas) -

El mecanismo de corte y empalme de intrones y exones se da por reconocimiento de secuencias que se encuentran en su intersección.

-

El

ARN

unido

al

spliceosoma

no

será

transportado al citoplasma y no se traducirá. -

Existen distintas proteínas para modificar

-

Proteínas U1 y U2 reconocen secuencias, se unen y reclutan el resto de las proteínas.

-

Exón no tiene que ser múltiplo de 3 pero si su suma.

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-

Splaicesosoma: es un conjunto de proteínas (U1,2,3,4,5) que se encargan de cortar los lados de los intrones i empalmar os exones. Gràcias a un reconocimiento de unas sequencias. En el centro del intron también hay una secuencia importante (reconeguda per U2). U1 (proteína petita SNP que s’uneix a la primera secuencia 5’) i U2 (Small Nuclear Proteins) reclutan U4, U5, U6 que producen un plecameiento i psoteriormente un corte que se une con el otro extremo del intron que después se va a cortar i se van a empalmar los exones.  es crea una sequencia discontinua comparada amb la del adn.

6. SPLICING ALTERNATIVO - Splicing: regulado por proteínas SR y ASF. - Nonsense mediated Decay: conjunto de proteínas que degradan los transcritos que salen mal y evitar malas proteínas. 7. ARN de INTERFERENCIA -

Suprime la expresión de genes específicos mediante mecansimos conoidos globalmente como ribointerferencia (por complementariedad de bases).

-

Son secuencias de 20-25 ntds que se transcriben a partir del ADN pero no codifican para proteínas.

-

Se generan por fragmentación de precursores más largos.

-

Tipos: o SiRNA: ARN bicatenario (20-21 ntds), 2 desemparejados en cada extremo 3’ Se transcriben del adn y se pliega y genera una cadena doble por complementariedad de bases. Esta cadena es reconocida por una proteína (Dicer) y corta dos nucleótidos en cada extremo  que se disocia y el dicer se queda solo en una cadena. Esta cadena detectara una secuencia del RNAm que reclutarà a RISC (complex proteic) que produce la degradación del RNAm pq recluta proteinas.

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o MiRNA: ARN monocatenario (21-25 ntds) con complementariedad imperfecta que forma un hairpin y regula la expresión génica. Se sintetiza a partir del adn como una cadena. Su complementariedad hace que se formen estructuras secundarias que se llaman hairpin (pinça de cabell). Drosha reconoce el primiRNA (sequencia trancrita del arn) y deja sus extremos libres  gracias a la exportina 5 sale del nucleo  puede ser reconocido por Dicer y rompe el loop  RISC actua rompiendo la doble cadena y se queda una  esta cadena reconoce el RNAm que reclutará otras proteínas que llevan a su degradación o PiRNA: ARNs asociados a Piwi (Piwi interacting RNA). Generados a partir del ADN genómico, precursores largos monocatenarios en un proceso independiente de Drosha y Dicer. Se une al PIWI que permite que se ancle a la RNAm y se hace una reclutacion de proteínas (AGO3) que marca para la degradación 8. REGULACIÓN A NIVEL DE TRADUCCIÓN -

Únicamente los ARNs que se exporten al citoplasma serán traducidos a proteínas.

-

Mecanismo de regulación a nivel del ribosoma.

-

RNAs difieren en tiempo de vida media de los mensajeros en el citoplasma

9. REGULACIÓN POST-TRADUCCIONAL -

Regulación cuantitativa o cualitativa.

-

Modificaciones post-traduccionales de las proteínas: glicosilacón, acetilación, fosforilación, ribosilación…

 Dicción o eliminación de

grupos químicos que pueden alterar la función de la proteína. -

Si marcamos una proteína con Ubiquitinas va al proteosoma donde se degrada. [un tiempo de vida corto de las proteínas permite una rápida adaptación al medio]

INSULINA Se corta N terminal Péptido completo: preproinsulina  se quita el péptido señal  proinsulina Péptido C se elimina y se obtiene la insulina.

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10. EPIGENETICA -

Estudio de las alteraciones reversibles y heredables en la expresión génica y que no implican cambios en la secuencia de ADN.

-

Afecta directamente a ciertos fenotipos

-

Está condicionada por el ambiente (se puede alterar por nuestra dieta, tabaco…)

-

Una modificación de sustancias químicas en el extremo de las colas de las histonas permite un mayor o menor empaquetamiento y la activación o inhibición de genes. o Ej. Metilación del ADN: 

Factor epigenético:

grupo metilo 

Como

partir

entra? de

A

dietas

determinadas 

Como actúa? Activa

o inhibe genes.

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o Ej. Avy (Agouti Viable Yellow) 

Madres (aa) sin suplemento 

No hay metilación  promotor libre  el gen se transcribe  descendencia enferma y sobrepeso.



Madres (aa) con suplemento: ingiere un suplemento durante la gestación que contiene metilo.  descendencia mayoritariamente sana y grande. 

¿Qué pasa? Este gen se encuentra activo pero se inactiva al tomar el suplemento porque el promotor gana grupos metilo y el gen deja de expresarse (las proteínas no se pueden unir) = ratones de color marrón.

11. CLONACIÓN Y EPIGENETICA -

Caso de Dolly: clonaron una cabra y su clon estaba envejecido. Esto es debido a que utilizaron sustancias químicas específicas para la vejez proveniente de la cabra no clon.

12. MECANISMOS EPIGENÉTICOS -

Efectos: o Regulación de la expresión génica o Alteración de la afinidad de proteínas de unión a la cromatina o Adaptación/respuesta al medio

H: histona K: lisina

1- H3K27acetilación 2- H3K9acetilación 3- H3K4trimetilación

-

1234-

H3K27trimetilación H3K9trimetilación H4K20trimetilación Metilación en promotores

Tipos: o Metilación del ADN 

Adición de grupo metilo



Enlace covalente metilo – base nitrogenada



Organismos superiores (mamíferos, humanos…): principalmente se da en Citosinas en el contexto CpG  cuando encontramos CG (5’ -> 3’) seguidos esa citosina es susceptible a ser metilada.

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

DNMT: enzima que incorpora el metilo



Es estable y fácil de estudiar.



CICLO: 1- En las bases nitrogenadas encontramos una C. 2- La

DNMT

incorpora

el

grupo metilo. 3- Las enzimas TET oxidan el metilo  hidroximetilcitosina  formilcitosina  carbozicitosina 4- Mecansimos de reparación: quitamos el grupo metilo y recuperamos la citosina 

ISLAS CpG: 

Regiones de ADN (+200pb) con ↑[C y G] (+50%).



Islas en los promotores de organ. superiores: 40%



Contienen un elevado número de dinucleótidos CpG.



En la región del promotor encontramos estas islas que si tienen muchos metilos unidos se silencia el gen.



Zonas: tiene un patrón de metalización característico, son estables y la metalización de uno no influye en el otro.

 N Shore: zonas a los lados de las Islas que tienen 2 kb del ADN.  N Shelf: zonas seguidas de las shore 

CÁNCER 

Cel. Sanas:

 No metilado: Islas CpG, zonas Shore  Metilado: exones, secuencias de ADN basura (da estabilidad al genoma y su permite su represión). 

Cel. Cancerígenas:

 No metilado: elementos repetitivos (se expresan),  Metilado: Islas CpG, Gene Bodies (todo el interior, principalmente los exones.)

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 Se puede dar que la C metilada se convierta en T (mutación). Si hay ADN gilcosilasa se puede corregir esta mutación (cambia la T por C) o Modificación de histonas 

Modificaciones de las colas de las histonas del nucleosoma



Enlace covalente



Consiste en la adición o eliminación de: 

Metilaciones (metiltransferasas/demetilasas)



Acetilaciones (HAT/HDAC)



Fosforilaciones



Ubiquitinación (unión de ubiquitina, una pequeña proteína)

“Histone crosstalk”: las histonas pueden hablar entre ellas. Las



modificaciones de unas histonas influyen en otras. The histone code:





Según la combinación de modificaciones el resultado es uno concreto. Se tienen que mirar todas las modificiaciones en conjunto



Estado de la cromatina. 

Repercute haciendo que la cromatina esté más abierta o menos.

Activation HATs H3K4 H3K6 H3K79 H3K9 H3K27 H4K20

De-acetilación

Metilación

De-metilación

De-metilación

Metilación

Mono-ubiquination

o Impronta genética

Represion

Acetilación

Deubiquination

HADCs H3K4 H3K6 H3K79 H3K9 H3K27 H4K20 DUBs

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13. TRANSMISIÓN DE LAS MARCAS EPIGENÉTICAS -

Las modificaciones epigenéticas están relacionadas con el ambiente. Este ejerce una influencia heredable en el fenotipo. Durante la replicación vamos a copiar una de las dos cadenas: la cadena parental tiene el grupo metilo mientras que su complementaria no la tiene. Al separar-se y copiar la cadena con grupo metilo  Las citosinas metiladas son reconocidas por la DMNT que hace que al hacer la cadena complementaria de la cadena con el grupo metilo, esta cadena complementaria tendrá un grupo metilo en el sitio que hay la C metilada.

14. HUMAN EPIGENOME PROJECT – OBJETIVOS 1- Estudio de los patrones de modificación epigenética (el epigenoma) y su correspondiente efecto en la actividad génica. 2- Catalogación de los patrones de metilación de todos los genes humanos en todos los tejidos principales del ser humano. 3- Caracterización de las posiciones de metilación variables (MVP), de la misma manera que los polimorfismos de un solo nucleótido (SNP). 15. FACTORES AMBIENTALES -

Mecanismos

ambientales

modificadores

de

metilación:

algunos

polifenoles (ej. Genisteína de la soja, la epigalocatequina del té verde) son inhibidores de las ADN-metiltransferasas. -

Mecanismos ambientales de modificación de histonas: otros polifenoles como el resveratrol y los isotiocianatos (ej. Brócoli, coles de Bruselas, coliflor) inhiben la actividad de las histonas deacetilasa (no quitan los acet)

-

Ejemplo: el gen GSTP1 és un gen supresor de tumores. En estado normal el promotor no esta metilado y se transcribe però en condiciones de inhibición de este gen se puede bloquear el promotor y que se metile y que el gen no se exprese y aumenta la generación de tumores.

-

“Metabolic Imprinting” o Respuestas adaptativas a los alimentos o Efecto persistente o Susceptibilidad limitada a un periodo corto y crítico en el desarrollo o Expresión diferencial de un gen dependiendo de si viene de linia materna o paterna que tienen a ver con el metabolismo.

Ejemplo: en el ovulo el gen 1 està meltilado (no se expresa) y el gen 2 no (se expresa). En el espermatozoide el gen 1 no esta metilado y el gen 2 sí (no se expresa). Al unir-se se va a tener expresión de los dos genes. Ejemplo ovulos y espermatozoides: si el padre expresa A y la madre expresa B el esperma de su hijo solo expresa A aunque en su organismo haya A y B. en cambio en su hija solo habrá epresion del B en sus óvulos aunque en su organismo haya A y B....