lunes, 28 de mayo de 2012

UNIDAD :VIII REGULACIÓN DE LA EXPRESION GENETICA


SEP                                SNEST                            DGEST



UNIDAD VIII: 

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA



QUE PRESENTA:

Arisbeth Salgado Mendoza
09930054


Lic. BIOLOGIA VI "A"


Ciudad Altamirano, Gro. México. MAYO del 2012







INTRODUCCIÓN:


Los organismos multicelulares complejos están compuestos de diferentes tejidos cuyas características individuales dependen de las proteínas específicas expresadas por sus tipos celulares. La diferenciación,  el desarrollo y la funcionalidad  de los tejidos específicos dependen  del conjunto de proteínas selectivamente expresadas por cada célula. Estas proteínas expresadas en forma diferencial pueden  funcionar como componentes estructurales de las células, enzimas reguladoras del metabolismo, factores de transcripción,  receptores celulares, componentes intracelulares de señalización, etc.
La expresión incorrecta de tales proteínas, su expresión en lugares equivocados, a destiempo, o la producción en cantidades anormales de proteínas específicas o de proteínas de función anómala subyace a toda patología celular de base genética.
Por consiguiente el conocimiento de los mecanismos de regulación de la expresión proteica en eucariontes  contribuirá al conocimiento de las bases moleculares de diversas patologías.

La transmisión de la información genética (transcripción), posibilita la formación de proteínas, cuyas funciones van a caracterizar la actividad y morfología de las células; pero la regulación de los tipos y cantidades de proteínas presentes en cada momento constituye un tema de tanta relevancia como el propio hecho de la síntesis. Las células son estructuras muy organizadas cuyas moléculas se ordenan de forma rigurosa.
En un organismo no se necesitan todos  los  productos  génicos  de  forma  simultánea,  ni  a  los mismos niveles, con lo cual el sistema de regulación va a servir para ajustar el uso del depósito de información de los ácidos nucleicos a los requerimientos de cada célula o de cada organismo. A la regulación de la síntesis de las macromoléculas se la denomina regulación de la expresión genética o génica.
En un organismo procariota, muy dependiente de las condiciones de su entorno, la regulación debe permitirle responder rápidamente a las modificaciones medioambientales con el objeto de garantizar su supervivencia. La utilización de una parte u otra de su dotación genética le facilitará adaptarse adecuadamente a su entorno. En una célula de Escherichia coli  se  pueden  medir niveles diferentes de concentraciones proteicas; hay proteínas muy escasas, que se encuentran en número de una decena; y hay proteínas muy abundantes, de las que pueden medirse miles de copias. En una célula de mamífero pueden existir 1010 moléculas  de  proteínas pertenecientes a unos 10.000 a 20.000 tipos diferentes. Esta enorme variación entre el número y tipo de moléculas presentes es posible por los cambios controlados en la producción y en la degradación de los productos génicos.
La diferenciación celular que existe en los organismos pluricelulares, se fundamenta en que aunque todas las células disponen del mismo ADN, se distinguen unas de otras porque sintetizan distintos tipos de moléculas de ARN y de proteínas. Si se compara un eritrocito y una neurona las diferencias son tan amplias que resulta difícil pensar que ambas comparten la misma dotación génica. Y si, además, se observa que la diferenciación es un proceso irreversible, aún se hace más indispensable el proceso de regulación de la expresión de diferentes genes.
Esta regulación puede llevarse a cabo en cualquier etapa de la síntesis o de la maduración de las macromoléculas, y atendiendo a muchas variables se desarrollará en el punto más adecuado. La vía que conduce desde el ADN hasta las proteínas está formada por múltiples etapas, y existen pruebas de que todas ellas se pueden controlar. Uno de los puntos de regulación más importantes se realiza a nivel de la transcripción, ya que al ser ésta la etapa inicial de trasvase de información genética se consigue el control en el inicio, lo que supone la mejor pauta de actuación, ya que se consigue el máximo ahorro energético.
Existen una serie de genes que se expresan constantemente, denominándoseles genes constitutivos, el producto de su expresión son moléculas necesarias  de  forma  continua  en  todos  los momentos de existencia de la célula o del organismo. Por otro lado, existen otros genes, denominados regulables, cuya expresión estará ajustada por las necesidades variables de la célula, aumentando o disminuyendo la expresión génica según se necesite aumentar o disminuir la concentración del producto génico.


OBJETIVOS:

  • Integrará los conocimientos anteriores con los mecanismos de regulación genética para entender a nivel molecular los procesos metabólicos.

METODOLOGÍA:

Con el maestro conoceremos paso a paso el desarrollo de esta unidad la cual presentare en este contesto blooger. definiremos como se da la regulación de la expresion genética a diversos órganos celulares (procariontes y eucariotes).



8.1 NIVELES DE REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA


Los genes deben ser regulados ya que no es necesario que se expresen (Transcriban y Traduzcan) todo el tiempo sino cuando es necesario.
Genes constitutivos y genes regulados. No todos los genes se expresan simultáneamente ni al mismo nivel.
  • Genes constitutivos: los que se expresan al mismo nivel independientemente de las condiciones ambientales
  • Genes regulados: aquellos que se expresan a distintos niveles (o no se expresan) dependiendo de las condiciones ambientales.

Los objetivos de la regulación son:

- Armonía estructural, equilibrio celular
- Adaptación: típico de procariotas
- Diferenciación: típico de eucariotas pluricelulares.

Casi cada uno de los niveles de los que depende la expresión de información genética puede estar sometido en principio a algún tipo de regulación, aunque el más frecuente es sobre la transcripción.

1)      Nivel transcripcional y sobre el ARNm
a)      A nivel del inicio de la transcripción
i)        sustitución del factor s de la ARN-polimerasa
ii)       por interacción de proteínas regulatorias sobre secuencias de ADN cercanas al promotor:
(1)   fenómenos de inducción génica
(2)   fenómenos de represión génica

A su vez, estos fenómenos pueden realizarse por:


mecanismos de control positivo


mecanismos de control negativo
b)      Terminación prematura de la transcripción: fenómenos de atenuación de la transcripción.
c)      Procesamiento de ARN (casos muy raros en procariotas)

2)      Nivel traduccional. Ejemplos:
a)      regulación de la síntesis de las proteínas ribosómicas.
b)      regulación por ARN antisentido, que interfiere con la traducción del ARNm

3)      Nivel postraduccional. Aquí ya no estamos ante mecanismos puramente de regulación genética. Algunos ejemplos: degradación de proteínas y modificación covalente de proteínas (p. ej., fosforilación). Regulación alostérica por retroalimentación (feed-back) de la actividad de las proteínas enzimáticas.

4)      Sistemas globales de regulación
Cuando varios operones están regulados coordinadamente por un mismo tipo de estímulos, constituyen una red de regulación que se suele denominar con el nombre deregulón (p. ej., el regulón de los operones spo de la esporulación en las especies del género Bacillus).
Casi todos los productos de genes bacterianos están regulados en al menos uno de estos niveles, y a menudo lo están en varios niveles al mismo tiempo.
Como veremos enseguida, muchos de estos mecanismos se disparan en el interior celular debido a pequeñas moléculas que informan a la bacteria de un determinado cambio ambiental.



8.2 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN ORGANISMOS PROCARIOTICOS.


En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesario regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. Es un principio de economía celular el que la expresión de los genes este regulada según las circunstancias celulares. Un buen ejemplo de esta situación en bacterias es la regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares. Las bacterias pueden emplear para obtener energía distintas fuentes de carbono, como la glucosa, lactosa, galactosa, maltosa, ramnosa y xilosa. Existen enzimas capaces de introducir cada uno de estos azúcares en la bacteria y enzimas capaces de romperlos para obtener energía. Lógicamente, sería un despilfarro energético producir simultáneamente todos los enzimas necesarios para metabolizar los diferentes azúcares mencionados. Por consiguiente, sería mucho más económico para la célula producir solamente las enzimas necesarias en cada momento, es decir, si en el medio en el que vive la bacteria la principal fuente de carbono es la lactosa, solamente se expresarían los genes necesarios para metabolizar la lactosa, mientras que los otros genes no se expresarían. Por tanto, es esencial que exista un mecanismo de regulación de la expresión génica, de manera que los genes se expresen cuando sea necesario.
La regulación de la producción de proteínas (síntesis de proteínas) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en tres niveles:
·         Replicación
·         Transcripción
·         Traducción.
De los tres niveles de regulación, uno de los mejor conocidos actualmente es la regulación durante la transcripción. Aunque la regulación de la transcripción en eucariontes es más compleja que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. Por tanto, comenzaremos por el estudio de la regulación de la transcripción en bacterias.




8.4.1 OPERON DE LACTOSA (CONTROL POSITIVO)


El operón lactosa es un operón requerido para el transporte y metabolismo de la lactosa en la bacteria Escherichia coli, así como en algunas otras bacterias entéricas. Presenta tres genes estructurales adyacentes, un promotor, un terminador y un operador. El operón lac es regulado por varios factores, incluyendo la disponibilidad de glucosa y de lactosa. La regulación génica del operón lac fue el primer mecanismo regulatorio de la expresión genética en ser elucidado, y es utilizado a menudo como un ejemplo clásico de la regulación génica en procariotas.
Sistema del operón lactosa.
Un ejemplo claro de regulación de la expresión genética en procariotas, es el que ocurre en el operón lac. En E. Coli se requieren dos enzimas para la metabolización de la lactosa, la lactosa permeasa, una enzima de membrana que permite el transporte de la lactosa al interior celular y la -Galactosidasa, que cataliza la ruptura del enlace -1,4 entre la galactosa y la glucosa. La lactosa se degrada mediante rutas catabólicas para la obtención de energía, pero si en el medio no hay lactosa estas dos enzimas no son necesarias.
La expresión de estas dos enzimas es inducible por lactosa. ¿Cuál es el mecanismo de esta regulación?
-          El sistema de utilización de lactosa por E. coli consta de dos clases de componentes (Figura 1). Genes estructurales que codifican las enzimas -galactosidadas (gen LacZ),  permeasa (gen Lac Y) y transacetilasa que solo se utiliza en el metabolismo de ciertos -galactosidos diferetes de la lactosa (gen Lac A), necesarias para el transporte y degradación de lactosa. Y genes reguladores, el gen Lac I, el promotor lac P y el operador Lac O y el sito CRP). Menos el Lac I, el resto de genes componen  una región del DNA que denominamos operón lac. Además, los genes estructurales están codificados en un solo mRNA policistrónico.


El gen Lac I sintetiza una proteína llamada represor o inhibidor que se une al operador Lac O de forma que cuando la RNA polimerasa se una al promotor no pueda continuar la transcripción. De tal forma que el sistema se encuentra normalmente reprimido y las proteínas necesarias para metabolizar la lactosa no se sintetizan (Figura 2a). En presencia de lactosa, un derivado de ésta, la alolactosa, se une al represor cambiándolo conformacionalmente y haciendo que no tenga afinidad por el operador (la alolactosa actúa como inductor), cuando esto ocurre el operador queda libre y la RNA polimerasa puede realizar la transcripción de los genes. Se trata, por tanto, de una regulación negativa pues todas las órdenes reguladoras son de prohibición.




No obstante, se observó además que en presencia de lactosa y glucosa en el medio de cultivo no había expresión de las proteínas. Esto parece lógico porque si hay glucosa la bacteria no necesita recurrir a la degradación de lactosa como fuente de carbono, de tal forma que la glucosa debía regular de algún modo el proceso. ¿En que consiste la regulación por glucosa? El efecto de la glucosa está mediado por el AMPc y una proteína llamada proteína receptora de cAMP (CRP) o proteína activadora de catabolitos.

La proteína CRP tiene sitios de unión para el ADN y para el AMPc. El complejo AMPc-CAP se une a una zona cercana al promotor lac, y favorece la unión de la ARN polimerasa al promotor, aumentando la transcripción hasta 50 veces (Figura 3). Se ha demostrado que el AMPc y la CAP contribuyen a al iniciación de la transcripción, ayudando al reconocimiento del sitio de iniciación por la ARN polimerasa.


Los niveles de AMPc están muy relacionados con la concentración de glucosa, a altas concentraciones de glucosa los niveles de AMPc son bajos, lo que impide que éste se una a la proteína CRP, de esta forma la ARN-Pol no puede colocarse en el promotor y se impide la transcripción de los genes metabolizadores de lactosa. La función CRP-AMPc favorece la unión de la ARN polimerasa y actúa como un efector o regulador positivo.
 El AMPc y la CRP están implicados en la regulación de muchos operones, especialmente los que codifican enzimas para el metabolismo de otros azucáres. Una red de operones con un regulador común se conoce con el nombre de regulón.
 De forma que se superponen dos regulaciones, la positiva por el efector glucosa y la negativa por el inductor lactosa que contrarresta el efecto inhibidor del represor sintetizado por LacI. El operón solo se expresa en presencia de lactosa y ausencia de glucosa.

Sistema
Expresión
+ Lactosa
+ glucosa
-
+ Lactosa
- glucosa
+
- Lactosa
+ glucosa
-
- Lactosa
- glucosa
-



8.4.2 OPERON DE TRIPTOFANO (CONTROL NEGATIVO)


El triptófano es un aminoácido cuya síntesis se realiza principalmente en diversos operones. Yanofsky estaba estudiando muy de cerca este operón. Vio que este operón estaba formado por varios genes, además, observó que cuando había una alta concentración de Trp no había expresión de los genes, pero que cuado la célula lo necesita, se expresaban los genes.
Es diferente de la lactosa: si tenemos Trp no necesitamos más enzimas, y si no lo hay sí.
El represor de este operon necesita triptófano para poder actuar. El represor es inactivo de por sí, si se le une Trp se inhibe la transcripción con lo que tenemos un control negativo, y cuando el efector se une al represor para reprimir es un sistema reprimible.
En este operon hay un gen que se inducía, el TrpR+. Se aisló un mutante que tenía diez veces más ARNm, y cuando él fue a mirar a su ARNm descubrió que su mutante tenía una deleción, un atenuador que cuando estaba atenuaba la expresión.
En el ARNm había una zona líder que contenía el atenuador, era un ARNm pequeño que estaba en altas concentraciones. Descubrió que un pequeño péptido correspondiente a esta secuencia se traducía, mirando su secuencia comprobó que había dos Trp, cosa que era rara ya que el trp es un aminoácido muy raro. Si había una baja concentración de triptófano la transcripción continúa. Si los niveles de Trp eran altos, lee rápido y se une al represor

Los elementos del operón trp son en esencia semejantes a los del operón lactosa:

• Genes estructurales: existen cinco genes estructurales en el siguiente orden trpE-trpD-trpC-trpB-trpA.
• Elementos de control: promotor (P) y operador (O). El promotor y el operador están al lado de los genes estructurales y en el siguiente orden: P O trpE-trpD-trpC-trpB-trpA. Curiosamente, las enzimas codificadas por estos cinco genes estructurales actúan en la ruta metabólica de síntesis del triptófano en el mismo orden en el que se encuentran los genes en el cromosoma.
• Gen regulador (trpR): codifica para la proteína reguladora. Este gen se encuentra en otra región del cromosoma bacteriano aunque no muy lejos del operón.
•Correpresor: triptófano.


 Elementos del Operón Triptófano:

Los genes estructurales del operón triptófano se encuentran en el mismo orden que actúan las productos codificados por ellos en la ruta biosintética del triptófano

Orden de los genes estructurales del operón triptófano y ruta de síntesis del triptófano
En ausencia de triptófano, o cuando hay muy poco, la proteína reguladora producto del gen trpR no es capaz de unirse al operador de forma que la ARN-polimerasa puede unirse a la región promtora y se transcriben los genes del operón triptófano.




8.3 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN ORGANISMOS EUCARIOTES





En el caso de las eucariotas, el proceso se realiza en el núcleo, y es similar al de las procariotas, pero de mayor complejidad. Diferentes ARNp transcriben distintos tipos de genes. La ARNpII transcribe los pre-ARNm, mientras que la ARNpI y ARNpIII transcriben los ARN-ribosomales y ARNt, respectivamente. Los ARNs transcritos son modificados posteriormente. El pre-ARNm,por ejemplo, sufre un proceso de maduración que tras cortes y empalmes sucesivos elimina ciertos segmentos del ADN llamados los intrones para producir el ARNm final. Durante este proceso de maduración se puede dar lugar a diferentes moléculas de ARN, en función de diversos reguladores. Así pues, un mismo gen o secuencia de ADN, puede dar lugar a diferentes moléculas de ARNm y por tanto, producir diferentes proteínas. Otro factor de regulación propio de las células eucariotas son los conocidos potenciadores (en inglés: "enhancers"), que incrementan mucho (100 veces) la actividad de transcripción de un gen, y no depende de la ubicación de éstos en el gen, ni la dirección de la lectura.
Activadores transcripcionales

Los activadores son la proteínas que se van a unir a los elementos distales (SDE y potenciadores) para activar la transcripción. Son específicos de unos pocos promotores —por lo que no estarán en todos los tipos celulares—, reconocen entre 6 y 14 pb en el promotor y suelen tener dos dominios estructurales:
  • El dominio de unión a DNA (DNA binding domain) , que consta de 60 a 100 aminoácidos consecutivos.
  • El dominio de activación de la transcripción que consta de 30 a 100 aminoácidos que no tienen por qué ser consecutivos.
  • La presencia de estos dominios las convierte en proteínas modulares en las que el dominio de unión y el de activación pueden funcionar independientemente.

2.- Coactivadores y correpresores

coactivador si ayuda a activar la transcripción. Un mismo coactivador puede recibir señales de distintos activadores para transmitirlos hacia el complejo del promotor basal.
correpresor si ayuda a inactivar el promotor. Los correpresores pueden tener actividad desacetilasa, con lo que hace que el DNA se una con más firmeza a los nucleosomas, inactivando el promotor porque no puede ser reconocido por los factores generales de transcripción.

3.- Transactivadores

Son aquellos que directamente ejercen su acción interaccionando con el complejo de iniciación formado en el promtor basal, bien sobre la propia polimerasa o, más normalmente, sobre una de las TAF o de los TFII, para activar o reprimir la transcripción, puesto que no son actividades exclulyentes.

Potenciadores

los potenciadores (enhancers o intensificadores). Su función es la de amplificar la transcripción del promtor incluso más de 1000 veces. Los hay específicos del tejido —sólo activan la transcripción de su gen en determinados tejidos—, específicos de la etapa de desarrollo e inducibles por alguna señal externa como hormonas, metales pesados, choque térmico, infección viral, etc. Necesitan la mediación de un coactivador.

Final del formulario

Silenciamiento de genes

La unión inespecífica de proteínas reguladoras es un problema importante en los organismos con genomas grandes. Para combatirla, los eucariotas han hecho que los genes tengan en torno a 5 dianas para proteínas reguladoras diferentes. Esta estrategia es útil para los activadores de la transcripción porque es una estrategia eficiente y ahorra esfuerzo. Una estrategia similar no es factible con los inhibidores de la transcripción, por lo que se da poca regulación por silenciamiento.

El silenciamiento de un gen puede ocurrir por:
  • la inactivación por interacción con un regulador
  • el silenciamiento génico postranscripcional (PTGS, también denominada cosupresión o extinción génica)
  • la metilación del DNA en vertebrados (directamente ligada al superenrollamiento y al silenciamiento).

 Inactivación mediante una proteína reguladora

Se consigue uniendo una proteína reguladora a cualquiera de los distintos elementos que forman los promotores.
Los que reconocen los elementos distales
• El silenciador específico de tejido (tse): se encarga de silenciar en cualquier célula los genes que son específicos de células hepáticas

• Las hormonas esteroideas comentadas anteriormente
• El gen Pit-1

Silenciamiento por metilación

No todos los organismos tienen el DNA metilado. En los mamíferos, el DNA metilado forma heterocromatina a la que no pueden acceder los factores de transcripción. Por tanto, los genes metilados no se pueden transcribir ni tan siquiera residualmente. Se trata de un mecanismo muy eficiente de silenciamiento génico que, además, disminuye la cantidad de DNA que los factores de transcripción y la RNA-polimerasa tienen que rastrear para buscar los promotores.




TAREA: Investigue como se realiza el control genético del "Gen BRCA".



Es un gen humano del tipo del gen supresor de tumores, que regulan el ciclo celular y evitan la proliferación incontrolada.
La proteína BRCA1, producto de este gen, forma parte del sistema de detección y reparación de los daños del ADN. Las variaciones de este gen están implicadas en algunos tipos de cáncer, especialmente el cáncer de mama. El gen BRCA1 está situado en el brazo largo (q) del cromosoma 17, en la posición 21, desde el par de bases 38.449.843 hasta el par de bases 38.530.933.
El concepto de la realización de pruebas genéticas para el cáncer de mama procede del reconocimiento de que existen cúmulos de casos de cáncer de mama en familias, a veces asociados a cáncer de ovario en las mujeres o cáncer de próstata en los varones.
No fue hasta principios de la década de 1990 cuando se describieron dos genes de cáncer de mama de elevada penetrancia. Los oradores estimaron que estos genes, BRCA 1 y 2, explican el mayor riesgo de cáncer de mama y ovario en el 20% al 50% de las familias. Las mujeres portadoras de una estas mutaciones poseen un riesgo de cáncer de mama a lo largo de la vida de hasta el 50% al 80%, y un riesgo de entre el 15% y el 25% de cáncer de ovario. También podría asociarse a estas mutaciones genéticas un riesgo elevado de cáncer de próstata y quizá de otros cánceres, incluyendo el de páncreas. Desde principios de la década de 1990, cuando se describieron los genes BRCA 1 y 2,  no se han identificado nuevos genes de este tipo.
De acuerdo con el Dr. Stratton, sólo se puede atribuir a BRCA 1 y 2  el 20% del riesgo familiar de cáncer de mama. Los genes asociados al cáncer de mama se pueden dividir en uno de los tres tipos siguientes: de riesgo elevado, que comportan un riesgo de 20 a lo largo de la vida; de riesgo moderado, que comportan un riesgo de 5-10 a lo largo de la vida, y los  de bajo riesgo. Para identificar los genes de alto riesgo, se puede emplear el análisis de ligamiento genético en un pequeño número de grandes familias con muchos miembros afectados. Es este tipo de estudio el que condujo a la identificación de los genes BRCA 1 y 2. El gen BRCA 2 se encontró y localizó sin ambigüedades en una única familia de gran tamaño. Se ha propuesto que existen loci de BRCA 3 de riesgo alto a moderado en el cromosoma 8p y 13q21. El Dr. Stratton afirmó que cree que no existe evidencia de un gen de vulnerabilidad de alto riesgo en ninguno de estos dos loci.

http://www.cirugest.com/htm/revisiones/cir09-06/09-06-20.htm




CONCLUSIONES:


con el profesor vimos paso a paso detenidamente los puntos a conocer de como se daba la regulación de la expresión genética en los diferentes tipo de organismos (EUCARIOTICOS y PROCARIOTICOS), en ellos estudiados los operones encontrados en dichas partes.



BIBLIOGRAFIA:
  • http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Operon/Operon.htm#Regulación en bacterias
  • http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/15regulacion.htm
  • http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=6&ved=0CGEQFjAF&url=http%3A%2F%2Fwww.unioviedo.es%2Fbos%2FAsignaturas%2FFvca%2Fseminarios%2FRegulacindelaexpresingnica.doc&ei=7ta-T5S9FoPQ2wWs4vz_CQ&usg=AFQjCNFwsAR9L-Z7OAnxwJ695Gc8XxXR0Q&sig2=QC1CEdqghFsMKdPyjmL9zQ
  • http://ocw.unican.es/ciencias-de-la-salud/fisiologia-general/materiales-de-clase-1/tema-1.-introduccion-al-estudio-de-la-fisiologia/Tema%208-Bloque%20I-Regulacion%20Genetica.pdf
  • http://www.ramc.cat/composicio/Santiago%20Vidal%20Sivilla.pdf
  • http://www.cienciaybiologia.com/bgeneral/regulacion-expresion-genica-procariotas-virus.htm
  • http://genmolecular.wordpress.com/regulacion-de-la-expresion-genica/



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