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CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA 1
Para empezar se hablará de cómo ha ido
evolucionando el control de la expresión génica a
lo largo del tiempo desde los procariotas hasta
llegar a las eucariotas y las células humanas.
También veremos los niveles de control, que
evidentemente el más importante es la
transcripción.
El control de la expresión génica implica que un gen se exprese, que es lo mismo que decir que aparezca una
proteína y esa proteína tenga una función, por tanto eso implica desde la transcripción desde el ARNm hasta que
se traduce en una proteína funcional y activa. Todos esos pasos son pasos de control posibles de la expresión
génica.
En los procariotas ya vimos que en un mismo compartimento ocurrían los tres procesos, es decir, la replicación, la
transcripción, y la traducción. La transcripción y la traducción iban seguidas y no era necesario que hubiera
concluido la transcripción para que el mensajero sintetizado fuera traducido por la maquinaria ribosomal de los
procatiotas.
También vimos que con el operón
triptófano en la traducción y como
ejemplos de operones de aa.
En los eucariotas la replicación
ocurre en el núcleo y la
transcripción y el procesamiento
también y una vez que el ARNm
está maduro sale al citoplasma y allí
es traducido en una proteína. Esta
proteína puede sufrir cambios,
puede
plegarse
y
sufrir
modificaciones postraduccionales y
finalmente tener funcionalidad y
situarse en el lugar adecuado.
-
Aquí podemos ver lo que ha ido cambiando el genoma a lo largo de la evolución:
El genoma más pequeño es el mycoplasma que es una bacteria que no llega al millón de pares de nucleótidos
mientras que el más grande es el de la planta del lilio que tiene un genoma de 1011 pares de nucleótidos y es
mucho más grande este genoma que el genoma humano que tiene 3.000 millones de pares de bases (genoma
aploide), y es comparable con el de la rana y el del tiburón, a parte de otras especies de plantas y moluscos.
El tamaño del genoma no se corresponde con la complejidad del organismo. En los organismos procariotas, los
más sencillos, tienen el genoma más pequeño. En ellos el genoma se controlaba de dos maneras posibles: una es
a través de una proteína que en el momento que surgía esa proteína se sintetizaba y se unía con el operador que
impedía que se transcribiera el operón. Esto tiene lugar en el operón lactosa en el cual vemos que hay unos genes
estructurales, Z, Y y A que son los que codifican enzimas que permiten la utilización del disacárido lactosa en las
bacterias. Están codificadas en un único gen poligistrónico que está bajo el control de un promotor y un operador.
El promotor es el sitio
donde una secuencia de
nucleótidos específica es
conocida
por
una
proteína (una de las
subunidades)
que
acompañaba a la RNA
polimerasa única de los
procariotas. Esa era una
de las subunidades sigma
que era intercambiable
(había varios tipos de
subunidades sigma) pero
esa era prácticamente
toda la variabilidad que había en los procariotas respecto al reconocimiento del promotor.
-El operador es un sitio que contribuye al control de los genes estructurales. Entonces ¿cómo se controla todo
esto?
Aquí vemos que a la izquierda del promotor hay otro gen que codificado que se llama el gen I que codifica una
proteína que actúa como represor uniéndose al operador. En el operón lactosa vemos que aparece el promotor,
luego el gen estructural y a partir del gen I se transcribe un ARNm que se traduce en una proteína que tiene
afinidad por el operador (por los nucleótidos que están formando parte de él) y entonces cuando la ARN
polimerasa se une al promotor esto obstaculiza el paso de forma que la ARN polimerasa se elimina sin haber
transcrito el gen estructural.
Esto ocurre en ausencia de inductor. Si no hay lactosa en el medio no hay inductor y entonces ocurre que el
represor se une al operador y entonces la RNA polimerasa no puede transcribir los genes. Esta es una regulación
bastante sencilla si pensamos en la complejidad que tiene más adelante con la evolución. Este operón lactosa
tenía otra forma
de
control
mediante el cAMP
y la proteína de
unión al cAMP
pero más o menos
esa
es
la
complejidad
de
regulación posible
descrita en los
procariotas.
El inductor es una
sustancia derivada de la
lactosa que produce por
isomerización de ésta.
La lactosa es un
disacárido,
entonces
cuando se produce la
1,6-anolactosa
actúa
como el inductor. El
inductor se une al
represor y bloquea la
unión del represor al
operador. Entonces deja
esa región libre, la RNA
polimerasa se une al
promotor y avanza a
través de las secuencias del operador y transcribe los genes estructurales.
El inductor obviamente es una molécula derivada de la lactosa, no ella en sí misma. Esto es porque el operón
lactosa esta activo, se expresan los genes que codifican las enzimas que permiten la utilización de la lactosa
solamente cuando hay lactosa en el medio.
El
operón
triptófano es otro
tipo
de
regulacón, que
de
alguna
manera
es
opuesta a la del
operón lactosa.
El operón lactosa
lo que codifica
son genes de
enzimas
que
permiten
la
utilizacióon de la
lactosa,
que
metabolizan la
lactosa mientras
que el operón
triptófano lo que
codifica son genes que sintetizan el aa triptófano. Entonces el operón lactosa tendrá que estar activo cuando haya
lactosa en el medio porque de otra manera estará gastando una energía sintetizando unas enzimas que es
innecesaria porque si no hay lactosa en el media para qué queremos esas enzimas.
Entonces con el triptófano ocurre lo contrario, cuando no hay triptófano es cuando la célula necesita sintetizarlo
ella misma, por tanto, esto implica que en ausencia de triptófano el operón deberia estar activo, deberia
expresarse.
De modo que esto ocurre según la imagen superior. Vemos el sitio promotor -operador además de el trpL que
codificaba el péptido libre (explicado en la clase anterior) y esto cnotrolaba a nivel traduccional. Pero el control
principal que es el control transcripcional ocurre en el promotor-operador. Funcina de la siguiente manera:
También hay un represor, otro gen distinto del operón triptófano que está codificado dentro del genoma de la
bacteria que cuando se expresa, cuando se transcribe, da un mesajero que se traduce en una proteína represora
que solamente actúa cuando hay triptófano en el medio, ya que en ausencia de triptófano esa proteína no tiene
afinidad por el operador, la tiene cuando se le une el triptófano y por eso se le llama corepresor. La unión del
triptófano y el represor constituyen el corepresor que se une al sitio operador y esto hace que se bloquee el paso
de la ARN polimerasa y por tanto no se transcriben los genes del operador. En ausencia de triptófano el represor
no está activo y el promotor-operador está accesible para la ARN polimerasa y ésta puede transcribir sin ningún
problema los genes estructurales dando lugar a las enzimas de la vía de síntesis del triptófano.
Hay situaciones intermedias en llas que hay concentraciones intermedias de triptófano donde se puede modular
la actividad de este gen mediante un atenuador.
El control de la expresión génica en procariotas es relativamente sencillo e implica un número reativamente
pequeño de enzimas que . Las bacterias viven en un medio al cual se pueden adaptar en cierta medida y disponen
de una maquinaria genes de mantenimiento que están practicamente activos, se están expresando de manera
continuada y no están sometidos a una regulación. Los cambios ambientales son relativamente pequeños si
comparamos con los cambios ambientales de una célula cualquiera de nuestro organismo.
La longitud de los genomas no se corresponden con el número de genes que se expresan.
En los procariotas, en Echerichia
Coli que es ell organismo donde
encontramos el operón lactosa y el
operóon triptófano vemos que hay
menos de 5000 genes que se
expresen. Otro ejemplo es el de la
Saccharomyces cerevisiae que
tiene cerca de 6000, es una
levadura, eucariota por lo tanto.
También encontramos al homo
sapiens que tiene 75.000 genes
que se expresan.
Tenemos que tener en cuenta que
hay un número mayor de genes en
los organismos más complejos.
Aunque los genomas podrían ser
más grandes en organismos más
pequeños, el número de genes
que se expresan si que establecen una correlación entre la complejidad de los organismos.
Estudiando la estructura de los genes de procariotas y eucariotas más o menos evolucionados lo que se observa
es que las porciones reguladoras van aumentando en complejidad con la evolución, de tal manera que la región
rguladora en Echerichia Coli de cualquier gen en general de un operón, tenía un promotor , una secuencia
reguladora o como mucho dos.
Imagen inferior: En las levaduras vemos que hay un sitio promotor donde se une la ARN polimerasa donde se
empieza a transcribir (la flecha indica el ARNm) y ahí hay un número mayor de secuencias reguladoras repetidas o
distintas entre sí. Si comparamos finalmente con un gen de una célula humana vemos que tiene el promotor, en
la región codificadora hay zonas y elementos reguladores que también pueden estar incluso dentro de la región
codificadora. En 5I del promotor vemos que hay muchísimas zonas reguladoras que están indicadas por los
fragmentos de nucleótidos azules; los hay cerca del promotor , un poco más lejos y los hay mucho más lejos
porque el DNA estaría interrumpido y separaría los fragmentos aún más.
La complejidad en la regulación de la expresión génica, del nivel de la transcripción de un gen es más grande en
los organismos más complejos. Esto es así porque el medio en el que viven las bacterias es sencillo y el medio en
el que se desarrollan las células humanas es mucho más complejo. El número de señales que pueden llegar a
controlar la expresión de un gen en las células humanas es mucho mayor por lo que cada señal tendrá un sitio
específico en el gen para poder ser regulado.
Además, la secuencia de la región reguladora de cada gen específico es distinta. Va a haber un conjunto de genes
que se expresan en proteínas que controlan este proceso. Las proteínas que se van a unir a estas secuencias
reguladoras también van a estar en un número más grande en las células humanas que en las bacterias de los
procariotas.
En los organismos el aumento de la complejidad aporta una regulación de la expresión mucho más elaborada y
también en organismos como lo de los mamíferos vemos por ejemplo en el del ratón vemos una serie de cosas
como que tiene huesos, pelo, piel, cerebro…en definitiva tiene una serie de cosas en común con nosotros, no son
exactamente iguales pero son las mismas estructuras
con las mismas moléculas. Entonces todas esas
moléculas se expresan gracias a la expresión de unos
genes concretos que son iguales o muy parecidos en su
región estructural. Las proteínas tienen homología, la
región estructural de los genes tiene homología y donde
no hay tanta homología es en la región reguladora.
Vemos que en los mamíferos, aunque sean muy
diferentes entre sí tienen genes cuyas ORF (marco de
lectura- open reading frame), la parte del DNA que
codifica, que da lugar a un ARNm o la atracción del
mensajero con el triplete AUG y los tripletes de
terminación, que es la que de tres en tres codifica
aminoácidos.
Entonces las ORF son muy parecidas pero se diferencian en la región
reguladora de la expresión génica.
La proporción de genes reguladores es de en las levaduras un gen de
cada 20 y en los humanos un gen de cada 10. Por tanto hay muchos más
genes en las células humanas dedicados a la expresión génica que en las
levaduras, con lo que hay muchas más secuencias reguladoras en
humanos que en levaduras.
En el control de la expresión génica tiene mucha importancia que sea de manera ordenada y coordinada y muy
precisa para que un organismo se pueda desarrollar. Como vimos en embriología los organismos van pasando por
distintas etapas durante el desarrollo y esas etapas dependen de que en un momento determinado se exprese un
determinado grupo de genes y otros no. Eso es lo más importante del control de la expresión génica porque de
otra manera el organismo no llega al estadío adulto. El control de la expresión génica durante el desarrollo es el
que condiciona practicamente la existencia o la llegada a la vida madura de un organismo.
Aquí vemos que para que el cigoto se
desarrollo tienen que expresarse multitud de
genes de una manera muy coordinada. En un
momento adecuado , cada grupo de genes
tienen que responder de forma adecuada a
una señal específica que solo se genera en ese
momento , ni antes ni después. Eso es vital en
el control de la expresión génica.
De una zona tan pequeña se van a generar
distintas partes del embrión y de cada una de
esas partes se van a generar distintos tipos
celulares. Cada tipo celular es distinto. Las
células del hígado tienen poco que ver con las células de la piel, del músculo, del tejido adiposo, porque cada una
de ellas expresa un conjunto de genes especícos de ese tipo celular. Eso también se controla de una forma
adecuada y contextualizada en el control de la expresión génica de cada tipo celular.
Aquí tenemos que de los genomas hay un
parte muy pequeña que se transcribe,
entonces hay alrededor de un 10%-20% de
los genes que hay en los genomas se
expresan y los podemos agrupar en tres
grupos dependiendo de la cantidad de
moléculas de ARN mensajero que se
expresen a partir de un gen. Entonces en un
momento determinado un gen se expresa y
el número de moléculas de mensajero que
aparecen puede ser muy pequeño,
intermedio o muy grande.
En el segundo apartado llamamos genes estructurales a los que dan lugar a proteínas que forman parte de las
estructuras de la célula, tanto de la membrana como del citoplasma… no son enzimas.
En el tercer apartado hay que decir que puede llegar un momento, por ejemplo, en el hígado, en el que es
necesario para la supervivencia el estados de ayuno la gluconeogénesis hepática, que permite mantener la
homeostasis de la glucosa en el plasma sanguíneo, que la enzima clave de la vía gluconeogénica que es la
fosfoenolpiruvato carboxikinasa está regulada de manera hormonal y en un momento determinado pueden
introducirse en ella muchas copias de su RNAm que se traduzcan y que tengan actividad enzimática suficiente
para producir la glucosa necesaria para nuestro organismo. Se pensaba estos genes eran muy pocos y sin
embargo la genómica afirma que hay varios cientos de genes en estas condiciones.
Todo esto es para recordar que las células eucariotas tienen varios compartimentos y que en cada uno de ellos
tienen lugar los distintos pasos de la expresión génica.
Algunos de los pasos son:
Cuando el gen se expresa da un transcrito primario, éste a su vez
da un mensajero maduro que pasa a través de los poros nucleares
al citoplasma y allí es degradado, inactivado o es traducido a una
proteína inactiva que finalmente se activa y da lugar a una porción
celular.
Previamente en el DNA antes de que DNA se haya transcrito hay
un control pretranscripcional. Ese control depende de la
estructura del DNA, depende de que el gen esté accesible a la
maquinaria de transcripción. Esto depende de la metilacion del
DNa y del superenrollamiento. De modo que el control pretranscripcional determina esto.
Es un control epigenético
porque no depende de la
secuencia de nucleótidos
del genoma sino de las
modificaciones que haya
sobre la secuencia de
nucleótidos y sobre las
histonas
que
están
acompañando a estos
nucleótidos.
El segundo punto de control es el control transcripcional.
Las vías metabólicas se controlan en el primer paso, es
decir, las enzimas clave en el control de estas vías son las
que catalizan el primer paso, la primera transformación.
Aquí ocurre lo mismo puesto que qué sentido tendría que
la transcripción tuviera lugar, se unieran los nucleótidos
para dar un mensajero, ese mensajero se tradujera en una
proteína y al final no se activara de forma correcta y no
sirviera para nada. Entonces lo lógico es frenar antes, en el primer paso, es decir, en la transcripción que está
controlada por las secuencias del DNA y por proteínas que se unen específicamente a ese DNA y mandan señales
integradas mediante lo correpresores en la RNA polimerasa y en el complejo de transcripción.
El elemento que hace que la velocidad de transcripción sea más alta o más baja es la RNA polimerasa que hace
que se forme un complejo de transcripción basal más o menos estable, la estabilidad de ese complejo es la que
depende de todas las señales que pueden llegar a través de factores de transcripción y de moléculas
intermediarias. Por una parte es la accesibilidad de los sitios de inicio, la disponibilidad de los factores de
transcripción y también la secuencia de promotores, ya que se podían dar hasta 4 tipos de secuencias que podían
colocarse de una determinada manera para conseguir la eficiencia máxima de un promotor. Si una de estas
secuencias no está presente en un promotor, éste no sería tan eficiente como el que si la contenga.
El inicio de la transcripción es donde reside el control principal porque una vez que se ha iniciado la elongación ya
no depende de prácticamente nada más, solo de algunos factores que acompañan a la RNA polimerasa.
Una vez que ya se ha transcrito el gen tiene
lugar un control de la maduración en el que se
retiran unos intrones determinados y se
ordenan los exones.
En el control de la estabilidad debemos tener
en cuenta que el ARNm será traducido tantas
veces como esté disponible para la
maquinaria ribosomal.
Un ARNm circularizado puede estar
simultáneamente traducido por varios
ribosomas. Cuanto más tiempo esté
físicamente dentro de la célula y cerca de los
ribosomas y pueda ser traducido, más cantidad de proteínas
se sintetizará. Pero si la vida media del ARNm es de 13, es
decir 13 RNAm se degradan, entonces no puede haber
traducción de ese mensajero. De modo que la vida media del mensajero es muy importante para el control de la
expresión génica.
En el año 2006 el premio nobel de fisiología y medicina fue para estos dos investigadores que descubrieron que
hay un mecanismo mediante el cual se puede suprimir la actividad de genes , su expresión, y este mecanismo
implica un RNA de doble cadena que puede suprimir esta expresión de una forma dependiente de homología y
esto se llama RNA interferido.
Una de las cosas más difíciles a las
que se ha enfrentado la biología
experimental molecular ha sido
poder estudiar los RNA, ya que éste
es muy inestable y se degrada
fácilmente y no es sencillo
manipularlo.
El experimento consistió en que
ellos inyectaron un RNA de doble
cadena o de cadena sencilla en las
gónadas de un gusano. Cuando lo
hacían se veía que aunque se
inyectaba el RNA con sentido en la
gónada, el gusano se desarrollaba y
daba lugar a un genotipo normal. Si
se inyectaba el antisentido, es decir,
la molécula de ARNm con la
secuencia de RNA complementaria y
antiparalela del RNAm con sentido lo
que se veía es que los resultados no
daban ningún efecto en el genotipo
del gusano. Sin embargo cuando se
inyectaba un RNA de doble cadena,
con dos hebras, con y sin sentido
juntas, lo que ocurría era que se
formaba un gusano distinto con un
genotipo cambiado.
Entonces eso les llevó a repetir el
proceso en otros genes como el gen
mex-3 (RNAm) y lo inyectaron en
embriones.
De modo que investigando qué era lo que
cambiaba dentro de la célula y qué era lo que
había se descubrió que había dos complejos
proteicos importantes en este proceso. Uno de
ellos era el de doble cadena que se llamaba
Dicer que corta el RNA de doble cadena en
trozos de 21-25 pares de nucleótidos. También
hace que una de las hebras sean cargadas
sobre otros trozos y éstos tienen una cierta
afinidad por un complejo que se llama Risc.
Este complejo recoge un trozo de la hebra
antisentido del RNA de doble cadena y le ha
unido el RNAm por complementariedad de
nucleótidos. Cuando se produce esta unión
entre los fragmentos de doble cadena entonces
esta proteína Risc tiene actividad de hidrólisis
del RNAm y con lo cual este mecanismo lo que hace es degradar el RNAm.
Todas las células tienen capacidad para
producir RNA de doble cadena específicos
para degradar RNAm concretos porque este
RNA antisentido amarillo tiene que hibridar
con un RNAm celular (imagen). De modo que
este es el mecanismo para degradar RNAm.
El sistema Dicer se encarga de cortar el RNA
de doble cadena en trocitos pequeños de 21
a 25 pares de nucleótidos y también
desdoblan la doble cadena. Mientras que el
sistema Risc se encarga de unir los trozos
generados de monocadena y los enfrenta a
RNAm celulares. De modo que cuando un RNAm celular tiene enfrentado una secuencia
de RNA complementaria y antiparalela Risc rompe el RNAm y lo degrada
desapareciendo el mensajero de forma que ya no vuelve a estar disponible.
Estos sistemas sirven a la célula principalmente para destruir RNA invasores, permiten la
eliminación de transcritos, de fragmentos de RNA que no tienen ninguna función,
bloquean la síntesis de proteínas porque al romper los RNA impiden que se traduzcan…
Hasta que aparecieron los RNA de interferencias cuando uno quería la función de un gen
concreto en una célula o en un organismo determinado lo que tenía que hacer era
noquear ese gen e impedir de alguna manera que ese gen se expresara. De este modo
aparecieron los animales knock-out, animales experimentales como ratones que no
expresaban una serie de genes concretos. Era un proceso muy largo y costoso y cuando
se descubrió esto, sintetizando en un laboratorio RNA de doble cadena que tuviera una de las cadenas
prácticamente igual que el mensajero del gen que queríamos eliminar pues haciendo llegar ese RNA de doble
cadena a la célula hacíamos que no se expresara ese gen en la célula porque se destruirían los mensajeros a
través de ese mecanismo.
Está permitido el estudio de la
función de nuestros genes,
quitando el gen vemos qué
función desaparece en la célula.
De modo que el método Dicer-Risc
ha supuesto un avance en estos
estudios. Para eliminar un
determinado gen no sería
necesario eliminarlo en un
organismo completo. Entonces
Sabemos que el control traduccional se podía hacer
mediante la fosforilación entre otras técnicas.