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Genética teoría Tema 6 Regulación Genética • Los sistemas procariotas y eucariotas • La transcripción • Control de la expresión genética en procariotas • El operón lactosa • Sistemas de control positivo y negativo • El operón triptófano

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Page 1: Genética teoría Tema 6 Regulación Genética Los sistemas procariotas y eucariotas La transcripción Control de la expresión genética en procariotas El operón

Genética teoríaTema 6Regulación Genética

• Los sistemas procariotas y eucariotas

• La transcripción

• Control de la expresión genética en procariotas

• El operón lactosa

• Sistemas de control positivo y negativo

• El operón triptófano

Page 2: Genética teoría Tema 6 Regulación Genética Los sistemas procariotas y eucariotas La transcripción Control de la expresión genética en procariotas El operón

La teoría del operón

Unidad de organización genética que permite la regulación simultánea de genes estructurales generalmente relacionados en respuesta a cambios ambientales

Los actores

Inducción

Represión

No hay lactosa en la célulaEl represor está unido al operadorLos genes Z, Y y A no se expresan

Genes estructurales

Represor +inductorNo se uneal operador y se expresan Z, Y y A

La ARN polimerasa inicia la transcrición porque el promotor está accesible

Genrepresor

Promotor

Operador

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Monómeros

Sistema modelo en Escherichia coli: la utilización de la lactosa

E. coli en un medio con glucosa y lactosa NO utiliza la lactosa,NO inicia la transcripción de los genes del operón lac hasta agotar la glucosa

¿Por qué la lactosa no actúa como inductor en estas condiciones?

Existe otro tipo de control en el operón lac mediado poradenosine monofosfato cíclico cAMP y proteína activadora cAMP CAP

Control positivo

AMPc-CAPactúa sobreotros operones:gal y ara

Adenil ciclasa

Regulación positiva:CAP unida a cAMP.

CAP-cAMPpermite la unión al ADNy promueve la expresióndel operón lac

El inductor unido al represor no inhibe la expresión porque es necesaria la presenciadel regulador positivoCAP-cAMP para laexpresión del operón lac

Represión por catabolito:La glucosa disminuye ladisponibilidad de laadenilato ciclasa y reduce los niveles del cAMPpara la unión al CAP

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Represión por catabolito afecta al operón lac y los operones gal y araPero hay otros reguladore positivos específicos de un operón: AraC

No hay transcripción delos genes estructurales BAD

Transcripción de los genes estructurales BAD

RNA polimerasa

Degradación del azúcar arabinosa es un sistema inducible en presencia de arabinosa

Mutación en araCRecesivapérdida de función

Estudios de mutantes araC- NO expresan altos niveles de los genes araBAD

Control positivo

La proteína AraC no se une al ADN del promotor

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Cuando la mutación en una proteína regulatoria resulta en la no expresión de los genes debe ser un regulador positivo (activador), si la mutación causa una expresión constitutiva de los genes entonces es un regulador negativo (represor)

Mutación engen regulador

activador represor

Expresión degenes estructurales

ausente constitutiva

Tipo de control positivo negativo

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En el operón lac tanto el represor (el regulador negativo) como CAP (regulador positivo) son proteínas que ejercen su función a través de la unión al ADN en sitios específicos

Proteína represora marcada radiactivamente

ADN viral y bacterianoOperon lac lacO+

Mezclar ADN y proteínaSedimentar por centrifugación en gradiente de glicerol

Cosedimentación del ADN operón lac y represor marcado

ADN viral y bacteriano

Operon lac lacOC

Proteína represora marcada radiactivamente

Mezclar ADN y proteínaSedimentar por centrifugación en gradiente de glicerol

Solo ADN operón lac No hay represor marcado

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Muchas proteínas de unión a ADN contienen motivos Helix-turn-Helix

2 α Hélices separadas por una vuelta en la estructura de la proteína (HTH)

El motivo HTH encaja en el surco mayor del ADN

Los amino ácidos en el α hélice identifica a la secuencia de bases del ADN

Reconoce al operador en el fago P22434

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Sitio de unión de CAP-cAMP Sitio de unión de ARN polimerasa

Sitio de unión en el operador

Sitio de iniciación de la transcripción

Sitio de iniciación del ORF de lacZ

Contacto físico entre CAP y ARN polimerasa

Sitio de unión de CAP

¿Como las proteínas reguladoras interactúan con la ARN polimerasa?

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Triptófano ausente

Triptófano presente

Co-represorrepresor

El triptófano actúa como un co-represor

La síntesis del triptófano es una ruta anabólica y la presencia del producto final reprime la expresión del operón

Otros sistemas modelo en Escherichia coli: la síntesis del triptófano

La máxima expresión de los genes trp ocurre cuando triptófano está ausente del medio

La unión del co-represor altera la forma del represor y permite su unión al operadorNO hay transcripción

El represor no se une al operador, hay transcripción

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La atenuación del operón triptófano en E. coli

Bacteria TrpR - O + trpE+ trpD+ trpC+ trpB+ trpA+

¿Expresión constitutiva de los genes estructurales trp independiente de la presencia del triptófano?

Expresión del Operón en cepas trpR+ y trpR- (%)

Triptófano en el medio + -

trpR+ 8 100

trpR- 33 100

Hay un mecanismo independiente del represor que reprime la expresión

Triptófano presente

La unión del co-represor altera la forma del represor y permite su unión al operador

NO

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La atenuación del operón triptófano en E. coli

Transcripción: produce dos ARN

Sitio de atenuación

Operador

Promotor Leader

¿Por qué hay una terminación de la transcripción prematura?

Atenuación: control de la expresión genética mediante la terminación prematura de la transcripción

140 pb

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La atenuación del operón triptófano en E. coli

La lectura de los primeros 14 codones determina cual estructuras se forman. El codon trp UGG esta dos veces al principio y la transcripción censa la presencia de triptófano en la célula.

En la secuencia leader potencialmente se pueden formar estructuras alternas secundarias de tallos y asas.Tallo 1-2 permite formar tallo 3-4 que es un terminador Rho independiente y detienen la transcripción.Tallo 2-3 no permite formar el tallo 3-4 y hay transcripción

2Xcodones

trp

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Codones trp

La atenuación del operón triptófano en E. coli

Se produce un ARN atenuado, truncado de 140 pb

Triptófano presente

El ribosoma transcribe pasando los 2 codones trp.No se forma el tallo 2-3

ARNttrp

disponible

Se forma el asa 3-4 y termina la transcripción

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La atenuación del operón triptófano en E. coli

Continua la transcripción

Triptófano ausente

El ribosoma se atasca en los codones trp

ARNtTrp

no disponible

Al detenerse el ribosoma permite la formación de la horquilla con tallo 2-3 que previene la estructura del asa 3-4

Se produce un ARNm policistrónicio con todos los genes estructurales del operón trp

La traducción simultánea de un péptido de la región leader determina el control fino de la transcripción a través de censar los niveles de ARNtTrp.

El sistema de atenuación existe para los operones His, Phe, Thr y Leu

Codones trp

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¿Cómo demostramos que existe la estructura secundaria y que la traducción del leader participa en su formación?

• Deleción de la secuencia leader:

• Mutaciones que alteran la formación de la estructura del tallo:

pérdida del control por atenuaciónMutantes trpR – no responde a triptófano en el medio

Promotor

OperadorSitio de

atenuaciónOperador

Promotor Leader

afectan la regulación, no hay atenuaciónmutaciones que restituyan el tallo, recuperan la atenuaciónX

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El papel de la ARN polimerasa en la transcripción

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La inducción de factores sigma alternativos que reconocen diferentes secuencias de promotores sirve como un mecanismo global de regulación en muchas bacterias

• Respuesta choque térmico en E. coli • Esporulación en Bacillus subtilis• Síntesis del flagelo• Fijación del nitrógeno en Klebsiella y Rhizobium

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Diferencias básicas en la regulación de la expresión entre procariotas y eucariotas

Control de la transcripción a través de proteínas de unión al ADN SI SI

Reutilización de los mismos motivos de unión a ADNpor diferentes proteínas de unión a ADN SI SIProteínas activadoras SI SI

Proteínas represesoras SI SI

Especificidad de unión al ADN de la proteína regulatoria Específica Altamente Específica

Afinidad de unión Fuerte Muy fuertePapel de la estructura de la cromatina NO SI

Control coordinado alcanzado con los operones SI RaroEdición diferencial NO SIAtenuación SI NOProcesamiento del ARN NO SIPoliadenilación diferencial NO SI

Transporte diferencial del ARN del núcleo al citoplasma NO SI

Características Procariotas Eucariotas