Operon arabinosa

Regulacin a nivel transcripcional

http://fbio.uh.cu/sites/genmol/confs/conf7/p02_euc.htm

La transcripcin de un gen en estado activo est controlada en la iniciacin por la interaccin de la RNA polimerasa con su promotor. En la mayora de los genes, ste es el punto de control ms importante. Probablemente sea el nivel ms comn de regulacin. Hasta el momento no existen evidencias de control en otras etapas de la transcripcin en las clulas eucariotas, como por ejemplo, mediante mecanismos de antiterminacin. La regulacin de la transcripcin de un gen especifico de tejido es la base de la diferenciacin eucariota, como por ejemplo, las protenas que regulan el desarrollo embrionario que no son ms que factores de transcripcin.La regulacin de la expresin de genes a nivel transcripcional, se subdivide en:1. Regulacin en cis2. Regulacin en trans

Regulacin en cisUn elemento regulador en cis es una secuencia contigua a un gen que tenga tiene un efecto regulador sobre la tasa de transcripcin de ese gen. En los eucariontes las secuencias necesarias para la regulacin de la transcripcin se remontan mucho ms en la direccin 5' que el promotor, a veces varias decenas de kb antes del sitio de iniciacin, como indica la siguiente figura:

En esta regin se encuentran toda una serie de elementos sobre los cuales se fijan los factores anteriores, como por ejemplo, las cajas CAAT y GC (ver Fig. 20.17 Genes VII). Una caracterstica de estas secuencias o elementos es que a menudo son casi simtricas y las protenas que se fijan a ellas son generalmente homodmeros o heterodmeros.El principio que emerge de la caracterizacin de grupos de genes bajo control comn es que comparten un promotor que es reconocido por un factor de transcripcin regulador. Un elemento que hace que un gen responda a un factor tal se llama un elemento respuesta. Ejemplo de ellos son HSE (elemento respuesta al choque trmico), GRE (elemento respuesta a los glucocorticoides), SRE (elemento respuesta al suero).Los elementos respuesta tienen las mismas caractersticas generales que los elementos anteriores de los promotores o los enhancers. Contienen secuencias consenso cortas, y las copias de los elementos respuesta que se encuentran en diferentes genes estn estrechamente relacionadas, pero no son necesariamente idnticas. En los promotores, los elementos no estn presentes a distancias fijas del punto de inicio, pero generalmente se encuentran a < 200 pb antes del mismo. La presencia de un solo elemento es casi siempre suficiente para conferir la respuesta reguladora, pero a veces hay mltiples copias. Los elementos respuesta pueden estar localizados en los promotores o en los enhancers.Se asume que todos los elementos respuesta funcionan gracias al mismo principio general: Un gen est regulado por una secuencia en el promotor o en un enhancer que ser reconocida por una protena especfica. La protena funciona como un factor de transcripcin necesario para que la RNA polimerasa inicie. La protena activa est disponible solamente bajo condiciones en las cuales el gen se expresa. Su ausencia significa que el promotor no est activado para este circuito especfico.

Un ejemplo de una situacin en la cual muchos genes estn controlados por un solo factor es el de la respuesta al choque trmico. Esta es comn a un amplio rango de procariontes y de eucariontes e involucra mltiples controles de la expresin gnica. Un aumento de la temperatura apaga la transcripcin de algunos genes, enciende la transcripcin de los genes de choque trmico, y provoca cambios en la traduccin de los mRNAs. El control de los genes de choque trmico ilustra las diferencias entre los modos de control procariota y eucariota. En las bacterias, se sintetiza un nuevo factor sigma que dirige a la holoenzima RNA polimerasa para que reconozca una secuencia -10 alterna, comn en todos los promotores de los genes de choque trmico. En los eucariontes, los genes de choque trmico tambin poseen una secuencia consenso comn (HSE), pero est localizada en diversas posiciones con relacin al punto de inicio y es reconocida por un factor de transcripcin independiente. La activacin de este factor ofrece los medios para iniciar la transcripcin en un grupo especfico de genes que contienen una secuencia diana determinada en su promotor.El gen de la metalotionena (MT) ofrece un buen ejemplo de como un solo gen puede ser regulado por muchos circuitos diferentes. La protena metalotionena protege a la clula contra las concentraciones excesivas de metales pesados, unindose al metal y sacndolo de la clula. El gen se expresa a nivel basal, pero se induce a mayores niveles de expresin mediante los iones de metales pesados o mediante glucocorticoides. La regin de control combina diferentes tipos de elemento regulador, como muestra el siguiente esquema de la zona -260 upstream: Un ejemplo de una situacin en la cual muchos genes estn controlados por un solo factor es el de la respuesta al choque trmico. Esta es comn a un amplio rango de procariontes y de eucariontes e involucra mltiples controles de la expresin gnica. Un aumento de la temperatura apaga la transcripcin de algunos genes, enciende la transcripcin de los genes de choque trmico, y provoca cambios en la traduccin de los mRNAs. El control de los genes de choque trmico ilustra las diferencias entre los modos de control procariota y eucariota. En las bacterias, se sintetiza un nuevo factor sigma que dirige a la holoenzima RNA polimerasa para que reconozca una secuencia -10 alterna, comn en todos los promotores de los genes de choque trmico. En los eucariontes, los genes de choque trmico tambin poseen una secuencia consenso comn (HSE), pero est localizada en diversas posiciones con relacin al punto de inicio y es reconocida por un factor de transcripcin independiente. La activacin de este factor ofrece los medios para iniciar la transcripcin en un grupo especfico de genes que contienen una secuencia diana determinada en su promotor.El gen de la metalotionena (MT) ofrece un buen ejemplo de como un solo gen puede ser regulado por muchos circuitos diferentes. La protena metalotionena protege a la clula contra las concentraciones excesivas de metales pesados, unindose al metal y sacndolo de la clula. El gen se expresa a nivel basal, pero se induce a mayores niveles de expresin mediante los iones de metales pesados o mediante glucocorticoides. La regin de control combina diferentes tipos de elemento regulador, como muestra el siguiente esquema de la zona -260 upstream:

y sugiere el siguiente principio: Cuando un promotor est regulado en ms de una forma, cada evento regulador depende de la unin de su propia protena a una secuencia determinada.

La respuesta a las hormonas esteroides est dictada por un GRE que est localizado 250 pb antes del punto de inicio y se comporta como un enhancer. La delecin de esta regin no afecta el nivel basal de expresin o el nivel inducido por iones metlicos. Pero es absolutamente necesario para la respuesta a los esteroides.La regulacin de la metalotionena ilustra otro principio general que dice que:Cualquiera de varios elementos diferentes, localizado ya sea en un enhancer o en un promotor, puede independientemente activar el gen. La ausencia de un elemento necesario para un modo de activacin no afecta la activacin en otros modos.

La variedad de elementos, su independencia de accin, y la aparentemente ilimitada flexibilidad de sus ordenamientos relativos, sugieren que un factor que se une a cualquier elemento es independientemente capaz de aumentar la eficiencia de la iniciacin mediante el aparato de transcripcin basal, probablemente en virtud de interacciones protena-protena que estabilizan o asisten la formacin del complejo de iniciacin. Los enhancers, amplificadores, potenciadores o activadores de la expresin gnica son secuencias que actan a distancia del gen. Sus caractersticas principales se pueden resumir de la siguiente manera:1) Actan a grandes distancias del gen que activan, hasta a 50 000 pb de distancia.

2) Actan en ambas direcciones, normal o invertida. La inversin disminuye ligeramente el efecto positivo del enhancer sobre la transcripcin.

3) Estn situados antes del promotor, pero pueden estar despus.

4) Se encuentran en la regin 5' o en la 3' del gen y pueden encontrarse incluso dentro de un intrn.

5) Activan la transcripcin a partir de un promotor al cual se unen, comenzando la sntesis en el sitio de iniciacin normal.

6) Se les asocia a muchos genes de clase II y a algunos de clase I.

7) Pueden afectar la transcripcin de cualquier gen situado en las proximidades.

8) Son especficos de tejido o de especie.

9) Pueden actuar modificando la estructura espacial del DNA o su velocidad de torsin.

10) Pueden ser reconocidos por una o varias protenas reguladoras.Hasta ahora hemos considerado un promotor como una regin aislada responsable de unir la RNA polimerasa. Pero los promotores eucariotas no necesariamente funcionan solos. En al menos algunos casos, la actividad de un promotor est enormemente aumentada por la presencia de un enhancer.El concepto de que el enhancer es diferente del promotor refleja dos caractersticas. La posicin de un enhancer con relacin al promotor no es necesariamente fija, pero puede variar sustancialmente. Y puede funcionar en ambas direcciones, como ya se mencion. Las manipulaciones del DNA muestran que un enhancer puede estimular cualquier promotor colocado en su vecindad. Un enhancer puede actuar sobre un promotor que est cercano a l, pero el enhancer puede estar antes o despus del promotor. La responsabilidad de la transcripcin especfica de tejido puede recaer en un promotor o en un enhancer. Un promotor puede estar especficamente regulado, y algn enhancer cercano puede ser utilizado para aumentar la eficiencia de iniciacin. O bien, un promotor puede carecer de regulacin especfica, pero puede activarse solamente cuando se active especficamente un enhancer cercano. Un ejemplo de ello lo tenemos en los genes de las inmunoglobulinas, que tienen enhancers "dentro" de la unidad de transcripcin. Los enhancers de las inmunoglobulinas parecen activarse solamente en los linfocitos B, en los cuales se expresan los genes de las inmunoglobulinas. Estos enhancers son responsables de parte de la red reguladora mediante la cual se controla la expresin gnica.Cmo puede un enhancer estimular la iniciacin en un promotor que est localizado a cualquier distancia lejos del mismo o bien, a cada lado del mismo? Si un enhancer representa un caso extremo de mezclar y unir elementos de un promotor, entonces puede considerarse parte de un promotor en una localizacin distante. El rol esencial de un enhancer puede ser aumentar la concentracin de los factores de transcripcin en la vecindad del promotor. Un fragmento de DNA que contiene un enhancer en un extremo y un promotor en el otro no se transcribe eficientemente, pero el enhancer puede estimular la transcripcin desde el promotor cuando estn conectados por un puente proteico:

Ya que los efectos estructurales, como son los cambios en el superenrollamiento, no pueden transmitirse a travs de dichos puentes, se sugiere que la caracterstica crtica ser acercar el enhancer y el promotor. Los conceptos generales de los enhancers no se conocen bien an. No se conoce qu proporcin de promotores celulares necesita un enhancer para alcanzar su nivel normal de expresin. Tampoco se sabe cun a menudo puede un enhancer ser la diana para la regulacin. Algunos enhancers se activan solamente en los tejidos en los cuales funcionan sus genes, pero otros pudieran activarse en todas las clulas.

Regulacin en trans: protenas de unin al DNAComo acabamos de ver, la mayora de las secuencias reguladoras que hemos estudiado no pueden, por s solas, modificar la velocidad de transcripcin. Las responsables de la modificacin de la velocidad son las protenas que obran recprocamente con ellas. A este tipo de regulacin es que se le llama regulacin en trans. Una de las primeras protenas de este tipo que se caracteriz y clon fue la SP1 que reconoce las cajas GC. Despus, se han descubierto numerosas protenas de regulacin en trans, como son los factores inducibles que se une a los elementos respuesta.Las protenas reguladoras que se fijan al DNA son capaces de fijarse tanto a los enhancers como a los elementos anteriores. Ellas pueden obrar recprocamente entre ellas antes de fijarse al DNA o pueden actuar de forma independiente. Una misma protena puede fijarse a un enhancer y a un elemento o pueden ser protenas diferentes. Algunas protenas reguladoras activan la transcripcin y otras la inhiben. Las protenas fijadas en los enhancers cooperan con las fijadas en los elementos para controlar la transcripcin. Su efecto global ser la resultante de sus efectos activadores e inhibidores. Las protenas reguladoras especficas de clula estn presentes en muy pequeas cantidades en la clula.El estudio de las protenas reguladoras ha permitido poner en evidencia caractersticas muy comunes entre ellas. De esta manera, se sabe que cada una de esas protenas contiene al menos dos dominios: el dominio de fijacin al DNA que permite a la protena reconocer sus genes "diana" y el dominio de accin sobre la transcripcin que provocar los efectos positivos o negativos de la protena sobre la transcripcin.Se ha demostrado que ambos tipos de dominio son intercambiables entre los diferentes factores de transcripcin. De esta forma, una protena constituida por un dominio de activacin de la transcripcin proveniente de un factor de transcripcin de mamfero acoplado a un dominio de fijacin al DNA proveniente de una levadura ser perfectamente funcional y activar todos los genes que posean la secuencia diana del dominio de fijacin al DNA. Adems de estos dos dominios, algunos factores poseen otros dominios que les confieren determinadas propiedades y que son tambin intercambiables. Estos dominios pueden ser, por ejemplo, un sitio de fijacin para una hormona, para un ion, etc... El dominio de unin al DNA sirve para traer la protena al lugar correcto. Exactamente cmo o donde se une al DNA es irrelevante, pero, una vez en su lugar, el dominio de activacin de la transcripcin juega su papel. Segn esta manera de ver las cosas, no importa la manera en que el dominio de activacin de la transcripcin se acerca a la vecindad del promotor. La forma que tienen los dos tipos de mdulo de funcionar en las protenas hbridas sugiere, que cada dominio de la protena adquiere de forma independiente una estructura activa que no est influenciada por el resto de la protena. As, la funcin del dominio de unin al DNA puede verse como la de traer el dominio de activacin cerca del sitio de iniciacin. Esto explica porqu la localizacin exacta de los sitios de unin al DNA pueden variar dentro del promotor.

MECANISMO DE ACCION DE LAS HORMONAS ESTEROIDEASLa especificidad de la reaccin de los tejidos a las hormonas esteroideas es debida a la presencia de receptores proteicos intracelulares. El mecanismo incluye: 1. difusin a travs de la membrana celular, 2. transferencia por la membrana nuclear hacia el ncleo y unin a la protena receptor, 3. interaccin del complejo hormona-receptor con DNA nuclear, 4. sntesis de RNA mensajero, 5. transporte del RNA a los ribosomas y, 6. sntesis proteica en el citoplasma que lleva a una accin celular especfica. Si bien es cierto que las hormonas esteroideas entran a la mayora de las clulas por difusin, en algunos casos puede existir transporte activo.La funcin del receptor es reconocer un ligando; despus de unirse a l transmite una seal que resulta en una respuesta biolgica. Debe poseer afinidad y especificidad. La afinidad est dada por la unin no covalente, en forma primaria como interacciones hidrofbicas y en segundo lugar electrostticas.Las hormonas esteroideas son transportadas rpidamente a travs de la membrana celular por difusin simple. Se desconocen los factores responsables de esta transferencia pero se cree que depende de la concentracin plasmtica de la hormona. Una vez en la clula la hormona se une a su receptor individual, localizado bien sea en el citoplasma o fracciones nucleares; esto implica transformacin o activacin del receptor. El trmino de transformacin hace referencia a un cambio en la conformacin del complejo hormona-receptor que produce o revela un sitio de unin necesario para ligarse a la cromatina. En otros casos el receptor se encuentra unido a protenas del shock por calor; al unirse la hormona se disocia este complejo, lo cual se conoce como activacin del receptor.

Figura 1.2 Mecanismo de accin de hormonas esteroideasLa unin de la hormona al receptor es un proceso saturable. En la mayora de los casos la mxima respuesta biolgica se observa con concentraciones de hormona menores a aquellas necesarias para ocupar la totalidad de los receptores.La actividad biolgica se mantiene mientras que el sitio nuclear se encuentre ocupado por el complejo hormona-receptor. En parte la actividad depende del tiempo de exposicin ms que de la dosis. En los estrgenos el complejo hormona-receptor tiene una vida media prolongada, a diferencia de la progesterona que debe circular en mayor cantidad porque su complejo se disocia rpidamente.Una accin importante de los estrgenos es la capacidad de afectar la concentracin de receptores, por lo cual puede modificar no solo su actividad sino la de otros esteroides.

La Superfamilia de ReceptoresLos receptores de hormonas esteroideas tienen una estructura bioqumica similar a la de los receptores de hormona tiroidea, 1,25- dihidroxi vitamina D3 y cido retinico; estos receptores reciben el nombre de superfamilia. Cada receptor tiene dominios caractersticos que son similares e intercambiables. Esta superfamilia tiene dos dominios y una regin "bisagra".1. El dominio regulador y fijador de los esteroides: se encuentra en el terminal aminocido. Tiene varios sitios de fosforilacin y est comprometido en la activacin del complejo hormona-receptor.2. El dominio de unin a DNA: se encuentra en la parte media y es esencial para la activacin de la transcripcin. Esta porcin es la responsable de controlar cul gene ser regulado por el receptor.3. La regin bisagra: se encuentra entre los dos anteriores dominios; contiene un rea de seal importante para el movimiento del receptor hacia el ncleo despus de su sntesis en el citoplasma. Es una regin hidroflica variable en los diferentes receptores.La similitud en la secuencia de aminocidos en el dominio de unin a DNA indica la conservacin de segmentos homlogos a lo largo de la evolucin. Un patrn importante en la conformacin es la presencia de unidades con repeticin de cistena, ligadas por iones de zinc, llamados dedos de zinc. Estos dedos son diferentes en los distintos receptores hormonales.Las principales caractersticas de esta superfamilia de receptores son:1. 1. Un sitio estructuralmente separado que une a la hormona.

2. La presencia de un sitio de unin con alta afinidad por DNA, diferente del sitio de unin de la hormona.

3. Tendencia a agregarse formando dmeros y tetrmeros.

4. Afinidad exaltada por el ncleo cuando se encuentra unido a la hormona.

Son mltiples las regiones del receptor que intervienen en la activacin de la transcripcin. Los receptores de estrgenos, progesterona y glucocorticoides tienen dos reas especficas conocidas como TAF-1 y TAF-2 que permiten la operacin de la transcripcin inducida por promotores.Existen genes promotores, indispensables para iniciar la transcripcin y sntesis de RNAm. Los genes aumentadores son secuencias cortas de DNA; actan como potentes estimuladores de la transcripcin, sirven como sitios fijadores del DNA para los complejos hormona-receptor activado y se denominan elementos de respuesta a los esteroides (SRE). En contraste hay genes silenciadores que tienen accin opuesta a los aumentadores. Existen tambin los aumentadores independientes de hormonas (SIE) que pueden estar localizados dentro de la regin reguladora; su funcin es incrementar la accin de los SRE.La regin de DNA necesaria para la formacin del complejo de iniciacin con la RNA polimerasa es llamada la regin promotora-aumentadora. En las clulas eucariotas el principal promotor est localizado antes del sitio de transcripcin; consta de siete pares de bases con secuencia rica en adenina-timina, llamada la caja TATA. Los elementos aumentadores son secuencias cortas que llevan a un incremento en la tasa de transcripcin de genes adyacentes. Los elementos silenciadores actan en forma opuesta. La especificidad de la unin del receptor depende de la regin de los dedos de zinc, especialmente el primer dedo. La activacin del receptor incluye una serie de eventos complejos: separacin del receptor de protenas inhibitorias, cambio estructural y fosforilacin. Esta ltima puede ser regulada por receptores de membrana y unin de ligandos. En el receptor de estrgenos la activacin implica una mayor afinidad por la hormona, siendo superior para estradiol y menor para estriol, efecto llamado cooperatividad.

El receptor de progesteronaEste receptor es inducido por los estrgenos a nivel de transcripcin y disminuido por los progestgenos tanto a nivel de transcripcin como de traduccin.El gene del receptor de progesterona codifica un grupo de RNA mensajeros que dirigen la sntesis de una serie de protenas estructurales relacionadas con el receptor; tienen dos formas mayores denominadas receptores A y B. Cada una de estas formas est asociada con una respuesta distinta a los estrgenos.

El receptor de andrgenosLos andrgenos pueden actuar a nivel intracelular de tres formas diferentes: por conversin de testosterona a DHT, por accin de la propia testosterona o por aromatizacin a estradiol. Los tejidos que responden a la testosterona son derivados del conducto de Wolff, mientras que el folculo piloso y derivados del seno urogenital son sensibles a la DHT. El hipotlamo aromatiza los andrgenos, lo cual puede ser necesario para los mecanismos de retroalimentacin.La secuencia de aminocidos en su dominio de unin a DNA es similar a la de otros receptores, pero especialmente al de progesterona; esto explica el por qu, tanto andrgenos como progestgenos pueden interactuar con el mismo receptor. Los progestgenos tambin compiten por la utilizacin de la 5 a-reductasa. La expresin de los genes que responden a andrgenos puede ser modificada por los estrgenos.A nivel de la transcripcin de genes, la regulacin hormonal puede actuar a travs de alguno de los siguientes puntos:1. Activacin estructural de genes2. Iniciacin de la transcripcin3. Procesamiento de RNAm precursor y transporte al citoplasma4. Traduccin de RNAm5. Degradacin de RNAm y protena.Esteroideas control de nucleoLas hormonas esteroidesLas hormonas esteroides se sintetizan en respuesta a una variedad de actividades neuroendocrinas, y ejercen sus principales efectos sobre el crecimiento, el desarrollo del tejido y la homeostasis corporal en el mundo animal. Las diversas acciones de regulacin del desarrollo y funcin corporal se pueden explicar en trminos de vas de regulacin de la expresin gnica. Estos diversos compuestos comparten un modo de accin comn: cada una es una pequea molcula que se une a un receptor especfico que activa la transcripcin. Una hormona esteroide puede pasar a travs de la membrana celular para entrar a la clula por difusin simple. Dentro de la clula, el glucocorticoide se une a su receptor. La localizacin de receptores libres no se comprende muy bien. Pudieran estar en equilibrio entre el ncleo y el citoplasma. Pero cuando la hormona se une al receptor, la protena se convierte en una forma activada que tiene un aumento de afinidad diez veces mayor por el DNA no especfico. El complejo hormona-receptor est siempre localizada en el ncleo. En el siguiente esquema se muestra el mecanismo simplificado de sealizacin para los glucocorticoides:

El receptor activado reconoce una secuencia consenso especfica que identifica al GRE, elemento respuesta al glucocorticoide. El GRE se localiza casi siempre en un enhancer en la vecindad general de un gen que responde a los glucocorticoides. El GRE puede estar varios kb antes o despus del promotor. Cuando el complejo esteroide-receptor se une al enhancer, se activa el promotor cercano, y ah mismo se inicia la transcripcin. La activacin del enhancer ofrece el mecanismo general mediante el cual los esteroides regulan un amplio grupo de genes diana.Los receptores de los diversos grupos de hormonas esteroides, hormonas tiroideas, y cido retinoico representan una nueva "superfamilia" de reguladores gnicos, los factores de transcripcin de respuesta a ligandos. Todos los receptores tienen dominios independientes para unin al DNA y para unin a la hormona en las mismas localizaciones relativas. Los receptores se dividen en dos grupos: Los receptores de glucocorticoides (GR), de mineralocorticoides (MR), de andrgeno (AR), y de progesterona (PR) todos forman homodmeros.

Los receptores de tiroides (T3R), vitamina D (VDR), cido retinoico (RAR), y de cidos 9-cis-retinoico (RXR) forman heterodmeros.La organizacin de ambos es similar: cada subunidad del receptor tiene dos molculas de unin al DNA, la primera de las cuales es responsable de la especificidad en los contactos con la secuencia de DNA y la segunda es responsable de la dimerizacin. Los otros residuos en ambos mdulos hacen contacto con el esqueleto fosfato del DNA.