Universidad Nacional Autnoma de Mxico Facultad de Qumica

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E 5622 -5280 hlozat@unam. mx

VIII. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA l Objetivo general – El alumno identificará los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

Objetivos particulares VIII. Regulación de la expresión genética El alumno. . . 2. Regulación genética en eucariontes 2. 1. Conocerá el papel de la cromatina y de los nucleosomas en la regulación genética. 2. 2. Conocerá las características de los factores de transcripción y su papel en la regulación de la expresión genética. 2. 3. Conocerá el papel de las hormonas esteroides en la regulación de la expresión genética. 2. 4. Conocerá la importancia del control post-transcripcional de la expresión genética (micro. RNAs). Conoci- Compren- Aplicamiento sión ción X X

Dos genomas muy similares (98% de identidad en su secuencia) l La diferencia crucial radica en sus mecanismos de regulación génica

Dos células con el mismo genoma y diferente fenotipo l Los mecanismos de regulación génica son los encargados de la diferenciación celular

En eucariontes hay muchos puntos de regulación

Diferentes niveles de regulación genética Regulación transcripcional Regulación post-transcripcional

Regulación traduccional Regulación post-traduccional

Regulación Transcripcional (a nivel de DNA) Componentes fundamentales l Secuencias definidas en el DNA (p. ej. región operadora del operón lac en procariotes) (factores en cis) l Proteínas reguladoras que reconocen dichas secuencias y se unen a ellas (p. ej. represor del operón lac en procariotes) (factores en trans)

Componentes fundamentales de la regulación transcripcional Promotor: secuencia de nucleótidos necesaria para la fijación de la RNA polimerasa. Secuencias reguladoras: A) Intensificadoras (enhancers): secuencias que estimulan la transcripción y cuya localización puede ser a miles de nucleótidos de distancia "río arriba o abajo" del promotor B) Silenciadoras (silencers): secuencias que inhiben la transcripción. También pueden hallarse muy distantes del promotor. Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con el sitio promotor. Son esenciales para la transcripción pero no pueden aumentar o disminuir su ritmo. Factores específicos de la transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser activadoras o represoras. A) Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen. B) Proteínas represoras: interaccionan con las secuencias silenciadoras del gen.

Secuencias definidas en el DNA Inicio de la transcripción (-1000) -18 - 25 nts Caja TATA: TATA(A/T) *URE (Elementos regulatorios “río arriba”). Son sitios de unión de otras proteínas (factores de transcripción) que facilitan la unión de la RNA polimerasa y la transcripción de ese gen. De 100 a 200 pb del inicio. Enhancers (Secuencias Intensificadoras). Regiones en el DNA que están alejadas por más de 1000 pb del sitio de inicio y que activan al promotor para que ocurra una transcripción más eficiente.

Factores de transcripción (basales y específicos) Activadores Represores Coactivadores Factores de transcripción basal

Los factores de transcripción hacen contacto con la doble hélice mediante: l Puentes de hidrógeno l Enlaces iónicos l Interacciones hidrofóbicas Por si solas, dichas interacciones son débiles, pero el hecho de que sean múltiples hace que el complejo proteína-DNA esté unido muy fuertemente, además de darle específicidad a la unión

Los factores de transcripción reconocen regiones específicas en la doble hélice, determinadas por la secuencia l Reconocen patrones de donadores y aceptores de puentes de hidrógeno, y zonas hidrofóbicas, principalmente en el surco mayor Código de reconocimiento

No todos los factores de transcripción reconocen al DNA en su estructura regular l l l Se creía que todo el DNA de una célula tenía una estructura homogénea Nuevos estudios han revelado que existen zonas con “irregularidades” en la estructura del DNA. Muchas de ellas hacen que la doble hélice se doble y dependen de la secuencia (p. ej. AAAANN). Ciertos factores de transcripción reconocen específicamente estas zonas de DNA “curvo”

Factores de Transcripción l Además de los factores de transcripción generales que forman el complejo basal de transcripción, hay otras proteínas que se unen con alta afinidad a motivos específicos en los promotores, en los elementos regulatorios y en las regiones intensificadoras. Cremallera (zipper) de leucinas Poseen dos actividades • Se unen fuertemente al DNA • Activan (Activadores) o reprimen (Represores) la transcripción Hélice – vuelta – Hélice Dedos de Zinc

Estas dos actividades distintas residen en dominios discretos y bien caracterizados de los factores de transcripción l l Además, pueden tener dominio de dimerización, pues es frecuente que actúen como homodímeros o heterodímeros. Algunos factores de transcripción también tiene un dominio de unión a un ligando, por ejemplo, a una hormona. Dominio de Unión al DNA Dominio de Dimerización Dominio de Transactivación

Dominios de unión al DNA Dominio Hélice-vuelta-Hélice. 4 Hélices alfa. Las hélice 2 y 3 están separadas por un giro de tal manera quedan en ángulo recto. Una o dos hélices se unen al surco mayor del DNA Secuencia específica reconocida por la proteína Cro del bacteriofago lambda Hélice-Vuelta-Hélice

Ejemplos de dominios hélicevuelta-hélice

Los motivos hélice-vuelta-hélice están presentes en factores de transcripción homeóticos Los factores de transcripcion homeóticos regulan la expresión de genes durante el desarrollo embrionario. Estos factores de transcripción se encuentran altamente conservados en eucariontes. l La posicion de sus genes en el cromosoma se encuentra en el mismo orden de las regiones del embrión cuyo desarrollo controlan. l antenapedia

Factores de transcripción homeóticos l Inducción de ojos ectópicos en Drosophila mediante la mutación del factor de transcripción (activador) ey

Dominios de unión al DNA Dominio dedo de Zinc Se forma un asa de 12 aminoácidos que contiene 2 His y 2 Cys. Estos AA coordinan a un ión Zn 2+ Esta estructura se repite tres o más veces a lo largo del dominio. Ejemplo: Factor de transcripción Sp 1 Dedo de Zinc

Dominio de dimerización Zippers de Leucina Contiene una región rica en Leu (cada 7 aa, hay Leu). Se forma una superficie hidrofóbica en una hélice Esta estructura se forma en las dos subunidades que forman el dímero. Hay interacciones hidrofóbicas entre ellas. Zipper de Leucina

No es posible predecir de manera precisa las secuencias de DNA que reconocerán los distintos factores de transcripción

La expresión genética en eucariontes requiere de cambios en el estado de la cromatina l Acetilación Remodelación de la cromatina l

Los activadores ayudan a reclutar acetilasas de histona y al complejo de remodelación de la cromatina

Desacetilasas de Histonas (HDACs) Acetilasas de Histonas (HATs)

Del código genético al código epigenético

Los activadores actúan de manera sinérgica

Mecanismos de acción de los represores

Complejos formados in situ sobre el DNA Cada gen tiene una combinación particular de intensificadores y silenciadores. Genes distintos pueden compartir idénticas secuencias intensificadoras y silenciadoras, pero no existen dos genes que posean la misma combinación de estas secuencias reguladoras.

Estructuras que permiten interacción entre proteínas alejadas

RNA de interferencia: Fenómeno de silenciamiento génico post-trascripcional mediado por un ds. RNA con secuencia complementaria a un m. RNA específico

RNA de interferencia (RNAi) RNAi

RNAi ds. RNA dirigido contra un m. RNA específico El complejo reconoce a un m. RNA específico El m. RNA es degradado ds. RNA-GFP RNAi

RNAi en la célula Diferentes procesos generan RNA de doble cadena

Mecanismo de generación de RNAi

El RNAi tiene diversas aplicaciones l l l Cáncer: silenciamiento de oncogenes, determinación de genes involucrados en la resistencia a fármacos Enfermedades infecciosas: VIH, influenza, herpesvirus, papilomavirus. Estudio de la función de un gen mediante su silenciamiento

Regulación por hormonas Receptores nucleares a hormonas l l l Receptores a estrógenos, progesterona, testosterona Receptores a glucocorticoides (cortisona, hidrocortisona, dexametasona) Receptores a ácido retinoico, tiroxina y Vitamina D

Superfamilia de receptores nucleares

Receptores nucleares tipo I El receptor unido a una HSP (Heat Shock Protein) se encuentra en el citoplasma Receptores de hormonas sexuales y de glucocorticoides

Receptores nucleares tipo II El receptor se encuentra en el núcleo, unido al DNA y está inactivado por un co-represor Receptores de vitaminas A y D, ácido retinoico y hormona tiroidea

Otros receptores de hormonas están en la membrana plasmática y se requiere de una cascada de señalización para la transcripción de genes

Resumen de los mecanismos de regulación genética en eucariontes Control transcripcional Factores de transcripción Grado de condensación de la cromatina Grado de metilación Control posttranscripcional Splicing alternativo Capping Poliadenilación Mecanismos que determinan si el m. RNA maduro sale o no a citosol Control m. RNA transporte del Control traduccional Mecanismos que determinan si el m. RNA presente en el citosol es o no traducido Control de la degradación del m. RNA Mecanismos que determinan la supervivencia del m. RNA en el citosol Control de la actividad proteica Mecanismos que determinan la activación o desactivación de una proteína, como así también el tiempo de supervivencia de la misma.