LECTURE PRESENTATIONS For CAMPBELL BIOLOGY, NINTH EDITION
Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson
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Lectures by Erin Barley
Kathleen Fitzpatrick
Regulation of Gene Expression
http://grade-11-biology-bethune.wikispaces.com/file/view/dna-music.gif/272242764/188x218/dna-music.gif
Traducción libre por América Castañeda S. Enero 2013.
Regulación de la expresión génica en eucariontes
Conduciendo la Orquesta Genética
• Los procariontes y eucariontes modifican la expresión génica en respuesta a los cambios ambientales.
• En los organismos eucariontes multicelulares, la
expresión génica regula el desarrollo y es responsible de los diferentes tipos celulares.
• Las moléculas de RNA juegan muchos roles en la
regulación de la expresión génica en eucariontes.
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La expresión génica en eucariontes está regulada en muchos estados.
• Todos los organismos deben regular qué genes se expresan en un tiempo determinado.
• En los organismos multicelulares la regulación de
la expresión génica es esencial para la especialización de las células.
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Figure 18.6 Signal
NUCLEUS Chromatin
Chromatin modification: DNA unpacking involving histone acetylation and
DNA demethylation DNA
Gene
Gene available for transcription
RNA Exon Primary transcript
Transcription
Intron RNA processing
Cap Tail
mRNA in nucleus
Transport to cytoplasm
CYTOPLASM mRNA in cytoplasm
Translation Degradation of mRNA
Polypeptide Protein processing, such
as cleavage and chemical modification
Active protein Degradation
of protein Transport to cellular
destination
Cellular function (such as enzymatic activity, structural support)
Figure 18.6a Signal
NUCLEUS Chromatin
Chromatin modification: DNA unpacking involving histone acetylation and
DNA demethylation DNA
Gene
Gene available for transcription
RNA Exon Primary transcript
Transcription
Intron RNA processing
Cap Tail
mRNA in nucleus
Transport to cytoplasm
CYTOPLASM
Figure 18.6b CYTOPLASM
mRNA in cytoplasm
Translation Degradation of mRNA
Polypeptide Protein processing, such
as cleavage and chemical modification
Active protein Degradation
of protein Transport to cellular
destination
Cellular function (such as enzymatic activity, structural support)
Regulación de la estructura de la cromatina
• Los genes con alto grado de compactación en la heterocromatina, usualmente no se expresan.
• Las modificaciones químicas de las histonas y de la cromatina tienen gran influencia en la estructura y expresión génica.
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Modificaciones de las histonas
• En la acetilación de las histonas, los grupos acetilo se unen a las lisinas cargadas positivamente en las colas de las histonas.
• Esto relaja la estructura de la cromatina, promoviendo así la iniciación de la transcripción.
• La adición de grupos metilo (metilación) puede
condensar la cromatina, la adición de grupos fosfato (fosforilación) próximos a un aminoácido metilado puede aflojar la cromatina
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Figure 18.7
Amino acids available for chemical modification
Histone tails
DNA double helix
Nucleosome (end view)
(a) Histone tails protrude outward from a nucleosome
Unacetylated histones Acetylated histones (b) Acetylation of histone tails promotes loose chromatin
structure that permits transcription
• La hipótesis “código de histonas” propone que las combinaciones específicas de las modificaciones, así como el orden en que se producen, ayudan a determinar la configuración de la cromatina y e incfluencían la transcripción
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Metilación del DNA
• Metilación del DNA, la adición de grupos metilo a ciertas bases en el DNA, está asociada con la reducción de la transcripción en algunas especies.
• La metilación del DNA puede provocar a largo plazo la inactivación de genes en la diferenciación celular.
• En la impronta genómica, la metilación regula la expresión de cualquiera de los alelos maternos y paternos de ciertos genes en el inicio del desarrollo.
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Herencia epigenética
• Aunque las modificaciones de la cromatina no alteran la secuencia de ADN, estas modificaciones pueden ser transmitidas a futuras generaciones de células.
• La herencia de rasgos transmitidos por mecanismos que no están directamente relacionados con la secuencia de nucleótidos se denomina herencia epigenética
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Regulación de la iniciación de la trancripción
• Las enzimas modificadoras de la cromatina proporcionan un control inicial de la expresión génica haciendo una región de DNA más o menos accesible a la maquinaria de la transcripción
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Organización de un típico gen eucarionte
• Asociados con la mayoría de los genes eucariontes existen múltiples elementos de control, segmentos de DNA no codificantes que sirven como sitios de unión para factores de transcripción ayudan a regular la transcripción.
• Los elementos de control y los factores de transcripción, son críticos para la regulación precisa de la expresión de genes en diferentes tipos celulares
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Figure 18.8-3
Enhancer (distal control
elements) DNA
Upstream Promoter
Proximal control
elements Transcription
start site Exon Intron Exon Exon Intron
Poly-A signal
sequence Transcription termination
region
Downstream Poly-A signal
Exon Intron Exon Exon Intron
Transcription
Cleaved 3ʹ′ end of primary transcript
5ʹ′ Primary RNA transcript (pre-mRNA)
Intron RNA
RNA processing
mRNA
Coding segment
5ʹ′ Cap 5ʹ′ UTR Start
codon Stop
codon 3ʹ′ UTR
3ʹ′
Poly-A tail
P P P G AAA ⋅⋅⋅ AAA
UTR untranslated region
El papel de los Factores de Transcripción
• Para iniciar la transcripción, la RNA polimerasa eucarionte requiere de la ayuda de las proteínas denominadas factores de transcripción
• Los factores de transcripción son esenciales para la transcripción de todos los genes que codifican proteínas
• En eucariontes, los altos niveles de transcripción de ciertos genes dependen de la interacción de los elementos de control con factores de transcripción específicos
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• Los elementos proximales de control están situados cerca del promotor
• Los elementos distales de control, algunas
agrupaciones de los cuales son llamados potenciadores (enhancers), pueden estar muy lejos de un gen o incluso localizados en un intrón.
Enhancers Factores de Transcripción específicos
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• Un activador es una proteína que se une a un potenciador y estimula la transcripción de un gen.
• Los activadores tienen dos dominios, uno que se
une al DNA y un segundo que activa la transcripción
• La unión de los activadores facilita una secuencia
de interacciones proteína-proteína que dan como resultado la transcripción de un gen dado
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Animation: Initiation of Transcription
Figure 18.9
DNA
Activation domain
DNA-binding domain
• Algunos factores de transcripción funcionan como represores, inhibiendo la expresión de un gen particular mediante una variedad de métodos.
• Algunos activadores y represores actúan
indirectamente al influir en la estructura de la cromatina para promover o silenciar la transcripción
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Activators DNA
Enhancer Distal control element
Promoter Gene
TATA box General transcription factors
DNA- bending protein
Group of mediator proteins
RNA polymerase II
RNA polymerase II
RNA synthesis Transcription initiation complex
Figure 18.10-3
Control combinatorial de la activación génica
• Una combinación particular de elementos de control puede activar la transcripción sólo cuando las proteínas activadoras apropiadas están presentes.
Figure 18.11
Control elements
Enhancer Promoter
Albumin gene
Crystallin gene
LIVER CELL NUCLEUS
Available activators
Albumin gene expressed
Crystallin gene not expressed
(a) Liver cell
LENS CELL NUCLEUS
Available activators
Albumin gene not expressed
Crystallin gene expressed
(b) Lens cell
Control elements
Enhancer Promoter
Albumin gene
Crystallin gene
LIVER CELL NUCLEUS
Available activators
Albumin gene expressed
Crystallin gene not expressed
(a) Liver cell
Figure 18.11a
Control elements
Enhancer Promoter
Albumin gene
Crystallin gene
LENS CELL NUCLEUS
Available activators
Albumin gene not expressed
Crystallin gene expressed
(b) Lens cell
Figure 18.11b
Control coordinado de los genes en eucariontes
• A diferencia de los genes del operón en procariontes, cada uno de los genes co-expresados en ecurationtes tienen un promotor y elementos de control.
• Estos genes pueden estar dispersos en cromosomas diferentes, pero cada uno tiene la misma combinación de elementos de control
• Las copias de los activadores reconocen elementos de control específicos y promovueven la transcripción simultánea de los genes
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Arquitectura nuclear y expresión génica
• Los bucles de cromatina se extienden desde los cromosomas individuales hacia sitios específicos en el núcleo
• Los bucles de diferentes cromosomas pueden congregarse en sitios particulares, algunos de los cuales son ricos en factores de transcripción y RNA polimerasas
• Éstas, pueden ser áreas especializadas para una función común
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Figure 18.12
Chromosome territory
Chromosomes in the interphase nucleus
Chromatin loop
Transcription factory
10 µm
Figure 18.12a
Chromosomes in the interphase nucleus
10 µm
Mecanismos de regulación Post-Transcripcional
• Los mecanismos de regulación pueden operar en varias etapas después de la transcripción.
• Tales mecanismos permiten a la célula ajustar rápidamente la expresión génica en respuesta a cambios ambientales.
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Procesamiento del RNA
• En el splicing alternativo del RNA las alternativas de empalme del RNA, llevan a que diferentes moléculas de RNAm se puedan producir a partir del mismo transcrito primario, dependiendo de qué segmentos de ARN son tratados como exones y cuáles como intrones
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Animation: RNA Processing
Exons
DNA
Troponin T gene
Primary RNA transcript
RNA splicing
or mRNA
1
1
1 1
2
2
2 2
3
3
3
4
4
4
5
5
5 5
Figure 18.13
Degradación del mRNA
• El lapso de vida de las moléculas de RNAm en el citoplasma son un factor clave para determinar la síntesis de proteínas
• El mRNA de los eucariontes tiene mayor duración que el de los procariontes.
• Las secuencias de nucleótidos que influyen en la vida útil del ARNm en eucariotas residen en la región no traducida (UTR untranslated region) en el extremo 3 ʹ′ de la molécula
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Animation: mRNA Degradation
Iniciación de la Traducción
• La iniciación de la traducción de los mRNAs puede ser bloqueada por proteínas reguladoras que se unen a secuencias o estructuras del mRNA.
• Alternativamente, la traducción de todos los
mRNAs en una célula puede ser regulada simultáneamente.
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Animation: Blocking Translation
Iniciación de la Traducción
• Por ejemplo, los factores de
iniciación de la traducción se activan simultáneamente en un óvulo después de la a fertilización
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Animation: Blocking Translation
Procesamiento y degradación de las proteínas
• Después de la traducción, diversos tipos de procesamiento de proteínas, incluyendo la escisión y la adición de grupos químicos, están sujetos a control.
• Los proteasomas son complejos gigantes de
proteínas que se unen a moléculas de proteína y las degradan.
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Animation: Protein Degradation
Figure 18.14
Protein to be degraded
Ubiquitin
Ubiquitinated protein
Proteasome
Protein entering a proteasome
Proteasome and ubiquitin to be recycled
Protein fragments (peptides)
La ubiquitina es una pequeña proteína reguladora que ha sido encontrada en la mayoría de los tejidos de los organismos eucariotas. Una de sus muchas funciones es dirigir el reciclaje de proteínas (wikipedia 2013).
Los RNAs no codificantes desempeñan múltiples funciones en el control de la expresión de los genes • Sólo una pequeña fracción de DNA codifica para las
proteínas, y una fracción muy pequeña del DNA no codificante para proteínas, se compone de genes de RNA para RNAr y RNAt
• Una cantidad significativa del genoma puede ser transcrito en RNAs no codificantes
• Los RNAs no codificantes regulan la expresión génica en dos puntos: la traducción del RNAm y la configuración de la cromatina
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Effects on mRNAs by MicroRNAs and Small Interfering RNAs
• MicroRNAs (miRNAs) son pequeñas moléculas de cadena sencilla de RNA que pueden unirse a mRNA.
• Éstos pueden degradar el RNAm o bloquear su traducción
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(a) Primary miRNA transcript
Hairpin miRNA
miRNA
Hydrogen bond
Dicer
miRNA- protein complex
mRNA degraded Translation blocked (b) Generation and function of miRNAs
5ʹ′ 3ʹ′
Figure 18.15
Hairpin=Horquillas son un tipo común de estructura secundaria en moléculas de ARN. http://www.nature.com/scitable/definition/hairpin-loop-mrna-314
• El fenómeno de la inhibición de la expresión génica mediante moléculas de RNA se denomina interferencia del RNA (RNA interference, RNAi)
• El siRNAs y el miRNAs son similares pero se
forman a partir de diferentes precursores de RNA El nombre siRNA son las siglas en inglés de small interfering RNA, en español ARN pequeño de interferencia o ARN de silenciamiento. Es un tipo de ARN interferente con una longitud de 20 a 25 nucleótidos que es altamente específico para la secuencia de nucleótidos de su ARN mensajero diana, interfiriendo por ello con la expresión del gen respectivo (wiki, 2013).
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