Información

23.2: Regulación genética: Eucariota - Biología

23.2: Regulación genética: Eucariota - Biología


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Regulación de genes eucariotas

Descripción general de la regulación

Como se señaló anteriormente, la regulación tiene que ver con la toma de decisiones. La regulación genética, como tema general, está relacionada con la toma de decisiones sobre la expresión funcional del material genético. Ya sea que el producto final sea una especie de ARN o una proteína, la producción del producto final expresado requiere procesos que requieren múltiples pasos. Hemos pasado algún tiempo discutiendo algunos de estos pasos (es decir, transcripción y traducción) y algunos de los mecanismos que utiliza la naturaleza para detectar información celular y ambiental para regular el inicio de la transcripción.

Cuando discutimos el concepto de promotores fuertes y débiles, introdujimos la idea de que regular la cantidad (número de moléculas) de transcripción que se producía a partir de un promotor en alguna unidad de tiempo también podría ser importante para la función. Esto no debería sorprendernos del todo. Para un gen que codifica una proteína, cuanto más transcripción se produce, mayor es el potencial para producir más proteína. Esto podría ser importante en los casos en los que producir una gran cantidad de una enzima en particular es clave para la supervivencia. Por el contrario, en otros casos solo se requiere un poco de proteína y producir demasiada sería un desperdicio de recursos celulares. En este caso, se podrían preferir niveles bajos de transcripción. Los promotores de diferentes puntos fuertes pueden adaptarse a estas distintas necesidades. Con respecto al número de transcripciones, también mencionamos brevemente que la síntesis no es la única forma de regular la abundancia. También es importante considerar los procesos de degradación.

En esta sección, agregamos a estos temas centrándonos en los procesos reguladores eucariotas. Específicamente, examinamos, y a veces reexaminamos, algunos de los múltiples pasos que se requieren para expresar material genético en organismos eucariotas en el contexto de la regulación. Queremos que no solo piense en los procesos, sino que también reconozca que cada paso en el proceso de expresión es también una oportunidad para ajustar no solo la abundancia de una transcripción o proteína, sino también su estado funcional, forma (o variante), y / o estabilidad. Cada uno de estos factores adicionales también puede ser de vital importancia considerar para influir en la abundancia de variantes funcionales condicionalmente específicas.

Diferencias estructurales entre células bacterianas y eucariotas que influyen en la regulación de genes

El sello distintivo de la célula eucariota es el núcleo, una doble membrana que encierra el material hereditario de la célula. Para ajustar eficientemente el ADN del organismo en el espacio confinado del núcleo, el ADN primero se empaqueta y se organiza mediante proteínas en una estructura llamada cromatina. Este empaque del material nuclear reduce el acceso a partes específicas de la cromatina. De hecho, algunos elementos del ADN están tan empaquetados que la maquinaria transcripcional no puede acceder a sitios reguladores como los promotores. Esto significa que uno de los primeros sitios de regulación transcripcional en eucariotas debe ser el control de acceso al ADN mismo. Las proteínas de cromatina pueden estar sujetas a modificaciones enzimáticas que pueden influir en si se unen estrechamente (acceso transcripcional limitado) o más débilmente (mayor acceso transcripcional) a un segmento de ADN. Este proceso de modificación, cualquiera que sea la dirección que se considere primero, es reversible. Por lo tanto, el ADN puede secuestrarse dinámicamente y estar disponible cuando "sea el momento adecuado".

La regulación de la expresión génica en eucariotas también implica algunos de los mismos mecanismos fundamentales adicionales discutidos en el módulo sobre regulación bacteriana (es decir, el uso de promotores fuertes o débiles, factores de transcripción, terminadores, etc.) pero el número real de proteínas implicadas suele ser mucho mayor en eucariotas que bacterias o arqueas.

El procesamiento enzimático postranscripcional del ARN que ocurre en el núcleo y la exportación del ARNm maduro al citosol son dos diferencias adicionales entre la regulación de genes bacterianos y eucariotas. Consideraremos este nivel de regulación con más detalle a continuación.

Representación de algunas diferencias clave entre los procesos de expresión génica bacteriana y eucariota. Nótese en este caso la presencia de histonas y modificadores de histonas, el empalme de pre-ARNm y la exportación del ARN maduro del núcleo como diferenciadores clave entre los sistemas bacteriano y eucariota.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Empaquetamiento de ADN y marcadores epigenéticos

El ADN de las células eucariotas se enrolla, pliega y compacta con precisión en cromosomas para que encaje en el núcleo. También está organizado para que la célula pueda acceder fácilmente a segmentos específicos de los cromosomas según lo necesite. Las áreas de los cromosomas que están más compactadas serán más difíciles de unir para las proteínas y, por lo tanto, conducirán a una expresión génica reducida de los genes codificados en esas áreas. Las regiones del genoma que están poco compactadas serán más fáciles de acceder para las proteínas, lo que aumentará la probabilidad de que el gen se transcriba. Aquí se analizan las formas en que las células regulan la densidad de compactación del ADN.

Embalaje de ADN

El primer nivel de organización, o empaquetamiento, es el enrollamiento de hebras de ADN alrededor histona proteínas. Las histonas empaquetan y ordenan el ADN en unidades estructurales llamadas nucleosomas, que puede controlar el acceso de proteínas a regiones específicas de ADN. Bajo el microscopio electrónico, este enrollamiento de ADN alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas parece pequeñas cuentas en una cuerda. Estas perlas (complejos de nucleosomas) pueden moverse a lo largo de la cadena (ADN) para alterar qué áreas del ADN son accesibles a la maquinaria transcripcional. Si bien los nucleosomas pueden moverse para abrir la estructura del cromosoma y exponer un segmento de ADN, lo hacen de una manera muy controlada.

El ADN se pliega alrededor de las proteínas histonas para crear (a) complejos de nucleosomas. Estos nucleosomas controlan el acceso de las proteínas al ADN subyacente. Cuando se ven a través de un microscopio electrónico (b), los nucleosomas se ven como cuentas en una cuerda. (crédito "micrografía": modificación del trabajo de Chris Woodcock)

Modificación de histonas

La forma en que se mueven las proteínas histonas depende de las señales químicas que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales químicas son etiquetas químicas agregadas a las proteínas de las histonas y al ADN que le dicen a las histonas si una región cromosómica debe estar "abierta" o "cerrada". La siguiente figura muestra modificaciones en las proteínas histonas y el ADN. Estas etiquetas no son permanentes, pero se pueden agregar o eliminar según sea necesario. Son modificaciones químicas (grupos fosfato, metilo o acetilo) que se unen a aminoácidos específicos en las proteínas histonas o en los nucleótidos del ADN. Las etiquetas no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran la rigidez del ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente; por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán qué tan apretada estará la molécula de ADN. Cuando no se modifican, las proteínas histonas tienen una gran carga positiva; al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva.

Los nucleosomas pueden deslizarse a lo largo del ADN. Cuando los nucleosomas están muy juntos (arriba), los factores de transcripción no pueden unirse y la expresión génica se apaga. Cuando los nucleosomas están muy separados (abajo), el ADN queda expuesto. Los factores de transcripción pueden unirse, lo que permite que se produzca la expresión génica. Las modificaciones de las histonas y el ADN afectan el espaciamiento de los nucleosomas.

Discusión sugerida

¿Por qué las proteínas histonas normalmente tienen una gran cantidad de cargas positivas (las histonas contienen una gran cantidad de aminoácidos lisina)? ¿La eliminación de las cargas positivas provocaría un endurecimiento o aflojamiento de la interacción histona-ADN?

Discusión sugerida

Predecir el estado de las histonas en áreas del genoma que se transcriben con regularidad. ¿En qué se diferencian de las áreas que no experimentan altos niveles de transcripción?

Modificación de ADN

La propia molécula de ADN también se puede modificar. Esto ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Estos son tramos con una alta frecuencia de pares de ADN de dinucleótidos de citosina y guanina (CG) que a menudo se encuentran en las regiones promotoras de los genes. Cuando existe esta configuración, el miembro citosina del par se puede metilar (se agrega un grupo metilo). Esta modificación cambia la forma en que el ADN interactúa con las proteínas, incluidas las proteínas histonas que controlan el acceso a la región. Las regiones de ADN altamente metiladas (hipermetiladas) con histonas desacetiladas están estrechamente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.

Los cambios epigenéticos no resultan en cambios permanentes en la secuencia del ADN. Los cambios epigenéticos alteran la estructura de la cromatina (complejo proteína-ADN) para permitir o denegar el acceso a la transcripción de genes. La modificación del ADN, como la metilación en nucleótidos de citosina, puede reclutar proteínas represoras que bloquean el acceso de la ARN polimerasa para transcribir un gen o pueden ayudar a compactar el ADN para bloquear todo el acceso de proteínas a esa área del genoma. Estos cambios son reversibles, mientras que las mutaciones no lo son, sin embargo, los cambios epigenéticos en el cromosoma también pueden heredarse.
Fuente: modificado de https: //researcherblogski.wordpress....r/dudiwarsito/

La regulación de la expresión génica a través de la remodelación de la cromatina se denomina regulación epigenética. Epigenético significa "alrededor de la genética". Los cambios que se producen en las proteínas histonas y el ADN no alteran la secuencia de nucleótidos y no son permanentes. En cambio, estos cambios son temporales (aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular y pueden heredarse) y alteran la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario.

Enlace externo

Vea este video que describe cómo la regulación epigenética controla la expresión génica.

Estructura de genes eucariotas y procesamiento de ARN

Estructura del gen eucariota

Muchos genes eucariotas, en particular los que codifican productos proteicos, están codificados en el genoma. discontinuamente. Es decir, la región codificante se rompe en pedazos interviniendo elementos génicos no codificantes. Las regiones de codificación se denominan exones mientras que los elementos no codificadores que intervienen se denominan intrones. La siguiente figura muestra un gen eucariota genérico.

Partes de un gen eucariota discontinuo típico. Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Las partes de un gen eucariota genérico incluyen elementos familiares como un promotor y un terminador. Entre esos dos elementos, la región que codifica todos los elementos del gen que tienen el potencial de ser traducidos (no tienen codones de parada), como en los sistemas bacterianos, se llama marco de lectura abierto (ORF). Los elementos potenciadores y / o silenciadores son regiones del ADN que sirven para reclutar proteínas reguladoras. Estos pueden estar relativamente cerca del promotor, como en los sistemas bacterianos, o a miles de nucleótidos de distancia. También presentes en muchas transcripciones bacterianas, también existen regiones no traducidas (UTR) 5 'y 3'. Estas regiones del gen codifican segmentos de la transcripción que, como implican sus nombres, no se traducen y se sitúan en 5 'y 3', respectivamente, en el ORF. Las UTR típicamente codifican algunos elementos reguladores críticos para regular la transcripción o los pasos de la expresión génica que ocurren postranscripcionalmente.

Las especies de ARN resultantes de la transcripción de estos genes también son discontinuas y, por lo tanto, deben procesarse antes de salir del núcleo para ser traducidas o utilizadas en el citosol como ARN maduros. En los sistemas eucariotas, esto incluye empalme de ARN, taponamiento 5 ', escisión del extremo 3' y poliadenilación. Esta serie de pasos es un proceso molecular complejo que debe ocurrir dentro de los confines cerrados del núcleo. Cada uno de estos pasos brinda la oportunidad de regular la abundancia de transcripciones exportadas y las formas funcionales que adoptarán estas transcripciones. Si bien estos serían temas para cursos más avanzados, piense en cómo enmarcar algunos de los siguientes temas como subproblemas del Desafío de diseño de la regulación genética. Si nada más, comience a apreciar la danza molecular altamente orquestada que debe ocurrir para expresar un gen y cómo esto es una pieza asombrosa de ingeniería evolutiva.

5 'tapado

Como en los sistemas bacterianos, los sistemas eucariotas deben ensamblar un complejo de preiniciación en y alrededor de la secuencia promotora para iniciar la transcripción. Los complejos que se ensamblan en eucariotas cumplen muchas de las mismas funciones que los de los sistemas bacterianos, pero son significativamente más complejos e involucran muchas más proteínas reguladoras. Esta complejidad adicional permite un mayor grado de regulación y el ensamblaje de proteínas con funciones que ocurren predominantemente en sistemas eucariotas. Una de estas funciones adicionales es la "limitación" de las transcripciones incipientes.

En los genes que codifican proteínas eucariotas, el ARN que se produce primero se denomina pre-ARNm. El prefijo "pre" significa que este no es el ARNm maduro completo que se traducirá y que primero requiere algún procesamiento. La modificación conocida como protección en 5 'se produce después de que el pre-ARNm tiene una longitud de aproximadamente 20-30 nucleótidos. En este punto, el pre-ARN normalmente recibe su primera modificación postranscripcional, una tapa 5 '. La "tapa" es una modificación química, una 7-metilguanosina, cuya adición al extremo 5 'de la transcripción es catalizada enzimáticamente por múltiples enzimas llamadas complejo enzimático de protección (CEC), un grupo de múltiples enzimas que llevan a cabo pasos secuenciales involucrados en agregando el 5'-cap. La CEC se une a la ARN polimerasa muy temprano en la transcripción y lleva a cabo una modificación del trifosfato 5 ', la posterior transferencia de en GTP a este fin (conectando los dos nucleótidos usando un enlace único 5' a 5 '), el metilación de la guanina recién transferida y, en algunas transcripciones, las modificaciones adicionales de los primeros nucleótidos. Esta tapa 5 'parece funcionar protegiendo la transcripción emergente de la degradación y se une rápidamente a las proteínas de unión al ARN conocidas como complejo de unión a la tapa (CBC). Existe alguna evidencia de que esta modificación y las proteínas unidas a ella juegan un papel en el direccionamiento de la transcripción para su exportación desde el núcleo. Proteger el ARN naciente de la degradación no solo es importante para conservar la energía invertida en la creación de la transcripción, sino que está claramente involucrado en la regulación de la abundancia de transcripción completamente funcional que se produce. Además, el papel del 5'-cap para guiar la transcripción para la exportación ayudará directamente a regular no solo la cantidad de transcripción que se realiza sino, quizás más importante, la cantidad de transcripción que se exporta al citoplasma que tiene el potencial a ser traducido.

La estructura de un casquete típico de 7-metilguanilato. Facciotti (trabajo propio)

Empalme de transcripciones

Las transcripciones nacientes deben procesarse en ARN maduros uniendo exones y eliminando los intrones intermedios. Esto se logra mediante un complejo multicomponente de ARN y proteínas llamado espliceosoma. El complejo de espliceosomas se ensambla en la transcripción naciente y, en muchos casos, las decisiones sobre qué intrones combinar en una transcripción madura se toman en este punto. La forma en que se toman estas decisiones aún no se comprende completamente, pero implica el reconocimiento de secuencias de ADN específicas en los sitios de empalme por especies de ARN y proteínas y varios eventos catalíticos. Es interesante notar que la porción catalítica del espliceosoma está hecha de ARN en lugar de proteína. Recuerde que el ribosoma es otro ejemplo de un complejo ARN-proteína donde el ARN sirve como componente catalítico principal. La selección de qué variante de empalme realizar es una forma de regular la expresión génica. En este caso, en lugar de simplemente influir en la abundancia de una transcripción, el empalme alternativo permite a la célula tomar decisiones sobre qué forma de transcripción se realiza.

Las formas alternativas de empalme de genes que dan como resultado productos proteicos de estructura relacionada pero de función variable se conocen como isoformas. La creación de isoformas es común en sistemas eucariotas y se sabe que es importante en diferentes etapas de desarrollo en organismos multicelulares y en la definición de funciones de diferentes tipos de células. Al codificar múltiples productos génicos posibles de un solo gen cuyo inicio de la transcripción se codifica a partir de un único sitio regulador transcripcional (al tomar la decisión de qué producto final producir postranscripcionalmente) se evita la necesidad de crear y mantener copias independientes de cada gen en diferentes partes del genoma y sitios reguladores independientes en evolución. Por lo tanto, se cree que la capacidad de formar múltiples isoformas a partir de una sola región codificante es evolutivamente ventajosa porque permite cierta eficiencia en la codificación del ADN, minimiza la complejidad reguladora de la transcripción y puede reducir la carga energética de mantener más ADN y protegerlo de la mutación. Algunos ejemplos de posibles resultados del empalme alternativo pueden incluir: la generación de variantes enzimáticas con afinidad de sustrato diferencial o velocidades catalíticas; se pueden cambiar las secuencias de señales que dirigen proteínas a varios compartimentos subcelulares; Se pueden crear funciones completamente nuevas, mediante el intercambio de dominios de proteínas. Estos son solo algunos ejemplos.

Un posible resultado adicional interesante del empalme alternativo es la introducción de codones de parada que pueden, a través de un mecanismo que parece requerir traducción, conducir a la desintegración dirigida de la transcripción. Esto significa que, además del control del inicio de la transcripción y el taponamiento 5 ', el corte y empalme alternativo también puede considerarse uno de los mecanismos reguladores que pueden influir en la abundancia de transcripciones. Por lo tanto, los efectos del empalme alternativo son potencialmente amplios, desde la pérdida completa de función hasta una función nueva y diversificada y efectos regulatorios.

Una figura que muestra algunos de los diferentes modos de empalme alternativo que ilustra cómo diferentes variantes de empalme pueden conducir a diferentes formas de proteínas.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Escisión y poliadenilación del extremo 3 '

Se realiza una última modificación a los pre-ARNm nacientes antes de que abandonen el núcleo: la escisión del extremo 3 'y su poliadenilación. Este proceso de dos pasos está catalizado por dos enzimas diferentes (como se muestra a continuación) y puede decorar el extremo 3 'de las transcripciones con hasta casi 200 nucleótidos. Esta modificación mejora la estabilidad de la transcripción. Generalmente, cuanto más As en la etiqueta polyA, mayor vida tiene la transcripción. La etiqueta poliA también parece desempeñar un papel en la exportación de la transcripción del núcleo. Por lo tanto, la etiqueta poliA 3 'juega un papel en la expresión génica regulando la abundancia de transcripción funcional y cuánto se exporta desde el núcleo para la traducción.

Un proceso de dos pasos está involucrado en la modificación de los extremos 3 'de las transcripciones antes de las exportaciones nucleares. Estos incluyen cortar las transcripciones justo corriente abajo de una secuencia conservada (AAUAAA) y transferir grupos de adenilato. Ambos procesos están catalizados enzimáticamente.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

MicroARN

Estabilidad del ARN y microARN

Además de las modificaciones del pre-ARN descritas anteriormente y las proteínas asociadas que se unen al naciente y las transcripciones, existen otros factores que pueden influir en la estabilidad del ARN en la célula. Un ejemplo son los elementos llamados microARN. Los microARN, o miARN, son moléculas de ARN cortas que tienen solo 21-24 nucleótidos de longitud.Los miARN se transcriben en el núcleo como pre-miARN más largos. Estos pre-miARN se cortan posteriormente en miARN maduros mediante una proteína llamada dicer. Estos miARN maduros reconocen una secuencia específica de un ARN diana a través del apareamiento de bases complementarias. Los miARN, sin embargo, también se asocian con un complejo de ribonucleoproteína llamado complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). RISC se une a un ARNm diana, junto con el miARN, para degradar el ARNm diana. Juntos, los miARN y el complejo RISC destruyen rápidamente la molécula de ARN. Como era de esperar, la transcripción de pre-miRNA y su procesamiento posterior también está estrictamente regulada.

Exportación nuclear

Exportación nuclear

Las transcripciones maduras, completamente procesadas, deben exportarse a través del núcleo. No es sorprendente que este proceso implique la coordinación de una especie de ARN maduro a la que se unen muchas proteínas accesorias, algunas de las cuales han estado íntimamente involucradas en las modificaciones discutidas anteriormente, y un complejo de proteínas llamado el complejo de poros nucleares (NPC). El transporte a través del NPC permite que el flujo de proteínas y especies de ARN se mueva en ambas direcciones y está mediado por varias proteínas. Este proceso se puede utilizar para regular selectivamente el transporte de varios transcritos dependiendo de qué proteínas se asocian con el transcrito en cuestión. Esto significa que no todas las transcripciones son tratadas por igual por el NPC; dependiendo del estado de modificación y las proteínas que se han asociado con una especie específica de ARN, se puede mover de manera más o menos eficiente a través de la membrana nuclear. Dado que la velocidad de movimiento a través del poro influirá en la abundancia de transcripción madura que se exporta al citosol para la traducción, el control de la exportación es otro ejemplo de un paso en el proceso de regulación génica que se puede modular. Además, investigaciones recientes han implicado interacciones entre el NPC y los factores de transcripción en la regulación del inicio de la transcripción, probablemente a través de algún mecanismo por el cual los factores de transcripción se unen a los poros nucleares. Este último ejemplo demuestra cuán interconectada está la regulación de la expresión génica en los múltiples pasos de este complejo proceso.

Muchos detalles adicionales de los procesos descritos anteriormente se conocen con cierto nivel de detalle, pero quedan muchas más preguntas por responder. Por el bien de Bis2a, es suficiente comenzar a formar un modelo de los pasos que ocurren en la producción de una transcripción madura en organismos eucariotas. Hemos pintado un cuadro con trazos muy amplios, intentando presentar una escena que refleje lo que ocurre en general en todos los eucariotas. Además de aprender las características diferenciadoras clave de la regulación génica eucariota, también nos gustaría que los estudiantes de Bis2a comenzaran a pensar en cada uno de estos pasos como una oportunidad para que la naturaleza regule la expresión génica de alguna manera y poder racionalizar cómo las deficiencias o los cambios en estas vías, potencialmente introducidas a través de mutaciones, podrían influir en la expresión génica.

Si bien no mencionamos explícitamente el Desafío de diseño o la Historia de la energía aquí, estos formalismos son igualmente hábiles para ayudarlo a comprender lo que se describe. Te animamos a que pruebes a hacer una historia energética para varios procesos. También lo alentamos a utilizar la rúbrica Design Challenge para reexaminar las historias anteriores: identificar problemas que deben resolverse; formular hipótesis sobre posibles soluciones y criterios para el éxito. Use esos formalismos para profundizar y hacer nuevas preguntas / identificar nuevos problemas o cosas que no sabe sobre los procesos, eso es lo que hacen los expertos. Lo más probable es que hacer este ejercicio sugerido lo lleve a identificar una dirección de investigación que alguien ya ha seguido (¡se sentirá muy inteligente al respecto!). Alternativamente, puede plantear alguna pregunta nueva en la que nadie haya pensado todavía.

Control de la abundancia de proteínas

Una vez que un ARNm se ha transportado al citoplasma, se traduce en proteína. El control de este proceso depende en gran medida de la molécula de ARN. Como se discutió anteriormente, la estabilidad del ARN tendrá un gran impacto en su traducción a una proteína. A medida que cambia la estabilidad, también cambia la cantidad de tiempo que está disponible para la traducción.

El complejo de iniciación y la tasa de traducción

Al igual que la transcripción, la traducción está controlada por complejos de proteínas y ácidos nucleicos que deben asociarse para iniciar el proceso. En la traducción, uno de los primeros complejos que deben ensamblarse para iniciar el proceso se denomina complejo de iniciación. La primera proteína que se une al ARNm que ayuda a iniciar la traducción se llama factor de iniciación eucariota-2 (eIF-2). La actividad de la proteína eIF-2 está controlada por múltiples factores. La primera es si está o no unido a una molécula de GTP. Cuando el eIF-2 está vinculado a GTP, se considera que está en forma activa. La proteína eIF-2 unida a GTP puede unirse a la pequeña subunidad ribosómica 40S. Cuando se une, el complejo ribosómico eIF-2 / 40S, que trae consigo el ARNm a traducir, también recluta los asociados del ARNt iniciador de metionina. En este punto, cuando se ensambla el complejo iniciador, el GTP se hidroliza en GDP creando una "forma inactiva de eIF-2 que se libera, junto con el fosfato inorgánico, del complejo. Este paso, a su vez, permite que los 60S grandes subunidad ribosómica para unirse y comenzar a traducir el ARN. La unión de eIF-2 al ARN se controla aún más mediante la fosforilación de proteínas. Cuando eIF-2 se fosforila, sufre un cambio conformacional y no puede unirse a GTP, lo que inhibe la formación del complejo de iniciación. - por lo tanto, la traducción se inhibe (ver la figura siguiente). En el estado desfosforilado, el eIF-2 puede unirse a GTP y permitir el ensamblaje del complejo de iniciación de la traducción como se describió anteriormente. Por lo tanto, la capacidad de la célula para sintonizar el ensamblaje del complejo de invitación a la traducción a través de una modificación química reversible (fosforilación) a una proteína reguladora es otro ejemplo de cómo la naturaleza ha aprovechado incluso este paso aparentemente simple para sintonizar la expresión génica.

Se ha observado un aumento en los niveles de fosforilación de eIF-2 en pacientes con enfermedades neurodegenerativas como Alzheimer, Parkinson y Huntington. ¿Qué impacto cree que podría tener esto en la síntesis de proteínas?

Modificaciones químicas, actividad proteica y longevidad

Para no verse superadas por los ácidos nucleicos, las proteínas también se pueden modificar químicamente con la adición de grupos que incluyen grupos metilo, fosfato, acetilo y ubiquitina. La adición o eliminación de estos grupos de las proteínas puede regular su actividad o el tiempo que existen en la célula. A veces, estas modificaciones pueden regular dónde se encuentra una proteína en la célula, por ejemplo, en el núcleo, el citoplasma o adherida a la membrana plasmática.

Las modificaciones químicas pueden ocurrir en respuesta a estímulos externos como el estrés, la falta de nutrientes, el calor o la exposición a la luz ultravioleta. Además de regular la función de las proteínas mismas, si estos cambios ocurren en proteínas específicas, pueden alterar la accesibilidad epigenética (en el caso de la modificación de histonas), la transcripción (factores de transcripción), la estabilidad del ARNm (proteínas de unión al ARN) o la traducción (eIF -2) retroalimentando y regulando así varias partes del proceso de expresión génica. En el caso de la modificación de las proteínas reguladoras, esta puede ser una forma eficaz de que la célula cambie rápidamente los niveles de proteínas específicas en respuesta al entorno mediante la regulación de varios pasos del proceso.

La adición de un grupo de ubiquitina tiene otra función: marca esa proteína para su degradación. La ubiquitina es una molécula pequeña que actúa como una bandera que indica que las proteínas etiquetadas deben dirigirse a un orgánulo llamado proteasoma. Este orgánulo es un gran complejo de múltiples proteínas que funciona para escindir las proteínas en trozos más pequeños que luego pueden reciclarse. La ubiquitinación (la adición de una etiqueta de ubiquitina), por lo tanto, ayuda a controlar la expresión génica al alterar la vida útil del producto proteico.

Las proteínas con etiquetas de ubiquitina están marcadas para degradación dentro del proteasoma.

En conclusión, vemos que la regulación génica es compleja y que se puede modular en cada paso del proceso de expresión de un producto génico funcional. Además, los elementos reguladores que ocurren en cada paso pueden actuar para influir en otros pasos reguladores tanto antes como después en el proceso de expresión génica (es decir, el proceso de alterar químicamente un factor de transcripción puede influir en la regulación de su propia transcripción muchos pasos antes en el proceso). Estos complejos conjuntos de interacciones forman lo que se conoce como redes reguladoras de genes. Comprender la estructura y la dinámica de estas redes es fundamental para comprender cómo funcionan las diferentes células, la base de numerosas enfermedades, procesos de desarrollo y cómo las células toman decisiones sobre cómo reaccionar a los muchos factores que están en constante cambio tanto dentro como fuera.


82 Regulación de genes de transcripción eucariota

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Discutir el papel de los factores de transcripción en la regulación genética.
  • Explicar cómo los potenciadores y represores regulan la expresión génica.

Al igual que las células procariotas, la transcripción de genes en eucariotas requiere la acción de una ARN polimerasa para unirse a una secuencia de ADN corriente arriba de un gen para iniciar la transcripción. Sin embargo, a diferencia de las células procariotas, la ARN polimerasa eucariota requiere otras proteínas, o factores de transcripción, para facilitar el inicio de la transcripción. La ARN polimerasa por sí sola no puede iniciar la transcripción en células eucariotas. Hay dos tipos de factores de transcripción que regulan la transcripción eucariota: Factores de transcripción generales (o basales) se unen a la región promotora del núcleo para ayudar con la unión de la ARN polimerasa. Factores de transcripción específicos se unen a varias regiones fuera de la región promotora central e interactúan con las proteínas en el promotor central para potenciar o reprimir la actividad de la polimerasa.

Vea el proceso de transcripción: la fabricación de ARN a partir de una plantilla de ADN.

El promotor y la maquinaria de transcripción

Los genes están organizados para facilitar el control de la expresión genética. La región promotora está inmediatamente aguas arriba de la secuencia codificante. Esta región puede ser corta (solo unos pocos nucleótidos de longitud) o bastante larga (cientos de nucleótidos de longitud). Cuanto más largo sea el promotor, más espacio disponible para que las proteínas se unan. Esto también agrega más control al proceso de transcripción. La longitud del promotor es específica de un gen y puede diferir dramáticamente entre genes. En consecuencia, el nivel de control de la expresión génica también puede diferir de forma bastante drástica entre genes. El propósito del promotor es unir factores de transcripción que controlan el inicio de la transcripción.

Dentro de la región promotora del núcleo, de 25 a 35 bases corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción, reside la caja TATA. La caja TATA tiene la secuencia de consenso de 5’-TATAAA-3 ’. La caja TATA es el sitio de unión de un complejo proteico llamado TFIID, que contiene una proteína de unión a TATA. La unión de TFIID recluta otros factores de transcripción, incluidos TFIIB, TFIIE, TFIIF y TFIIH. Algunos de estos factores de transcripción ayudan a unir la ARN polimerasa al promotor y otros ayudan a activar el complejo de iniciación de la transcripción.

Además de la caja TATA, se encuentran otros sitios de unión en algunos promotores. Algunos biólogos prefieren restringir el rango del promotor eucariota al promotor central, o sitio de unión de la polimerasa, y se refieren a estos sitios adicionales como elementos proximales al promotor, porque generalmente se encuentran dentro de unos pocos cientos de pares de bases aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción. . Ejemplos de estos elementos son el cuadro CAAT, con la secuencia de consenso 5’-CCAAT-3 ’y el cuadro GC, con la secuencia de consenso 5’-GGGCGG-3 ’. Los factores de transcripción específicos pueden unirse a estos elementos proximales al promotor para regular la transcripción de genes. Un gen dado puede tener su propia combinación de estos sitios de unión de factores de transcripción específicos. Hay cientos de factores de transcripción en una célula, cada uno de los cuales se une específicamente a un motivo de secuencia de ADN particular. Cuando los factores de transcripción se unen al promotor justo corriente arriba del gen codificado, se denomina elemento que actúa en cis, porque está en el mismo cromosoma, justo al lado del gen. Los factores de transcripción responden a los estímulos ambientales que hacen que las proteínas encuentren sus sitios de unión e inicien la transcripción del gen que se necesita.

Mejoradores y transcripción

En algunos genes eucariotas, existen regiones adicionales que ayudan a aumentar o mejorar la transcripción. Estas regiones, llamadas potenciadoras, no están necesariamente cercanas a los genes que potencian. Pueden ubicarse corriente arriba de un gen, dentro de la región codificante del gen, corriente abajo de un gen, o pueden estar a miles de nucleótidos de distancia.

Las regiones potenciadoras son secuencias de unión, o sitios, para factores de transcripción específicos. Cuando un factor de transcripción de una proteína se une a su secuencia potenciadora, la forma de la proteína cambia, lo que le permite interactuar con las proteínas en el sitio del promotor. Sin embargo, dado que la región potenciadora puede estar distante del promotor, el ADN debe doblarse para permitir que las proteínas de los dos sitios entren en contacto. Las proteínas que doblan el ADN ayudan a doblar el ADN y unen las regiones potenciadora y promotora ((Figura)). Este cambio de forma permite la interacción de las proteínas activadoras específicas unidas a los potenciadores con los factores de transcripción generales unidos a la región promotora y la ARN polimerasa.


Desactivación de genes: represores transcripcionales

Como las células procariotas, las células eucariotas también tienen mecanismos para prevenir la transcripción. Los represores transcripcionales pueden unirse a regiones promotoras o potenciadoras y bloquear la transcripción. Al igual que los activadores de la transcripción, los represores responden a los estímulos externos para evitar la unión de los factores de transcripción activadores.

Resumen de la sección

Para iniciar la transcripción, los factores de transcripción generales, como TFIID, TFIIB y otros, primero deben unirse a la caja TATA y reclutar ARN polimerasa en esa ubicación. Los factores de transcripción adicionales también pueden unirse a otros elementos reguladores en el promotor para aumentar o prevenir la transcripción. Además de las secuencias promotoras, las regiones potenciadoras ayudan a aumentar la transcripción. Los potenciadores pueden estar aguas arriba, aguas abajo, dentro de un gen mismo o en otros cromosomas. Los factores de transcripción específicos unidos a las regiones potenciadoras pueden aumentar o prevenir la transcripción.

Preguntas de revisión

Se requiere la unión de ________ para que comience la transcripción.

¿Qué resultará de la unión de un factor de transcripción a una región potenciadora?

  1. disminución de la transcripción de un gen adyacente
  2. aumento de la transcripción de un gen distante
  3. alteración de la traducción de un gen adyacente
  4. inicio del reclutamiento de la ARN polimerasa

Un científico compara las regiones promotoras de dos genes. El promotor central del gen A más los elementos promotores proximales abarca 70 pb. El promotor central del gen B más los elementos promotores proximales abarca 250 pb. ¿Cuál de las hipótesis del científico es más probable que sea correcta?

  1. Se harán más transcripciones del Gene B.
  2. La transcripción del gen A implica menos factores de transcripción.
  3. Los potenciadores controlan la transcripción del gen B.
  4. La transcripción del gen A está más controlada que la transcripción del gen B.

Preguntas de pensamiento crítico

Una mutación dentro de la región promotora puede alterar la transcripción de un gen. Describe cómo puede suceder esto.

Una mutación en la región promotora puede cambiar el sitio de unión de un factor de transcripción que normalmente se une para aumentar la transcripción. La mutación podría disminuir la capacidad del factor de transcripción para unirse, disminuyendo así la transcripción, o puede aumentar la capacidad del factor de transcripción para unirse, aumentando así la transcripción.

¿Qué podría suceder si una célula tuviera demasiado factor de transcripción activador presente?

Si estuviera presente demasiado factor de transcripción activador, entonces la transcripción aumentaría en la célula. Esto podría conducir a alteraciones dramáticas en la función celular.

Un científico identifica un sitio de regulación de la transcripción potencial 300 pb aguas abajo de un gen y plantea la hipótesis de que es un represor. ¿Qué experimento (con resultados) podría realizar para apoyar esta hipótesis?

La forma más fácil de probar su hipótesis sería mutar el sitio en una célula y monitorear los niveles de la transcripción de ARNm hecha a partir del gen. Si los niveles de transcripción aumentan en la célula mutada, entonces el sitio reprime la transcripción.

Glosario


23.2: Regulación genética: Eucariota - Biología

El genoma humano codifica más de 20.000 genes, cada uno de los 23 pares de cromosomas humanos codifica miles de genes. El ADN en el núcleo se enrolla, pliega y compacta con precisión en cromosomas para que encaje en el núcleo. También está organizado para que un tipo de celda específico pueda acceder a segmentos específicos según sea necesario.

El primer nivel de organización, o empaquetamiento, es el enrollamiento de las cadenas de ADN alrededor de las proteínas histonas. Las histonas empaquetan y ordenan el ADN en unidades estructurales llamadas complejos de nucleosomas, que pueden controlar el acceso de las proteínas a las regiones del ADN (Figura 1a). Bajo el microscopio electrónico, este enrollamiento de ADN alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas se ve como pequeñas cuentas en una cuerda (Figura 1b). Estas perlas (proteínas histonas) pueden moverse a lo largo de la cadena (ADN) y cambiar la estructura de la molécula.

Figura 1. El ADN se pliega alrededor de las proteínas histonas para crear (a) complejos de nucleosomas. Estos nucleosomas controlan el acceso de las proteínas al ADN subyacente. Cuando se ven a través de un microscopio electrónico (b), los nucleosomas se ven como cuentas en una cuerda. (crédito "micrografía": modificación del trabajo de Chris Woodcock)

Si el ADN que codifica un gen específico se va a transcribir en ARN, los nucleosomas que rodean esa región de ADN pueden deslizarse por el ADN para abrir esa región cromosómica específica y permitir que la maquinaria transcripcional (ARN polimerasa) inicie la transcripción (Figura 2). Los nucleosomas pueden moverse para abrir la estructura cromosómica y exponer un segmento de ADN, pero lo hacen de una manera muy controlada.

Pregunta de práctica

Figura 2. Los nucleosomas pueden deslizarse a lo largo del ADN. Cuando los nucleosomas están muy juntos (arriba), los factores de transcripción no pueden unirse y la expresión génica se apaga. Cuando los nucleosomas están muy separados (abajo), el ADN queda expuesto. Los factores de transcripción pueden unirse, lo que permite que se produzca la expresión génica. Las modificaciones de las histonas y el ADN afectan el espaciamiento de los nucleosomas.

En las mujeres, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto cree que tendrían estos cambios en el empaquetamiento de nucleosomas?

La estrecha relación entre las proteínas histonas y el ADN está regulada por señales que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales son grupos funcionales que se agregan a las proteínas histonas o al ADN y determinan si una región cromosómica debe estar abierta o cerrada (la Figura 3 muestra modificaciones en las proteínas histonas y el ADN). Estas etiquetas no son permanentes, pero se pueden agregar o eliminar según sea necesario.Algunos grupos químicos (grupos fosfato, metilo o acetilo) están unidos a aminoácidos específicos en la histona & # 8220tails & # 8221 en el N-terminal de la proteína. Estos grupos no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran qué tan apretado está el ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente y las histonas no modificadas están cargadas positivamente, por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán qué tan apretada estará la molécula de ADN. Al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva y se relaja la unión del ADN a las histonas. La alteración de la ubicación de los nucleosomas y la rigidez de la unión de las histonas abre algunas regiones de la cromatina a la transcripción y cierra otras.

La propia molécula de ADN también puede modificarse mediante metilación. La metilación del ADN ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Estos son tramos con una alta frecuencia de pares de ADN (CG) de dinucleótidos de citosina y guanina que se encuentran en las regiones promotoras de los genes. El miembro citosina del par CG se puede metilar (se agrega un grupo metilo). Los genes metilados suelen estar silenciados, aunque la metilación puede tener otros efectos reguladores. En algunos casos, los genes que se silencian durante el desarrollo de los gametos de uno de los padres se transmiten en su condición silenciada a la descendencia. Se dice que esos genes están impresos. La dieta de los padres u otras condiciones ambientales también pueden afectar los patrones de metilación de los genes, lo que a su vez modifica la expresión génica. Los cambios en la organización de la cromatina interactúan con la metilación del ADN. Las ADN metiltransferasas parecen ser atraídas por regiones de cromatina con modificaciones específicas de histonas. Altamente metilado (hipermetilado) Las regiones de ADN con histonas desacetiladas están estrechamente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.

Figura 3. Las proteínas histonas y los nucleótidos del ADN se pueden modificar químicamente. Las modificaciones afectan el espaciamiento de los nucleosomas y la expresión génica. (crédito: modificación del trabajo por NIH)

Los cambios epigenéticos no son permanentes, aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular e incluso pueden cruzar líneas generacionales. La remodelación de la cromatina altera la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario. Si se va a transcribir un gen, las proteínas histonas y el ADN de la región cromosómica que codifica ese gen se modifican de manera que se abre la región promotora para permitir que la ARN polimerasa y otras proteínas, llamadas factores de transcripción, se unan e inicien la transcripción. Si un gen debe permanecer apagado o silenciado, las proteínas histonas y el ADN tienen diferentes modificaciones que señalan una configuración cromosómica cerrada. En esta configuración cerrada, la ARN polimerasa y los factores de transcripción no tienen acceso al ADN y la transcripción no puede ocurrir (Figura 3).

Vea este video que describe cómo la regulación epigenética controla la expresión génica.

En resumen: regulación génica epigenética eucariota

En las células eucariotas, la primera etapa del control de la expresión génica se produce a nivel epigenético. Los mecanismos epigenéticos controlan el acceso a la región cromosómica para permitir que los genes se activen o desactiven. Estos mecanismos controlan la forma en que el ADN se empaqueta en el núcleo al regular la fuerza con la que el ADN se enrolla alrededor de las proteínas histonas. La adición o eliminación de modificaciones químicas (o indicadores) a las proteínas histonas o señales de ADN a la célula para abrir o cerrar una región cromosómica. Por lo tanto, las células eucariotas pueden controlar si un gen se expresa controlando la accesibilidad a los factores de transcripción y la unión de la ARN polimerasa para iniciar la transcripción.


Conexión de arte

Los nucleosomas pueden deslizarse a lo largo del ADN. Cuando los nucleosomas están muy juntos (arriba), los factores de transcripción no pueden unirse y la expresión génica se apaga. Cuando los nucleosomas están muy separados (abajo), el ADN queda expuesto. Los factores de transcripción pueden unirse, lo que permite que se produzca la expresión génica. Las modificaciones de las histonas y el ADN afectan el espaciamiento de los nucleosomas.

En las mujeres, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto cree que tendrían estos cambios en el empaquetamiento de nucleosomas?

La estrecha relación entre las proteínas histonas y el ADN está regulada por señales que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales son grupos funcionales que se agregan a las proteínas histonas o al ADN y determinan si una región cromosómica debe estar abierta o cerrada (la figura muestra modificaciones en las proteínas histonas y el ADN). Estas etiquetas no son permanentes, pero se pueden agregar o eliminar según sea necesario. Algunos grupos químicos (grupos fosfato, metilo o acetilo) están unidos a aminoácidos específicos en "colas" de histonas en el extremo N de la proteína. Estos grupos no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran qué tan apretado está el ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente y las histonas no modificadas están cargadas positivamente, por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán qué tan apretada estará la molécula de ADN. Al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva y se relaja la unión del ADN a las histonas. La alteración de la ubicación de los nucleosomas y la rigidez de la unión de las histonas abre algunas regiones de la cromatina a la transcripción y cierra otras.

La propia molécula de ADN también puede modificarse mediante metilación. La metilación del ADN ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Estos son tramos con una alta frecuencia de pares de ADN (CG) de dinucleótidos de citosina y guanina que se encuentran en las regiones promotoras de los genes. El miembro citosina del par CG se puede metilar (se agrega un grupo metilo). Los genes metilados suelen estar silenciados, aunque la metilación puede tener otros efectos reguladores. En algunos casos, los genes que se silencian durante el desarrollo de los gametos de uno de los padres se transmiten en su condición silenciada a la descendencia. Se dice que esos genes están impresos. La dieta de los padres u otras condiciones ambientales también pueden afectar los patrones de metilación de los genes, lo que a su vez modifica la expresión génica. Los cambios en la organización de la cromatina interactúan con la metilación del ADN. Las ADN metiltransferasas parecen ser atraídas por regiones de cromatina con modificaciones específicas de histonas. Altamente metilado (hipermetilado) Las regiones de ADN con histonas desacetiladas están estrechamente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.

Las proteínas histonas y los nucleótidos de ADN se pueden modificar químicamente. Las modificaciones afectan el espaciamiento de los nucleosomas y la expresión génica. (crédito: modificación del trabajo por NIH)

Los cambios epigenéticos no son permanentes, aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular e incluso pueden cruzar líneas generacionales. La remodelación de la cromatina altera la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario. Si se va a transcribir un gen, las proteínas de histona y el ADN en la región cromosómica que codifica ese gen se modifican de una manera que abre la región promotora para permitir la ARN polimerasa y otras proteínas, llamadas factores de transcripción, para unir e iniciar la transcripción. Si un gen debe permanecer apagado o silenciado, las proteínas histonas y el ADN tienen diferentes modificaciones que señalan una configuración cromosómica cerrada. En esta configuración cerrada, la ARN polimerasa y los factores de transcripción no tienen acceso al ADN y la transcripción no puede ocurrir (Figura).


23.2: Regulación genética: Eucariota - Biología

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explicar cómo la remodelación de la cromatina controla el acceso transcripcional.
  • Describir cómo se controla el acceso al ADN mediante la modificación de histonas.
  • Describir cómo se relaciona la metilación del ADN con los cambios en los genes epigenéticos.

La expresión génica eucariota es más compleja que la expresión génica procariota porque los procesos de transcripción y traducción están físicamente separados. A diferencia de las células procariotas, las células eucariotas pueden regular la expresión génica en muchos niveles diferentes. Los cambios epigenéticos son cambios heredables en la expresión genética que no son el resultado de cambios en la secuencia del ADN. La expresión génica eucariota comienza con el control del acceso al ADN. El acceso transcripcional al ADN se puede controlar de dos formas generales: remodelación de la cromatina y metilación del ADN. La remodelación de la cromatina cambia la forma en que el ADN se asocia con las histonas cromosómicas. La metilación del ADN está asociada con cambios en el desarrollo y silenciamiento de genes.

Control epigenético: regulación del acceso a genes dentro del cromosoma

El genoma humano codifica más de 20.000 genes, con cientos o miles de genes en cada uno de los 23 cromosomas humanos. El ADN en el núcleo se enrolla, pliega y compacta con precisión en cromosomas para que encaje en el núcleo. También está organizado para que un tipo de celda específico pueda acceder a segmentos específicos según sea necesario.

El primer nivel de organización, o empaquetamiento, es el enrollamiento de las cadenas de ADN alrededor de las proteínas histonas. Las histonas empaquetan y ordenan el ADN en unidades estructurales llamadas complejos de nucleosomas, que pueden controlar el acceso de las proteínas a las regiones del ADN ((Figura)a). Bajo el microscopio electrónico, este enrollamiento de ADN alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas se ve como pequeñas cuentas en una cuerda ((Figura)B).

Figura 1. El ADN se pliega alrededor de las proteínas histonas para crear (a) complejos de nucleosomas. Estos nucleosomas controlan el acceso de las proteínas al ADN subyacente. Cuando se ven a través de un microscopio electrónico (b), los nucleosomas se ven como cuentas en una cuerda. (crédito "micrografía": modificación del trabajo de Chris Woodcock)

Estas perlas (proteínas histonas) pueden moverse a lo largo de la cadena (ADN) para exponer diferentes secciones de la molécula. Si el ADN que codifica un gen específico se va a transcribir en ARN, los nucleosomas que rodean esa región de ADN pueden deslizarse por el ADN para abrir esa región cromosómica específica y permitir que la maquinaria transcripcional (ARN polimerasa) inicie la transcripción ((Figura)).

Conexión de arte

Figura 2. Los nucleosomas pueden deslizarse a lo largo del ADN. Cuando los nucleosomas están muy juntos (arriba), los factores de transcripción no pueden unirse y la expresión génica se apaga. Cuando los nucleosomas están muy separados (abajo), el ADN queda expuesto. Los factores de transcripción pueden unirse, lo que permite que se produzca la expresión génica. Las modificaciones de las histonas y el ADN afectan el espaciamiento de los nucleosomas.

En las mujeres, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto cree que tendrían estos cambios en el empaquetamiento de nucleosomas?

Los nucleosomas se empaquetarían más juntos.

La estrecha relación entre las proteínas histonas y el ADN está regulada por señales que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales son grupos funcionales que se agregan a las proteínas histonas o al ADN y determinan si una región cromosómica debe estar abierta o cerrada (la figura muestra modificaciones en las proteínas histonas y el ADN). Estas etiquetas no son permanentes, pero se pueden agregar o eliminar según sea necesario. Algunos grupos químicos (grupos fosfato, metilo o acetilo) están unidos a aminoácidos específicos en la histona & # 8220tails & # 8221 en el N-terminal de la proteína. Estos grupos no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran qué tan apretado está el ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente y las histonas no modificadas están cargadas positivamente, por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán qué tan apretada estará la molécula de ADN. Al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva y se relaja la unión del ADN a las histonas. La alteración de la ubicación de los nucleosomas y la rigidez de la unión de las histonas abre algunas regiones de la cromatina a la transcripción y cierra otras.

La propia molécula de ADN también puede modificarse mediante metilación. La metilación del ADN ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Estos son tramos con una alta frecuencia de pares de ADN (CG) de dinucleótidos de citosina y guanina que se encuentran en las regiones promotoras de los genes. El miembro citosina del par CG se puede metilar (se agrega un grupo metilo). Los genes metilados suelen estar silenciados, aunque la metilación puede tener otros efectos reguladores. En algunos casos, los genes que se silencian durante el desarrollo de los gametos de uno de los padres se transmiten en su condición silenciada a la descendencia. Se dice que esos genes están impresos. La dieta de los padres u otras condiciones ambientales también pueden afectar los patrones de metilación de los genes, lo que a su vez modifica la expresión génica. Los cambios en la organización de la cromatina interactúan con la metilación del ADN. Las ADN metiltransferasas parecen ser atraídas por regiones de cromatina con modificaciones específicas de histonas. Altamente metilado (hipermetilado) Las regiones de ADN con histonas desacetiladas están estrechamente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.

Figura 3. Las proteínas histonas y los nucleótidos de ADN se pueden modificar químicamente. Las modificaciones afectan el espaciamiento de los nucleosomas y la expresión génica. (crédito: modificación del trabajo por NIH)

Los cambios epigenéticos no son permanentes, aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular e incluso pueden cruzar líneas generacionales. La remodelación de la cromatina altera la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario. Si se va a transcribir un gen, las proteínas histonas y el ADN de la región cromosómica que codifica ese gen se modifican de manera que se abre la región promotora para permitir que la ARN polimerasa y otras proteínas, llamadas factores de transcripción, se unan e inicien la transcripción. Si un gen debe permanecer apagado o silenciado, las proteínas histonas y el ADN tienen diferentes modificaciones que señalan una configuración cromosómica cerrada. En esta configuración cerrada, la ARN polimerasa y los factores de transcripción no tienen acceso al ADN y la transcripción no puede ocurrir ((Figura)).

Enlace al aprendizaje

Vea este video que describe cómo la regulación epigenética controla la expresión génica.

Resumen de la sección

En las células eucariotas, la primera etapa del control de la expresión génica se produce a nivel epigenético. Los mecanismos epigenéticos controlan el acceso a la región cromosómica para permitir que los genes se activen o desactiven. La remodelación de la cromatina controla cómo se empaqueta el ADN en el núcleo regulando qué tan apretado se enrolla el ADN alrededor de las proteínas histonas. El propio ADN puede estar metilado para silenciar genes de forma selectiva. La adición o eliminación de modificaciones químicas (o indicadores) a las proteínas histonas o al ADN le indica a la célula que abra o cierre una región cromosómica. Por lo tanto, las células eucariotas pueden controlar si un gen se expresa controlando la accesibilidad a la unión de la ARN polimerasa y sus factores de transcripción.

Conexiones de arte

(Figura) En las mujeres, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto cree que tendrían estos cambios en el empaquetamiento de nucleosomas?


Conexión Evolution

Las células procariotas solo pueden regular la expresión génica controlando la cantidad de transcripción. A medida que evolucionaron las células eucariotas, aumentó la complejidad del control de la expresión génica. Por ejemplo, con la evolución de las células eucariotas vino la compartimentación de importantes componentes celulares y procesos celulares. Se formó una región nuclear que contiene el ADN. La transcripción y traducción se separaron físicamente en dos compartimentos celulares diferentes. Por lo tanto, fue posible controlar la expresión génica regulando la transcripción en el núcleo y también controlando los niveles de ARN y la traducción de proteínas presentes fuera del núcleo.

La mayor parte de la regulación genética se realiza para conservar los recursos celulares. Sin embargo, otros procesos regulatorios pueden ser defensivos. Procesos celulares como los desarrollados para proteger a la célula de infecciones virales o parasitarias. Si la célula pudiera detener rápidamente la expresión génica durante un corto período de tiempo, podría sobrevivir a una infección cuando otros organismos no pudieron. Por lo tanto, el organismo desarrolló un nuevo proceso que lo ayudó a sobrevivir y pudo transmitir este nuevo desarrollo a la descendencia.


Regulación genética en procariotas y eucariotas

En este artículo discutiremos sobre: ​​- 1. Los sistemas inducibles y reprimibles 2. Control transcripcional y traslacional 3. Regulación del operón triptófano de E. coli 4. Regulación de la transcripción en eucariotas 5. Promotores y potenciadores 6. Activadores transcripcionales 7. Regulación por empalme alternativo de la transcripción de ARN 8. Regulación en el nivel de traducción 9. Control epigenético de la regulación genética.

Los sistemas inducibles y reprimibles:

En el sistema inducible, cuando el inductor está ausente, el represor se une al operador y lo bloquea. La ARN polimerasa no puede moverse a lo largo del ADN, de modo que los genes estructurales sintetizan cantidades muy pequeñas de ARNm, si es que lo hacen.

Pero cuando la lactosa está presente en el medio como inductor, se induce al operón a sintetizar grandes cantidades de las enzimas necesarias para el transporte y catabolismo de la lactosa. En este caso, el operón funciona porque el represor se une a la molécula inductora, el operador se libera y los genes estructurales sintetizan el ARNm.

El operón lac proporciona un ejemplo de un sistema inducible en el que la existencia del nutriente en el medio induce la síntesis de grandes cantidades de enzimas necesarias para el catabolismo de ese nutriente. Por tanto, tales sistemas operan en la degradación de sustratos exógenos en procesos catabólicos.

En los sistemas reprimibles, el operón controla la síntesis de proteínas o enzimas necesarias para las reacciones anabólicas. Tal operón continúa funcionando normalmente hasta que hay un exceso de productos.

Cuando el producto final está en exceso, funciona como un metabolito represor llamado correpresor. En este sistema, el represor está inactivo por sí mismo. Pero cuando el correpresor se une al represor para formar un complejo represor-correpresor que se une al operador, los genes estructurales no pueden transcribir el ARNm (fig. 16.3).

En un sistema reprimible, el operón está controlado negativamente. Además del operón de histidina ya descrito, el operón de triptófano en E. coli también funciona como un operón reprimible. Cuando hay concentraciones normales de triptófano en una célula, el operón es funcional o está desreprimido. Pero cuando el triptófano está en exceso, actúa como correpresor y se une al represor inactivo.

El complejo se adhiere al operador y evita la síntesis de ARNm por parte de genes estructurales. A medida que disminuye la concentración de triptófano, las moléculas represoras permanecen libres, el operador se libera y los genes estructurales transcriben el ARNm. Por tanto, el operón vuelve a ser des-reprimido.

Control transcripcional y traslacional:

El operón de lactosa demuestra que el control de la transcripción implica la interacción de proteínas reguladoras con secuencias de ADN específicas, y esto también es ampliamente aplicable a eucariotas. Las secuencias reguladoras como el operador se denominan elementos de control que actúan en cis porque provocan la expresión de solo genes enlazados en la misma molécula de ADN.

Por el contrario, las proteínas represoras se denominan factores de acción trans porque pueden influir en la expresión de genes ubicados en otros cromosomas dentro de la célula. Además, el operón lac se considera un ejemplo de control negativo de la expresión génica porque la unión del represor inhibe la transcripción. Sin embargo, existen otros ejemplos en los que los factores que actúan en trans son activadores (control positivo) de la transcripción.

Se ha demostrado el control positivo de la transcripción en E. coli mediante estudios sobre el efecto de la glucosa en la expresión de genes que codifican enzimas que conducen a la degradación (catabolismo) de otros azúcares, como la lactosa. La lactosa proporciona una fuente alternativa de carbono y energía.

Siempre que se disponga de glucosa, se utiliza preferentemente, con el resultado de que las enzimas implicadas en el catabolismo de fuentes de energía alternativas no se expresan. Eso significa que si E. coli se cultiva en un medio que proporciona glucosa y lactosa, el operón lac no se induce y las células de E. coli solo utilizan glucosa. Por tanto, la glucosa reprime el operón lac incluso en presencia del inductor normal, lactosa.

La represión por glucosa, también llamada represión de catabolitos, en realidad está mediada por un sistema de control positivo que está determinado por los niveles de AMP cíclico. (cAMP) (figura 16.4). En las bacterias, el cAMP se produce a partir de ATP por la enzima adenilil ciclasa. La conversión de ATP en cAMP está regulada de tal manera que los niveles de cAMP aumentan cuando los niveles de glucosa caen. El AMP cíclico se une a una proteína reguladora de la transcripción llamada proteína activadora de catabolitos (CAP).

La unión de cAMP a CAP estimula la unión de CAP a sus secuencias de ADN específicas. En el operón lac, esta secuencia de ADN específica se encuentra aproximadamente 60 bases corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción. Luego, CAP interactúa con la subunidad alfa de la ARN polimerasa y eso facilita la unión de la polimerasa al promotor y la activación de la transcripción.

Regulación del operón triptófano de E. coli:

Los genes del aminoácido triptófano (genes trp) se consideran genes reprimibles en los que la presencia del metabolito (trp) en el entorno apaga la expresión de sus genes estructurales. El triptófano actúa como correpresor. La regulación del operón trp se produce de dos formas.

En el primero, la expresión de los cinco genes estructurales E, D, C, B y A que codifican las enzimas implicadas en la síntesis de triptófano, está controlada por un gen regulador específico. El gen regulador codifica una proteína específica llamada represor. El represor por sí mismo está inactivo, pero cuando se compleja con triptófano (correpresor) se activa.

El complejo represor-correpresor activado se une a una región específica del ADN, el operador situado junto a los genes estructurales que se regulan. Esto bloquea el movimiento de la ARN polimerasa hacia genes estructurales.

Los genes estructurales, las regiones operadora y promotora constituyen juntos el operón. Por tanto, cuando el triptófano está presente en el medio ambiente, el represor forma un complejo con el triptófano, luego se une al operador e impide la transcripción de los genes estructurales.

Por el contrario, cuando falta triptófano en el ambiente, el represor permanece libre e inactivo, no se une al operador, lo que resulta en la transcripción de genes estructurales y síntesis de triptófano. Esto se denomina sistema de control negativo porque el represor que es producto del gen regulador actúa para desactivar la transcripción de genes estructurales (fig. 16.5).

El segundo mecanismo, llamado atenuación, regula la expresión de genes estructurales de triptófano controlando la capacidad de la ARN polimerasa para continuar elongación sobre una secuencia de nucleótidos específica. Este mecanismo funciona cuando se dispone de altos niveles de triptófano. Hay una atenuación de la regulación por una secuencia que termina la transcripción prematuramente.

Esta secuencia o región de atenuación está ubicada 162 nucleótidos cadena abajo del sitio de inicio de la transcripción, que es el primer gen estructural. La transcripción termina en esta región si hay triptófano disponible, antes de que la ARN polimerasa alcance el primer gen estructural. En otras palabras, la atenuación se produce si está disponible el ARNt aminoacilado específico. De lo contrario, la transcripción continúa, produciendo un ARNm de trp funcional.

La transcripción se inicia en la región promotora que produce lo que se denomina transcripción líder. El ARN líder contiene una señal de inicio y parada para la síntesis de proteínas. Dado que los procariotas carecen de membrana nuclear, la transcripción y la traducción pueden ocurrir simultáneamente, a diferencia de los eucariotas, donde existe una separación espacial de la transcripción (en el núcleo) y la traducción (en el citoplasma).

Por lo tanto, mientras se sintetiza el ARN líder, los ribosomas comienzan la traducción en el extremo 5 & # 8242. Esto da como resultado una cadena peptídica corta mientras la ARN polimerasa transcribe la región líder. Si se dispone de triptófano-ARNt, la síntesis de la cadena peptídica continuará hasta que el ribosoma alcance la señal de parada presente en el ARN líder.

Sin embargo, si no hay suficiente triptófano -tRNA, el ARN líder no se traducirá en péptido y el ribosoma se detendrá en los codones de triptófano en el ARN líder, sin alcanzar la señal de parada.

Además de las secuencias de inicio y parada, el ARN líder contiene 4 regiones que tienen secuencias complementarias que permiten la formación de estructuras de tallo y bucle mediante el apareamiento de bases.

La región 1 puede formar pares de bases con la región 2, la región 2 puede formar pares de bases en ambos lados, ya sea con la región 1 o con la región 3, la región 3 también puede formar pares de bases con la región 2 o con la región 4, la región 4 puede formar pares de bases solo con la región 3. Por lo tanto, se pueden formar 3 posibles estructuras de tallo / bucle en la transcripción de ARN (Fig. 16.6).

Cuando la región 3 se empareja con la región 4, genera una señal de atenuación, es decir, terminación prematura de la transcripción. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que si ya se ha formado un vástago / bucle en la región que precede a la región 3, entonces la región 3 no estará disponible para el par de bases con la región 4.

Otro punto importante a tener en cuenta es que, si el ribosoma se está traduciendo en la región 2, entonces la región 2 no estaría disponible para el emparejamiento de bases con la región 1 o con la región 3. En esa situación, la región 3 estará libre para el emparejamiento de bases con la región 4.

El apareamiento de bases solo entre las regiones 3 y 4 para formar señales de tallo / bucle ARN polimerasa para terminar la transcripción. Esto implica que cuando hay suficiente cantidad de triptófano-ARNt disponible para traducir el ARN líder, detendrá la transcripción (atenuación) prematuramente y los genes estructurales no se transcribirán. Por el contrario, si falta triptófano-ARNt o es insuficiente para traducir el líder. ARN, no habrá atenuación.

En ese caso, el ribosoma se detendrá en los dos codones trp en la región 1, dejando así la región 2 disponible para el par de bases con la región 3. Eso significa que la región 3 no estaría disponible para el par de bases con la región 4, que es un requisito esencial para la señalización. ARN polimerasa para terminar la transcripción. En ausencia de atenuación, se transcribirán los genes estructurales (fig. 16.7).

Regulación de la transcripción en eucariotas:

El control de la expresión de genes eucariotas es más complejo que en procariotas y se encuentra principalmente en el nivel de inicio de la transcripción. En general, la transcripción en células eucariotas está controlada por proteínas que se unen a secuencias reguladoras específicas y modulan la actividad de la ARN polimerasa.

En los muchos tipos de células diferentes de organismos eucariotas multicelulares, la regulación de la expresión génica se logra mediante las acciones combinadas de múltiples proteínas reguladoras de la transcripción diferentes, mediante la metilación del ADN y el empaquetamiento del ADN en cromatina.

Promotores y potenciadores:

En las bacterias, la transcripción está regulada por la unión de proteínas a secuencias que actúan en cis, como en el operón lac, que controlan la transcripción de genes adyacentes (z, y, a). Secuencias similares que actúan en cis regulan la expresión de genes eucariotas. El método de identificación de estas secuencias se basa en el uso de ensayos de transferencia de genes mediante los cuales se estudia la actividad de supuestas regiones reguladoras de genes clonados (Fig. 16.8).

La secuencia reguladora está ligada a un gen indicador que codifica una enzima fácilmente detectable. El gen indicador se transfiere a células cultivadas (transfección). La expresión del gen indicador indica la actividad biológica de la secuencia reguladora y proporciona un ensayo sensible para la capacidad de las secuencias reguladoras clonadas para dirigir la transcripción.

Los dos elementos promotores centrales, la caja TATA y la secuencia Inr en genes transcritos por la ARN polimerasa II sirven como sitios de unión específicos para factores de transcripción. Inr es la secuencia iniciadora que abarca el sitio de inicio de la transcripción en los promotores de muchos genes transcritos por la ARN polimerasa II.

Otras secuencias que actúan en cis funcionan como sitios de unión para una variedad de factores reguladores que controlan la expresión de genes individuales. Estas secuencias reguladoras que actúan en cis se ubican normalmente aguas arriba de la caja TATA. Curiosamente, se encontró que dos secuencias reguladoras que se encuentran comúnmente en el gen eucariota están presentes en el promotor del gen del virus del herpes simple que codifica la timidina quinasa.

Estas dos secuencias están ubicadas alrededor de 100 pares de bases corriente arriba de la caja TATA, y sus secuencias de consenso son CCAAT y GGGCGG (llamadas caja GC). Se ha demostrado que la unión de proteínas específicas a estas secuencias inicia la transcripción.

En contraste con las cajas CCAAT y GC en el promotor de timidina quinasa del virus del herpes simple, las secuencias reguladoras de varios genes de mamíferos están ubicadas más lejos, hasta 10 kilo-bases, del sitio de inicio de la transcripción. Estas secuencias se denominan potenciadores y se describieron por primera vez en el virus SV40. Al igual que los promotores, los potenciadores funcionan uniendo factores de transcripción que actúan regulando la ARN polimerasa.

Los factores de transcripción unidos a potenciadores distantes funcionan mediante los mismos mecanismos que los unidos adyacentes a los promotores, es decir, las secuencias reguladoras que actúan en cis. La unión de proteínas reguladoras transcripcionales específicas a potenciadores es responsable del control de la expresión génica durante el desarrollo, la diferenciación y en respuesta de las células a hormonas y factores de crecimiento.

Activadores transcripcionales:

Entre los factores de transcripción más estudiados se encuentran los activadores de la transcripción, que se unen a las secuencias reguladoras de ADN y estimulan la transcripción. Los activadores transcripcionales constan de dos dominios, una región que se une al ADN para anclar el factor al sitio adecuado en el ADN y la otra activa la transcripción al interactuar con otros componentes del sistema transcripcional.

Estudios detallados han revelado que los dominios de unión al ADN de muchas de estas proteínas están relacionados entre sí. Los dominios de dedos de zinc contienen repeticiones de residuos de cisteína e histidina que se unen a los iones de zinc y se pliegan en bucles en forma de dedos que se unen al ADN. Los factores de transcripción de los receptores de hormonas esteroides contienen dominios de dedos de zinc.

Los receptores de hormonas esteroides regulan la transcripción de genes en respuesta a las hormonas estrógeno y testosterona. Los dominios de activación de los factores de transcripción no están tan bien caracterizados como sus dominios de unión al ADN.

Regulación por empalme alternativo de la transcripción de ARN:

La transcripción primaria de algunos genes podría empalmarse de formas alternativas para producir diferentes productos. Incluso cuando se usa el mismo promotor para transcribir un gen, diferentes tipos de células pueden producir diferentes cantidades de una proteína, o incluso una proteína diferente. Esto podría deberse a diferencias en el ARNm producido o al procesamiento del ARNm. Esto se puede lograr cuando la misma transcripción de un tipo de célula se empalma de manera diferente a la transcripción en otro tipo de célula.

Los exones que codifican proteínas pueden ser los mismos en los diferentes tipos de células, pero el patrón de corte y empalme de la transcripción puede ser diferente. En ese caso, la proteína es idéntica, pero la velocidad de síntesis es diferente, porque las moléculas de ARNm no se traducen con la misma eficacia.

En otros casos, la parte de la transcripción que codifica la proteína tiene un patrón de empalme diferente en cada tipo de célula, con el resultado de que las moléculas de ARNm producen código para proteínas que no son idénticas aunque comparten ciertos exones.

Las transcripciones del genoma humano se empalman con frecuencia de formas alternativas. Debido a esto, los aproximadamente 30.000 genes humanos pueden codificar entre 64.000 y 96.000 proteínas diferentes. El procesamiento alternativo de ARN se considera una de las principales fuentes de complejidad genética humana. Por ejemplo, el gen del receptor de insulina humana sufre un corte y empalme alternativo que da como resultado la inclusión o exclusión del exón número 11 en el ARNm (figura 16.9).

Las formas resultantes de la cadena polipeptídica difieren en longitud en 12 aminoácidos. En las células hepáticas, los 20 exones están presentes en el ARNm para la forma larga de la proteína receptora (Fig. 16.9, Parte A), mientras que en el músculo esquelético el exón 11 se elimina junto con los intrones flanqueantes y se excluye del ARNm durante el período corto. forma (Fig. 16.9, Parte B).

La forma larga del receptor muestra una baja afinidad por la insulina y se expresa en tejidos como el hígado que están expuestos a concentraciones relativamente más altas de insulina. La forma corta de la proteína tiene una alta afinidad por la insulina y se expresa preferentemente en tejidos como el músculo esquelético que normalmente están expuestos a niveles más bajos de insulina.

Por tanto, el empalme alternativo proporciona un mecanismo para generar proteínas con diferentes propiedades a partir del mismo gen. El gen Dscam de Drosophila podría dar lugar a aproximadamente 38016 proteínas diferentes mediante empalme alternativo. Se desconoce el número real de proteínas sintetizadas. El genoma humano que contiene de 30.000 a 40.000 genes produce diferentes proteínas cuyo número es varias veces mayor, mediante empalme alternativo.

A diferencia de los genes de Drosophila y gusanos inferiores, los genes humanos se distribuyen en una gran región del genoma y las transcripciones de ARNm primarias son muy largas. El empalme alternativo de la mayoría de los genes humanos conduce a múltiples productos proteicos. Se cree que alrededor de un tercio de todos los genes humanos se someten a un empalme alternativo.

Entre los genes que se empalman alternativamente, el número promedio de ARNm distintos producidos a partir de la transcripción primaria varía entre 2 y 7. El número promedio de ARNm diferentes por gen en todo el genoma está en el rango de 2 a 3, lo que incluye genes que producen un ARNm único, así como aquellos que producen múltiples ARNm diferentes. Por tanto, el corte y empalme alternativo aumenta enormemente el número de productos proteicos que pueden codificarse a partir de un número relativamente pequeño de genes.

Regulación a nivel de traducción:

En las células eucariotas, la transcripción y la traducción se desacoplan en el proceso de expresión génica. Esto permite la regulación a nivel de traducción independientemente de la transcripción.

Los principales tipos de control de la traducción son: incapacidad de una molécula de ARNm para traducirse bajo ciertas condiciones regulación de la tasa general de inhibición de la síntesis de proteínas o activación de la traducción por pequeños ARN reguladores que experimentan apareamiento de bases con la activación del ARNm de células citoplasmáticas no traducidas previamente. ARNm.

En el caso del control de la traducción mediante pequeños ARN reguladores, normalmente los ARN reguladores son complementarios en secuencia a parte del ARNm cuya traducción controlan. Una secuencia de ARN que es complementaria a un ARNm se denomina ARN antisentido. Los ARN reguladores antisentido actúan emparejándose con el ARNm. Puede activar o inhibir la traducción. Los ARN reguladores pequeños también pueden regular la traducción.

Control epigenético de la regulación genética:

Los fenómenos epigenéticos son estados alternativos de actividad genética que son hereditarios, pero que no siguen las reglas de herencia mendeliana, no se explican por mutaciones, cambios en la secuencia genética o regulación del desarrollo normal. Son cambios provocados en la expresión génica por modificaciones químicas heredables en el ADN.

El prefijo epi significa & # 8220 además de & # 8221 o & # 8220 además de & # 8221. Por lo tanto, epigenético se refiere a cambios hereditarios en la expresión génica que no están asociados con cambios en la secuencia de ADN, sino con algo & # 8220 además de & # 8221 a la secuencia de ADN, generalmente modificación química de las bases del ADN o proteínas unidas al ADN.

Ahora está claro que muchos fenómenos epigenéticos ocurren principalmente a través de cambios en la estructura de la cromatina. En general, la metilación del ADN se asocia con la desactivación de la expresión génica. Sin embargo, algunos organismos que exhiben claramente efectos epigenéticos, por ejemplo, Drosophila, no tienen metilación del ADN. Las modificaciones de histonas y proteínas cromosómicas de histonas no tímidas también se han implicado en la epigenética.


Mejoradores y transcripción

En algunos genes eucariotas, hay regiones que ayudan a aumentar o mejorar la transcripción. Estas regiones, llamadas potenciadoras, no están necesariamente cercanas a los genes que potencian. Pueden ubicarse corriente arriba de un gen, dentro de la región codificante del gen, corriente abajo de un gen, o pueden estar a miles de nucleótidos de distancia.

Las regiones potenciadoras son secuencias de unión, o sitios, para factores de transcripción. Cuando una proteína que dobla el ADN se une, la forma del ADN cambia ([enlace]). Este cambio de forma permite la interacción de los activadores unidos a los potenciadores con los factores de transcripción unidos a la región promotora y la ARN polimerasa. Mientras que el ADN generalmente se representa como una línea recta en dos dimensiones, en realidad es un objeto tridimensional. Por lo tanto, una secuencia de nucleótidos a miles de nucleótidos de distancia puede doblarse e interactuar con un promotor específico.


Control de la regulación de genes eucariotas

Regulación de genes eucariotas: control genómico

Los genes que codifican las cadenas pesadas de anticuerpos humanos se crean mediante reordenamientos del ADN que involucran múltiples tipos de segmentos V, D y J.
Inicialmente, el ADN de las células inmunitarias se organiza como matrices en tándem de regiones V, D y J
La escisión de ADN elimina aleatoriamente varios segmentos D y J para colocar las secuencias D y J individuales una al lado de la otra.
Una segunda escisión aleatoria elimina varios segmentos V y D para unir una sección en V a las otras para formar un segmento VDJ.
Después de la transcripción, las secuencias que separan el segmento VDJ del segmento C se eliminan mediante empalme de ARN.

Regulación génica eucariota: control transcripcional

En un gen eucariota codificador de proteínas típico, el ARNm es transcrito por la ARN polimerasa II.
El promotor central se caracteriza por una secuencia iniciadora que rodea el punto de inicio de la transcripción y una secuencia denominada caja TATA ubicada aproximadamente 25 pb corriente arriba (en el lado 5 principal) del punto de inicio.
El promotor central es donde los factores de transcripción generales y la ARN polimerasa se ensamblan para el inicio de la transcripción.
Dentro de aproximadamente 100 nucleótidos corriente arriba del promotor central se encuentran varios elementos de control proximales, que estimulan la transcripción del gen al interactuar con factores de transcripción reguladores.
El número, la identidad y la ubicación de los elementos proximales varían de un gen a otro.
La unidad de transcripción incluye una región no traducida de 5 primos (líder) y una región no traducida de 3 primos (tráiler) que se transcriben e incluyen en el ARNm pero no aportan información de secuencia para el producto proteico.
Estas regiones no traducidas pueden contener secuencias de control de la expresión.
En la transcripción primaria, al final del último exón hay un sitio que dirige la escisión del ARN y la adición de poli (A).

Propiedades de los potenciadores

Un modelo de acción potenciadora
En este modelo, un potenciador ubicado a una gran distancia a lo largo del ADN del gen que codifica la proteína que regula se acerca al promotor central mediante un bucle del ADN.
La influencia de un potenciador sobre el promotor está mediada por factores de transcripción reguladores llamados activadores.
1) Las proteínas activadoras se unen a los elementos potenciadores, formando un realceosoma.
2) La flexión del ADN acerca el realceosoma al promotor central.
El factor de transcripción general TFIID está cerca del promotor. A los efectos de esta figura, dos de las subunidades de proteínas de TFIID, que funcionarán como coactivadores en el paso 3, se distinguen del resto del factor.
3) Los activadores unidos al ADN interactúan con coactivadores específicos que forman parte de TFIID. Esta interacción facilita el correcto posicionamiento de TFIID en el promotor.
4) Los otros factores de transcripción generales y la ARN polimerasa se unen al complejo y se inicia la transcripción.

El gen de la proteína albúmina, al igual que otros genes, está asociado con una serie de elementos reguladores del ADN. Aquí mostramos solo dos elementos de control, así como el promotor central.
Las células de todos los tejidos contienen ARN polimerasa y los factores de transcripción generales, pero el conjunto de factores de transcripción reguladores disponibles varía con el tipo de célula.
Las células hepáticas contienen un conjunto de factores de transcripción reguladores que incluyen los factores para reconocer todos los elementos de control del gen de la albúmina.
Cuando estos factores se unen al ADN, facilitan la transcripción del gen de la albúmina a un alto nivel.
Sin embargo, las células cerebrales tienen un conjunto diferente de factores de transcripción reguladores, que no incluye todos los del gen de la albúmina. En consecuencia, en las células del cerebro, el complejo de transcripción puede ensamblarse en el promotor, pero no de manera muy eficiente.
El resultado es que las células cerebrales transcriben el gen de la albúmina solo a un nivel bajo.

Se encuentran comúnmente varios motivos estructurales en los dominios de unión al ADN de los factores de transcripción reguladores.
Las partes de estos dominios que interactúan directamente con secuencias específicas de ADN suelen ser hélices alfa (o hélices de reconocimiento) que encajan en el surco principal del ADN.
El motivo hélice-vuelta-hélice contiene dos hélices alfa unidas por un corto giro flexible.
El motivo del dedo de zinc consiste en una hélice alfa y una hoja beta antiparalela de dos segmentos, todos unidos por la interacción de cuatro residuos de cisteína (o dos residuos de cisteína y dos de histidina) con un átomo de zinc.
Las proteínas de dedos de zinc normalmente contienen varios dedos de zinc.
El motivo de cremallera de leucina contiene una hélice alfa que tiene una disposición regular de residuos de leucina que interactúa con una región similar en un segundo polipéptido para enrollarse entre sí.
El motivo hélice-bucle-hélice contiene una hélice corta conectada a una hélice más larga mediante un bucle polipeptídico que interactúa con una región similar en otro polipéptido para crear un dímero.
El homeodominio es un dominio de unión a ADN de hélice-vuelta-hélice que contiene tres hélices alfa codificadas por un homeobox de 180 pares de bases.
El homeodominio se encontró originalmente en genes homeóticos que son muy importantes en el desarrollo.
Los genes del homeodominio Hox controlan el desarrollo de la cabeza a la cola en animales, desde moscas hasta mamíferos.

Las secuencias de respuesta de ADN que se unen a factores de transcripción a menudo están compuestas por elementos repetidos invertidos.
La lectura de la secuencia del elemento de respuesta a los glucocorticoides en la dirección 5 prima a 3 primaria desde cualquier extremo produce la misma secuencia de ADN (5 prima-AGAACA -3 prima).
El elemento de la hormona tiroidea contiene las mismas secuencias repetidas invertidas que el elemento estrógeno, pero las tres bases que separan las dos copias de la secuencia en el elemento estrógeno están ausentes.

Los receptores de glucocorticoides activan la transcripción de genes.
El cortisol, una hormona esteroide hidrófoba, puede difundirse a través de una membrana plasmática y luego unirse al receptor de glucocorticoides intracelular.
La unión del esteroide provoca la liberación de una proteína inhibidora y activa el sitio de unión al ADN de la molécula receptora de glucocorticoides.
La molécula del receptor de glucocorticoides entra entonces en el núcleo y se une a un elemento de respuesta de glucocorticoides en el ADN, lo que hace que una segunda molécula de receptor de glucocorticoides se una al mismo elemento de respuesta.
El dímero del receptor de glucocorticoides resultante activa la transcripción del gen diana.

La proteína de unión al elemento de respuesta a AMPc (CREB) controla la expresión génica cuando aumentan los niveles de AMPc.
Los genes activados por AMP cíclico poseen un elemento de respuesta (CRE) de AMP cíclico en sentido ascendente que se une a un factor de transcripción llamado proteína CREB.
En presencia de AMP cíclico, la proteína cinasa A citoplasmática se activa y su subunidad catalítica activada se mueve hacia el núcleo, donde cataliza la fosforilación de la proteína CREB, estimulando así su dominio de activación.

Regulación génica eucariota: control traslacional

La traducción de ferritina se activa en presencia de hierro.
La traducción se inhibe mediante la unión de la proteína de unión a IRE a la estructura en horquilla de un elemento de respuesta al hierro (IRE) en la secuencia líder no traducida de 5 primos del ARNm de ferritina.
Cuando el hierro se une a la proteína de unión a IRE, se retuerce en una conformación que no reconoce el IRE.
Cuando hay hierro disponible, los ribosomas pueden ensamblarse en el ARNm y proceder a traducir ferritina.
La horquilla no interfiere con las actividades de los ribosomas.

La degradación del ARNm del receptor de transferrina (necesario para la absorción de hierro) también está regulada por la proteína de unión a IRE alostérica.
El ARNm del receptor de transferrina tiene una IRE en su región no traducida de 3 primos.
Cuando el [hierro] intracelular es bajo, la proteína de unión a IRE permanece unida a la IRE que 1) protege el ARNm de la degradación y 2) permite que se sintetice más proteína receptora de transferrina.
Cuando el [hierro] intracelular es alto, el hierro se une a la proteína de unión a IRE, libera el IRE y el ARNm puede degradarse.


81 Regulación de genes epigenéticos eucariotas

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explicar cómo la remodelación de la cromatina controla el acceso transcripcional.
  • Describir cómo se controla el acceso al ADN mediante la modificación de histonas.
  • Describir cómo se relaciona la metilación del ADN con los cambios en los genes epigenéticos.

La expresión génica eucariota es más compleja que la expresión génica procariota porque los procesos de transcripción y traducción están físicamente separados. A diferencia de las células procariotas, las células eucariotas pueden regular la expresión génica en muchos niveles diferentes. Los cambios epigenéticos son cambios heredables en la expresión genética que no son el resultado de cambios en la secuencia del ADN. La expresión génica eucariota comienza con el control del acceso al ADN. El acceso transcripcional al ADN se puede controlar de dos formas generales: remodelación de la cromatina y metilación del ADN. La remodelación de la cromatina cambia la forma en que el ADN se asocia con las histonas cromosómicas. La metilación del ADN está asociada con cambios en el desarrollo y silenciamiento de genes.

Control epigenético: regulación del acceso a genes dentro del cromosoma

El genoma humano codifica más de 20.000 genes, con cientos o miles de genes en cada uno de los 23 cromosomas humanos. El ADN en el núcleo se enrolla, pliega y compacta con precisión en cromosomas para que encaje en el núcleo. También está organizado para que un tipo de celda específico pueda acceder a segmentos específicos según sea necesario.

El primer nivel de organización, o empaquetamiento, es el enrollamiento de las cadenas de ADN alrededor de las proteínas histonas. Las histonas empaquetan y ordenan el ADN en unidades estructurales llamadas complejos de nucleosomas, que pueden controlar el acceso de las proteínas a las regiones del ADN ((Figura)a). Bajo el microscopio electrónico, este enrollamiento de ADN alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas se ve como pequeñas cuentas en una cuerda ((Figura)B).


Estas perlas (proteínas histonas) pueden moverse a lo largo de la cadena (ADN) para exponer diferentes secciones de la molécula. Si el ADN que codifica un gen específico se va a transcribir en ARN, los nucleosomas que rodean esa región de ADN pueden deslizarse por el ADN para abrir esa región cromosómica específica y permitir que la maquinaria transcripcional (ARN polimerasa) inicie la transcripción ((Figura)).


En las mujeres, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto cree que tendrían estos cambios en el empaquetamiento de nucleosomas?

& lt! & # 8211 & ltlink window = & # 8221new & # 8221 target-id = & # 8221fig-ch16_03_02 & # 8243 document = & # 8221 & # 8221 / & gt Los nucleosomas se compactarían mejor. & # 8211 & gt

La estrecha relación entre las proteínas histonas y el ADN está regulada por señales que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales son grupos funcionales que se agregan a las proteínas histonas o al ADN y determinan si una región cromosómica debe estar abierta o cerrada (la figura muestra modificaciones en las proteínas histonas y el ADN). Estas etiquetas no son permanentes, pero se pueden agregar o eliminar según sea necesario. Algunos grupos químicos (grupos fosfato, metilo o acetilo) están unidos a aminoácidos específicos en la histona & # 8220tails & # 8221 en el N-terminal de la proteína. Estos grupos no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran qué tan apretado está el ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente y las histonas no modificadas están cargadas positivamente, por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán qué tan apretada estará la molécula de ADN. Al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva y se relaja la unión del ADN a las histonas. La alteración de la ubicación de los nucleosomas y la rigidez de la unión de las histonas abre algunas regiones de la cromatina a la transcripción y cierra otras.

La propia molécula de ADN también puede modificarse mediante metilación. La metilación del ADN ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Estos son tramos con una alta frecuencia de pares de ADN (CG) de dinucleótidos de citosina y guanina que se encuentran en las regiones promotoras de los genes. El miembro citosina del par CG se puede metilar (se agrega un grupo metilo). Los genes metilados suelen estar silenciados, aunque la metilación puede tener otros efectos reguladores. En algunos casos, los genes que se silencian durante el desarrollo de los gametos de uno de los padres se transmiten en su condición silenciada a la descendencia. Se dice que esos genes están impresos. La dieta de los padres u otras condiciones ambientales también pueden afectar los patrones de metilación de los genes, lo que a su vez modifica la expresión génica. Los cambios en la organización de la cromatina interactúan con la metilación del ADN. Las ADN metiltransferasas parecen ser atraídas por regiones de cromatina con modificaciones específicas de histonas. Altamente metilado (hipermetilado) Las regiones de ADN con histonas desacetiladas están estrechamente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.


Los cambios epigenéticos no son permanentes, aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular e incluso pueden cruzar líneas generacionales. La remodelación de la cromatina altera la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario. Si se va a transcribir un gen, las proteínas histonas y el ADN de la región cromosómica que codifica ese gen se modifican de manera que se abre la región promotora para permitir que la ARN polimerasa y otras proteínas, llamadas factores de transcripción, se unan e inicien la transcripción. Si un gen debe permanecer apagado o silenciado, las proteínas histonas y el ADN tienen diferentes modificaciones que señalan una configuración cromosómica cerrada. En esta configuración cerrada, la ARN polimerasa y los factores de transcripción no tienen acceso al ADN y la transcripción no puede ocurrir ((Figura)).

Vea este video que describe cómo la regulación epigenética controla la expresión génica.

Resumen de la sección

En las células eucariotas, la primera etapa del control de la expresión génica se produce a nivel epigenético. Los mecanismos epigenéticos controlan el acceso a la región cromosómica para permitir que los genes se activen o desactiven. La remodelación de la cromatina controla cómo se empaqueta el ADN en el núcleo regulando qué tan apretado se enrolla el ADN alrededor de las proteínas histonas. El propio ADN puede estar metilado para silenciar genes de forma selectiva. La adición o eliminación de modificaciones químicas (o indicadores) a las proteínas histonas o al ADN le indica a la célula que abra o cierre una región cromosómica. Por lo tanto, las células eucariotas pueden controlar si un gen se expresa controlando la accesibilidad a la unión de la ARN polimerasa y sus factores de transcripción.

Preguntas de conexión visual

(Figura) En las mujeres, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto cree que tendrían estos cambios en el empaquetamiento de nucleosomas?

(Figura) Los nucleosomas se empaquetarían más juntos.

Preguntas de revisión

¿Qué son las modificaciones epigenéticas?

  1. la adición de cambios reversibles a las proteínas histonas y al ADN
  2. la eliminación de nucleosomas del ADN
  3. la adición de más nucleosomas al ADN
  4. mutación de la secuencia de ADN

¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas sobre los cambios epigenéticos?

  1. permitir la transcripción del ADN
  2. mover histonas para abrir o cerrar una región cromosómica
  3. son temporales
  4. Todas las anteriores

Preguntas de pensamiento crítico

En las células cancerosas, la alteración de las modificaciones epigenéticas desactiva los genes que se expresan normalmente. Hipotéticamente, ¿cómo podría revertir este proceso para volver a activar estos genes?

Puede crear medicamentos que reviertan los procesos epigenéticos (para agregar marcas de acetilación de histonas o para eliminar la metilación del ADN) y crear una configuración cromosómica abierta.

Un estudio científico demostró que el comportamiento maternal de las ratas afecta la respuesta al estrés en sus cachorros. Las ratas que nacieron y crecieron con madres atentas mostraron una baja activación de los genes de respuesta al estrés más adelante en la vida, mientras que las ratas con madres desatentas tuvieron una alta activación de los genes de respuesta al estrés en la misma situación. Un estudio adicional que intercambió los cachorros al nacer (es decir, las ratas nacidas de madres desatentas crecieron con madres atentas y viceversa) mostró el mismo efecto positivo de la maternidad atenta. ¿Cómo explica la genética y / o la epigenética los resultados de este estudio?

El intercambio de cachorros al nacer indica que los genes heredados de las madres atentas o desatendidas no explican las respuestas al estrés de las ratas más adelante en la vida. En cambio, los investigadores encontraron que la maternidad atenta provocó la metilación de genes que controlan la expresión de los receptores de estrés en el cerebro. Por lo tanto, las ratas que recibieron atención materna atenta exhibieron cambios epigenéticos que limitaron la expresión de los genes de respuesta al estrés y que el efecto fue duradero durante toda su vida.

Algunas enfermedades autoinmunes muestran una correlación positiva con la expresión drásticamente disminuida de histona desacetilasa 9 (HDAC9, una enzima que elimina los grupos acetilo de las histonas). ¿Por qué la expresión disminuida de HDAC9 haría que las células inmunitarias produjeran genes inflamatorios en momentos inapropiados?

La acetilación de histonas reduce la carga positiva de las proteínas de histonas, aflojando el ADN envuelto alrededor de las histonas. Este ADN más suelto puede interactuar con factores de transcripción para expresar genes que se encuentran en esa región. Normalmente, una vez que el gen ya no es necesario, las enzimas histonas desacetilasas eliminan los grupos acetilo de las histonas para que el ADN se enrolle de manera apretada y vuelva a ser inaccesible. Sin embargo, cuando hay un defecto en HDAC9, es posible que no se produzca la desacetilación. En una célula inmunitaria, esto significaría que los genes inflamatorios que se hicieron accesibles durante una infección no se rebobinan estrechamente alrededor de las histonas.


Ver el vídeo: Regulación Expresión Genica en Eucariotes (Diciembre 2022).