Regulación de la expresión génica en procariotas y sus virus

Existen numerosos mecanismos de control de la expresión génica, los cuales son responsables de la actividad diferencial de los genes en las distintas etapas del ciclo de vida de un organismo, en función de sus condiciones fisiológicas o ambientales. Esta actividad diferencial se observa también en distintas células o tejidos de organismos pluricelulares.

El modelo del operon bacteriano de Jacob y Monod fue el primer mecanismo descrito de regulación coordinada de la expresión de varios genes implicados en una ruta metabólica.

Operon lac.

E. coli crece en el medio cuando hay glucosa. Pero si no la hay y sí hay lactosa, crece con lactosa. La lactosa se descompone gracias a la beta-galactosidasa en galactosa y glucosa.

Jacob y Monod comprobaron que cuando en el medio había lactosa aumentaba la concentración intracelular de beta-galactosidasa y cuando no la había disminuía su concentración. Además, de la galactosidasa se producían dos proteínas: permeasa que introduce la lactosa en el interior de la bacteria y la transacetilasa.

Cuando la lactosa hace que se produzcan estas proteínas se produce la inducción formando sus compuestos fundamentales. Los compuestos que hacen que una bacteria exprese una determinada serie de proteínas se les llama inductores.

Jacob y Monod vieron que había moléculas que no podían ser degradadas por la beta-galactosidasa pero que inducían estas proteínas, así vieron que no era la beta-galactosidasa la que se unía al inductor produciendo su lisis sino que había un elemento intermedio que era el que realizaba la inducción.

Los genes los llamaron:

  • Z: beta-galactosidasa
  • Y: permeasa
  • A: transacetilasa

Vieron que en mutantes en los que el gen I, que es la región que controla la inducibilidad de las enzimas lac, no se expresa, era -, se expresaban siempre las enzimas tanto en presencia de inductor como sin su presencia. Estos mutantes se llaman constitutivos.

Experimento Pajamo

Introdujeron en una estirpe I-Z- un plásmido de una estirpe I+Z+. Cuando entraba medían la actividad de la beta-galactosidasa y supusieron que la beta-galactosidasa comenzaba a la producir proteína pero a la hora la actividad disminuía. Con lo que concluyeron que I+ formaba su proteína y reprimía a Z.

I+ era un represor porque reprimía la actividad de Z. Si se añade inductor la actividad de la galactosidasa aumenta y se anula la actividad represora de I.

Hicieron mutantes de I, y a uno de ellos lo llamaron Is que eran más dominantes en trans sobre los alelos I+ e I-, esta mutación elimina la respuesta al inductor, porque altera el sitio de unión estereoespecífico y destruye la unión con el inductor. Es un fenotipo superrepresor.

Su teoría fue, si los genes Z, Y y A, se inhiben o se expresan a la vez deben de estar adyacentes en el cromosoma, es decir, se transcriben en el mismo RNA siendo este policistrónico o poligénico.

El gen I sintetiza un represor que cuando no hay inductor se une al ADN, así la ARN pol no puede transcribir los genes, no se produce el ARNm y no hay proteínas. En presencia de un inductor, se une al represor y éste se inactiva, no se une al DNA y la ARN pol sintetiza el mRNA y las proteínas.

Si hay un represor que omita que se le una un inductor, es el caso de Is, el represor reprimir . Pero entonces debe haber una zona del DNA donde se una R a la que llamaron operador, donde se une un represor o elemento de control.

Operador constitutivo: se expresa siempre, el represor no se une y el DNA se transcribe y se sintetizan todas las proteínas. A esta mutación se le llama Oc.

El operador controla un grupo de genes llamado Operón. Es un grupo de genes que se transcriben en un RNA policistrónico, hay que demostrar que estas mutaciones se dan en la realidad, para ello emplearon merodiploides. Como la falta de función complementa se demuestra que hay varios genes implicados.

El promotor es la secuencia de ADN que rige la transcripción de un RNAm. Las mutaciones de promotor dominan en cis ya que regula la transcripción de genes adyacentes.

Tipos de control

  • Control inducible: en presencia de inductor hay expresión.
  • Control negativo: en ausencia de proteína represora el operón se expresa
  • Control positivo: en ausencia de proteína reguladora no hay expresión.
  • Control reprimible: en presencia de una mol‚cula efectora no hay expresión.

Así en el operon hay un control positivo subyacente al control negativo.

Otro sistema de regulación es que los organismos adaptados a la respiración aerobia, en presencia de glucosa y de lactosa, en primer lugar usan la glucosa. La bacteria sabe que hay glucosa en el medio porque al aumentar la concentración de glucosa disminuye la de AMPc, y cuando hay poca glucosa la concentración de AMPc aumenta, aunque no se sabe porqué.

Operón triptófano

El triptófano es un aminoácido cuya síntesis se realiza principalmente en diversos operones. Yanofsky estaba estudiando muy de cerca este operón. Vio que este operón estaba formado por varios genes, además, observó que cuando había una alta concentración de Trp no había expresión de los genes, pero que cuado la célula lo necesita, se expresaban los genes.

Es diferente de la lactosa: si tenemos Trp no necesitamos más enzimas, y si no lo hay sí.

El represor de este operon necesita triptófano para poder actuar. El represor es inactivo de por sí, si se le une Trp se inhibe la transcripción con lo que tenemos un control negativo, y cuando el efector se une al represor para reprimir es un sistema reprimible.

En este operon hay un gen que se inducía, el TrpR+. Se aisló un mutante que tenía diez veces más ARNm, y cuando él fue a mirar a su ARNm descubrió que su mutante tenía una deleción, un atenuador que cuando estaba atenuaba la expresión.

En el ARNm había una zona líder que contenía el atenuador, era un ARNm pequeño que estaba en altas concentraciones. Descubrió que un pequeño péptido correspondiente a esta secuencia se traducía, mirando su secuencia comprobó que había dos Trp, cosa que era rara ya que el trp es un aminoácido muy raro. Si había una baja concentración de triptófano la transcripción continúa. Si los niveles de Trp eran altos, lee rápido y se une al represor.

Regulación del sistema SOS

Presenta la represión múltiple: lex A reprime una serie de operadores. Cuando no hay daños en el DNA el sistema est inactivado, el represor Lex A, se une a los operadores de lexA, recA, uvrA, uvrB y algunos otros genes, manteniendo la síntesis de mRNA y proteínas en los niveles bajos característicos de las células no inducidas.

Si hay daños en el DNA se activa la respuesta SOS, la proteína RecA se une al ADN unicatenario que está enfrente de la mella, se activa entonces su actividad proteolítica y rompe el represor Lex A. En ausencia de represor, los genes controlados por lex A se activan y aumenta la tasa de síntesis de proteínas.

Fago lambda

Es un fago atemperado y por lo tanto debe decidir cuando entra en lisis o en lisogenia. Cuando lambda entra en la c‚lula se producen dos proteínas N (antiterminadora que hace que los mensajeros de N y de cro se alarguen produciendo así otras proteínas como CIII y CII) y cro: proteína represora que se une al operador de CI. CI es el represor de la lisis con lo que si cro se une a CI se produce la lisis.

  • cro también se une al operador de N y otros genes que se transcriben y que producen proteínas para la lisis de la célula.
  • CII es un es un activador que se puede unir al promotor del establecimiento. Si llega con el suficiente tiempo se produce un mensajero que hace que CI se exprese y no haya lisis.

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