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12010 Enrique Castro
Regulación de la expresión génica: genoma y proteoma
Regulación de la expresión génica: genoma y proteoma
Funciones codificadas por genes humanos
Control génico:• Qué genes se expresan
• En qué momento
• Con qué pauta temporal
Regulación:40-50%
Tipos de genes:• Constitutivos
• Inducibles
• Represibles
Esquema de diferenciación tisular
Programas de diferenciación celular
22010 Enrique Castro
Regulación de la expresión génicaRegulación de la expresión génica
Gen
Transcripción
Procesamientopost-transcripcional
Traducción
Modificaciones post-traducionales
Proteolisis
Hidrólisis del mRNA
nucleótidosTranscrito primario
mRNA maduro
Proteína(inactiva)
Proteína(activa)
aminoácidos
Funciones fisiológicas
Expresión génica
biosíntesis degradaciónEstado estacionario
Todos los procesos son
regulados
32010 Enrique Castro
Control de la expresión génica en procariotas: operones bacterianos
Control de la expresión génica en procariotas: operones bacterianos
Proteína unida:transcripción bloqueada
Disociación: alivio de la inhibición
Nivel basal de transcripción elevado
Regulación por represión Proteínas de control simples
Organización génica en operones:Unidad de transcripción policistrónicaSecuencias de control únicasControl conjunto por represor
Acoplamiento Transcripción/Traducción:Regulación conjunta
42010 Enrique Castro
Control génico en eucariotas: características generalesControl génico en eucariotas: características generales
Integración Control combinatorioControl alternativo
proteoma>>genoma
Mecanismo principal: control de la estimulación
de la iniciación
Transcripción(núcleo)
citoplasma
HistonasrRNA
Silenciamiento génico(epigenético)
Nivel basal de transcripción nulo Cromatina muy condensada Acceso al promotor restringido
Regulación por activación Organización jerárquica
Organización génica dispersa unidades de transcripción monocistrónicas Control individualizado de genes Señales de control múltiples Proteínas reguladoras complejas
Procesamiento del transcrito Variabilidad en splicing
Desacoplamiento transcripción/traducción Transporte al citosol regulado Regulación de la traducción Mecanismos de regulación
Dosis génica Metilación del DNA Condensación de la cromatina Control de la iniciación Regulación de la elongación/terminación Splicing alternativo Edición del mRNA Transporte nucleocitoplasmático Estabilidad del mRNA Interferencia génica (iRNA) Regulación de la síntesis de proteínas
52010 Enrique Castro
Empaquetamiento DNA/Histonas:promotores inaccesibles a factores TAF, RNApol elementos reguladores
Para la transcripción, el DNA debe remodelarse sin llegar a desorganizarse
El empaquetamiento de los cromosomas metafásicos bloquea todo acceso al DNA
Condensación de la cromatina y transcripción Condensación de la cromatina y transcripción
Cromatina activa:• Pobre en H1• Poco metilada (CpG)• Rica en HMGs• Histonas acetiladas
Sensibilidad a la DNasa I(promotor: sitios hipersensibles)
62010 Enrique Castro
El código de histonasEl código de histonasModificaciones conocidas de histonas
Efectos de la modificación
72010 Enrique Castro
Cromatina condensada No hay transcripción
Cromatina relajadaSi hay transcripción
Acetilación de histonas: condensación de cromatinaAcetilación de histonas: condensación de cromatina
HAT
HDAC
Acetilación de histonas• Relaja unión DNA al nucleosoma• Promueve unión de TFs• Proporciona sitios de unión para reguladores
(unión a bromodominios)• Complejos de acetilación/desacetilación
DNA unido laxamente
Acetilación
Bromodominios se unen a Ac-histonas
82010 Enrique Castro
Complejos reorganizadores de la cromatina Complejos reorganizadores de la cromatinaCambio conformacional
ATP-dependiente
HAT
HDAC
HAT
HDAC
actividad oligómeropCAF/SAGA HAT >20mSIN3 HDAC >10SWI/SNF Remodelado >11
Reclutados por transactivadores/ mediador/co-mod pCAF
mSIN3
Subunidades compartidas con Mediador/THIID
Actividades enzimáticas• Reorganización del nucleosoma• Acetilación de histonas
Reclutados por• Trans-moduladores• Co-moduladores• Mediador
HATsHDACs
Represión: Desacetilación
Ensamblaje: HATs B CAF1 (H3/H4) NAP1 (H2A/H2B)
Activación: Acetilación
92010 Enrique Castro
Silenciamiento génico por metilación del DNASilenciamiento génico por metilación del DNA
102010 Enrique Castro
Amplificadores: TransactivaciónAmplificadores: TransactivaciónElementos potenciadores Exones
intrones y UTRs-200 -30
-10 / -50 kb+10 / +50 kb
PIC Complejo de preiniciación GTFs + RNApolProteínas reguladoras unidas a
elementos de controlTransactivadores
Interacción activadora:Mediador/TFIID
Co-activadoresCo-represores
TFIID:•TBP•11 TAFs
Mediador:•>20 subunits•unido a CTD
•Se unen al PIC•Reclutan transactivadores•Reclutan remodeladores
Acción a distancia: Mecanismo de bucle
Unión a surco menor:curva en DNA dúplex
cooperativas
112010 Enrique Castro
Amplificadores eucarióticos: elementos cis Amplificadores eucarióticos: elementos cis
Núcleo del promotor:(core promoter)
Próximo a +1 Unión de RNApolII
ATFGTGACGTATF
NF-κBGGGACTTTCCκB
Oct-1ATTTGCATOctámero
SP1GGGCGGGC boxC/EBP, CTF1GGCCAATCTCAAT box
factors. consensoelemento
RAR/RXRAGGTCAN5AGGTCARARE
GRAGAACAN3TGTTCTGRE
SRFSRF
AP-1TRE
CREBCREfactorsec. consensoHRE
•Todos los anteriores +•Elementos de respuesta
a hormonas choque térmico (HSTF)
•TATA•GC-box•Inr
Elementos proximales:Posición cercana (hasta -200 pb)Siempre 5’Orientación fijaAfectan al promotor inmediato
Amplificadores:Elementos distales (0.1-50 kb)5’, 3’ y en intronesOrientación bidireccionalControlan grupos de genes
122010 Enrique Castro
Elementos trans: Factores de TranscripciónElementos trans: Factores de Transcripción
Dominios de unión a DNA (DBDs):α-hélice protrusiva Contactos con surco mayorUnión a secuencias específicasSin desaparear bases(sin desenrollar)
Muy conservados80% en tres categorías
•HTH•Dedos de Zn•bZIP
Función: Unión a elementos de control cis (DNA) Regular iniciación
Estructura: Modulares
D. unión a DNA (DBD)D. de activación (AD)Interacción proteína-proteína
Diméricos
AD DBD SP1
AD DBD LBD GR
DBD AD Gal4
reclutamientoactivaciónrepresión
N C
α-hélice ≈1.2 nm Surco 1.2 x 0.6-0.8 nm
No existe un código constanteImposible predecir secuencias
Integracióncombinatoria
surco menor
surco mayor
132010 Enrique Castro
Estructuras de dominios DBDEstructuras de dominios DBDHomeodominio
Dedos de Zn
C2H2
Cx
≈20 aa
≈60 aa
≈30 aa
≈60 aa
SP1
NR
Interacción proteína-proteína
≈60 aa
bZIP:Cremalleras de leucina básicas
hélice-giro-hélice(HTH)
142010 Enrique Castro
Dominios de transactivaciónDominios de transactivaciónDominios de transactivación:
Diversidad estructural Cambio conformacional por unión a DNA Interacción con co-activadores
(reclutamiento)
Tipos de dominios Acídico Rico en Q Rico en P Rico en S y T
Hidrofóbicos Básicos
Se pueden intercambiarmódulos en proteínas quiméricas
Ovillo α-hélice anfipática
Un dominio AD rico en P transactiva desde un elemento GC
Represión
muy potente promiscuo (todo tipo de genes)
152010 Enrique Castro
TransrepresiónTransrepresión
Construcción del complejo de amplificación impedida
No hay transcripción
AP-1SRF
-1 kb
RepresorWT-1
Elementos de control
Esencial en el desarrolloTumores posteriormente
Ejemplo: tumores de Wilms
Inverso funcional de la trans-activación
Esencial para una red de control
Mecanismos de represión: Competición por unión al DNABloqueo de dominios ADBloqueo del reclutamiento de
•Co-activadores•TFIID/Mediador•GTFs
Reclutamiento de remodeladores compactación/desacetilación
Gen EGR-1
162010 Enrique Castro
Mediadores del Mediador: coactivadores y corepresores
Mediadores del Mediador: coactivadores y corepresores
CBP/p300
TAFs
CAF
Med
Los transactivadoresNO se unen a PIC:Proteínas de intermediación
Remodelación
Unión a Histona-Ac(cromatina activa)
EstabilizaciónReclutamientoUnión a trans-moduladores
Unión a Inr etcpromotores sin TATA
Subunidades compartidas entre complejos TFIID/ Mediator/ pCAF(SAGA) etc
Papel Central
Red compleja de interacciones proteína-proteína
Co-moduladores: Centros de interacción (construcción del complejo proteíco)
Reclutamiento de otros factores(Remodelamiento/HAT)
TFIID/TAFs: Similar a histonasBromodominiosInteracciones proteína-proteínaReconocimiento de promotorConstrucción de PIC
Mediador: Multimérico (20 p)Interacciones proteína-proteínaReclutado sobre PIC-CTD
Co-activadores:N-CoA, CBP/p300Co-represores: N-CoR
172010 Enrique Castro
Regulación génica: Integración cooperativa de señales
Regulación génica: Integración cooperativa de señales
Complejo multiproteico:“Enhanceosome” Potenciosoma?
Regulación del gen de la transtiretina en hepatocitos
Puntos de inicio alternativos Construcción por reclutamineto Construcción cooperativa
Generales +
específicos de tejido
GTFs
Compleja red de interacciones
Trans-moduladores
co-moduladores TFIID
Mediator
RNApol IIPIC
remodelación
182010 Enrique Castro
Integración combinatoria de señalesIntegración combinatoria de señales
AP-1: combinacionesde fos/jun/otros
El orden puede ser significativo
Puede combinarse con represores
repeticionessimetría
Aumento factorial de las opciones de regulación Diméricos: Homo/Heterodimerización
Reconocimiento de señales cis
Interacciones proteína-proteína
192010 Enrique Castro
Regulación de los factores de transcripciónRegulación de los factores de transcripciónRegulación de la unión al DNA por:
Expresión diferencial (inducción) Fosforilación/desfosforilación Unión de ligandos Localización/secuestro
inactivo
activo
PP
ATP
ADPP
P
P
inactivo
activo
Síntesis proteica
Unión de ligandos
Fosforilación/ desfosforilación Localización/ secuestro
CREBSRF
E2F/Rb NF-κB NF-AT Notch
proteolisiscitosol citosol
núcleo núcleo
fosjun
NR(ER,TR.RAR)La expresión génica
es controladapor señales celulares
202010 Enrique Castro
Regulación génica: organización jerárquicaRegulación génica: organización jerárquica
Organización jerárquica: Cascadas de reguladores
Regulación alternativa: Varias rutas para cada gen Activación/represión coordinadas
No transcripciónSupresión de proteínas activasProteínas activas
Respuesta fisiológica celular
Señal
Activación del regulador primario
Uniónal DNA
(y otras acciones)
Expresión de un nuevo regulador que controla varios genes
Expresión de reguladores secundarios
Trans-activación Trans-represión
212010 Enrique Castro
1 ER553
1 PR946
1 GR777
1 TR408
1 RAR432
1 VDR427<185 aa
>185 aa
SF. de Receptores Nucleares: zonas conservadasSF. de Receptores Nucleares: zonas conservadas
Largos: Homodímeros
unión DNA68-68 aa42-94%
unión ligando225-285 aa
15-57%
C D E FA/BH2N- -COOH
variable100-500 aa
DBD LBD
AF1 AF2CoR
CoA
Cortos: Heterodímeros
222010 Enrique Castro
Estructura de Receptores NuclearesEstructura de Receptores Nucleares
DBD
LBD
“bisagra”
DNA
Reconocimiento de secuencias diana de DNAespecíficas
Unión de LigandoHomo/hetero-dimerizaciónTrasactivación trascripcional
Rotación de homo/herodímerosRepresión
232010 Enrique Castro
C D E FA/BH2N- -COOH
C4
C5
caja P
caja D
Dedos de Zn: Unión al DNA
Estructura de los dominios DBD Estructura de los dominios DBDCaja D:Dimerización
Caja P:unión a hemi-elementohexámero HRE
242010 Enrique Castro
(MR, PR, AR)
palindrómicos
secuencias consenso HRE
DR4
DR3
DR5
Unión al DNA: Elementos de Respuesta a Hormonas (HREs)Unión al DNA: Elementos de Respuesta a Hormonas (HREs)
Repetiticiones directas
GR dimérico
RXR TR
RAR
RXR
DR3
DR4
DR5
Espaciado impone geometría de dimerización
252010 Enrique Castro
apo-LBD(desocupado) holo-LBD
(ocupado)Interfaz de dimerización,Heptadas hidrofóbicas H9-H10
vista axial
H10
H10
H9
H9
AF-2τc
φφXEφφ Bolsillo hidrofóbicounión LXXLL
LysGlu
Estructura del dominio de unión a ligandoEstructura del dominio de unión a ligando
Activación de receptores nucleares:Cambios conformacionales inducidos por ligando
262010 Enrique Castro
Reclutamiento de comoduladoresReclutamiento de comoduladores
Familia p160: co-activadores• N-CoA / SRC1• GRIP1 / TIF2
Familia co-represores• N-CoR • SMRT
Unión a la bisagra
Unión de motivos LXXLL / AF-2
bHLH PAS Unión a NR Unión a CBP/p300
MotivosLXXLL
efecto hidrofóbicointeracción iónica
272010 Enrique Castro
Inhibición por tamoxifenInhibición por tamoxifen
Motivo φφXEφφ fuera de lugar
ACTIVO
INACTIVO
282010 Enrique Castro
R. glucocorticoides RAR
RXR
DR3 DR5
Receptores Nucleares: DimerizaciónReceptores Nucleares: Dimerización
292010 Enrique Castro
Receptores nucleares: especificidadReceptores nucleares: especificidad
RXR silente RXR activo Orientación de hemisitios Espaciador Desviaciones de la secuencia consenso
302010 Enrique Castro
Acciones de los Receptores nuclearesAcciones de los Receptores nucleares
ProliferaciónDiferenciaciónMorfogénesis
Proteínas de Respuesta secundariaProteínas de
Respuesta primaria
Acción
Activación de receptores nucleares
Unión al DNAtranscripción
Esteroides:Glucocorticoides: Reacción estrés, Gluconeogénesis, lipolisis
Mineralcorticoides: Transporte Na+, K+ y Cl- en riñón Andrógenos/estrógenos: C. sexuales, ciclo menstrualProgestágenos: gestación
Tiroideas: Metabolismo basal, desarrolloRetinoides (Vit. A): Retina, epitelios, morfogénesisVitamina D: Metabolismo del Ca2+ (intestino y hueso)
represión
activación
Factores de transcripción
312010 Enrique Castro
Regulación transcripcional por R. NuclearesRegulación transcripcional por R. Nucleares
322010 Enrique Castro
Controles de largo alcanceControles de largo alcance
ε: saco vitelinoγ:hígado fetalβ,δ:médula ósea adulta
LCR: compactaciónde la cromatina
Sólo activado en células eritroides
Cada gen tiene controles individuales
Actúan por unión de proteínas
Controles de grupos génicos• Afectan a grupos de genes coordinados• Remodelado de la cromatina
Aisladores (elementos frontera)• Limitan acción de amplificadores• Previenen efecto de posición
Deleción causa talasemia
332010 Enrique Castro
Regulación de la expresión génica:Edición del mRNA maduro
Regulación de la expresión génica:Edición del mRNA maduro
conversión en codón stop
hígado intestino
No se une a LDL-RNo cede colesterol
Se une a LDL-RCede colesterol a tejidos periféricos
Dominio de unión a LDL-R
Desaminación:CUAI
Edición:Cambiar la secuencia del mRNA maduroMuy frecuente en mitocondrias y cloroplastos
Mecanismo de edición: Modificación de bases in situReconocimiento de secuencia por RNA
Apo-B100 (500 kD): hepatocitosApo-B48 (240 kD): intestino
iGluR(AMPA)Permeabiliadad al Ca2+
(plasticidad sináptica: memoria)
Apolipoproteína B
342010 Enrique Castro
Estabilidad del mRNA: opciones de regulaciónEstabilidad del mRNA: opciones de regulación
Regulacion de la estabilidad del mRNA de TfR por Fe
IRE-BP activa (no Fe)protege de la degradación
Secuencias AUUUA repetidas en 3’UTRReconocimiento por nucleasas
mRNA
5’cap 3’ UTR 3’ Poli-A
Estable
Lábil
Señal de degradación rápida
Unión específica a secuencias de bucle IRE
Recambio constitutivo:mRNAs son muy estables en eucariotasDegradación por sistema enzimático específico
Degradación regulada: Aumento de degradación: señal 3’UTR
•citoquinas•Genes inmediatos tempranos
Aumento de estabilidad•sistema caseina/prolactina•sistema TfR/Hierro (IREs )
352010 Enrique Castro
Degradación citosólica constitutiva del mRNADegradación citosólica constitutiva del mRNA
Degradación lenta progresiva de cola poli-A
Acelerada por señales de AUUUA en 3’UTR
Reclutamiento de endonucleasa específica
Señales codificadas en 5’UTR y 3’UTR
Recambio: vía acelerada
Recambio: vía principal
362010 Enrique Castro
Regulación de la traducción: represión traduccionalRegulación de la traducción: represión traduccional
Fe disponible para Fe-enzimas
Fe secuestrado por ferritina
Elementos IRE en 5’ UTR
Unión de IRE-BP previene iniciación de traducción
No modifican degradación
Represores 3'UTR: Unión al mRNA, bloqueo de eIFs
Represores 5'UTR: Elementos IRE
Secuestro de eIF2: p-eIF2 unido a eIF2B Quinasa eIF2: HCR Co-regulación
globina-hemo
372010 Enrique Castro
Insulina, mTOR y síntesis de proteínasInsulina, mTOR y síntesis de proteínas
mTORGL raptor
mTORGL rictor
PKB
eIF-4GPAB
eIF-4E
eIF-4A
Mnk1eIF-4E
eIF-4E
4E-BP
p70 S6K
eEF2-K
eEF2Subunidad
40S
rpS6P
4E-BPP P P
P
P PP
P
estimulación
actividadquinasa
Desfosfo-eEF2 activo elongación de
proteínas
X
Traducción 5'TOP mRNAsBiogénesis de ribosomas
raptor/rictor:Especificidad de sustratos
Otrasacciones
Complejo de iniciación (eIF3/mRNA) Ensamblaje de ribosoma funcional Traducción de 5'cap-mRNAs(genes estructurales: proteínas )
mRNA
ERKs
InsulinaInsulina promueve elcrecimiento celular
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