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Control de la expresión génica en procariotas
Como repaso rápido, los procariotas, que incluyen a las Bacterias y las Arqueas, constituyen dos de los tres dominios de la vida (el último es Eukarya). Los procariotas son organismos unicelulares sin núcleo ni orgánulos (Fig. 2). Además, los procariotas tienen cromosomas circulares, en comparación con los cromosomas lineales de los eucariotas. Al no haber límites establecidos por orgánulos, esto significa que la expresión génica y su regulación en procariotas se producen en el citoplasma.
La expresión génica es fundamental para adaptarse a los cambios ambientales. Al igual que los eucariotas, los procariotas también deben adaptarse a los cambios ambientales, como la disponibilidad de alimentos, la depredación, la temperatura, la salinidad y el pH. Esto requiere un control estricto de la expresión génica. Debido a sus cromosomas circulares, los procariotas pueden transcribir múltiples genes en una sola molécula de ARN mensajero (ARNm). El grupo de genes que se sintetizan en un único ARNm se denominan operones. Un ejemplo de operón es el operón del triptófano(trp) , compuesto por cinco genes regulados por un único promotor. Los cinco genes del operón están todos relacionados con la producción de triptófano y los productos génicos trabajarán juntos para aumentar la síntesis de triptófano.
Mecanismo de expresión génica en procariotas
Para comprender los mecanismos de la expresión génica en procariotas, es importante describir todos los componentes de la maquinaria de transcripción procariota y dentro del operón.
El promotor es la región de ADN adyacente a los genes que controla la actividad de la transcripción. A menudo hay una región de ADN llamada operador que se encuentra entre el promotor y los genes. Tanto en el promotor como en el operador, diferentes proteínas pueden unirse a una u otra región para activar o reprimir la expresión génica, respectivamente (Fig. 3).
En general, las proteínas que se unen al promotor se denominan activadoras , mientras que las proteínas que se unen al operador se denominan represoras. Juntas, estas dos proteínas son ejemplos de una clase de proteínas llamadas factores de transcripción que se unen a regiones del ADN y controlan su transcripción. Si recordamos los mecanismos de la transcripción, la ARN polimerasa se une al promotor para iniciar la transcripción. Sin embargo, si un represor se une al operador, bloqueará el camino de la ARN polimerasa impidiendo así la transcripción (Fig. 4).
Es importante destacar que las proteínas represoras y activadoras suelen ser fabricadas por las propias células para que éstas puedan regular su propia transcripción en función de las necesidades actuales de la célula. Por ejemplo, si hay abundancia de triptófano en el entorno, la proteína puede sobreexpresar un represor que se unirá al operador para impedir que se fabrique más triptófano. Esto es útil para no malgastar energía sintetizando moléculas que ya abundan en el entorno. En este caso, el triptófano es un inductor que puede interactuar con el activador o el represor para controlar la transcripción.
Un inductor es una molécula que interactúa con el activador o el represor para controlar su actividad.
En cambio, algunos genes necesitan expresarse siempre para que la célula sobreviva. Por ejemplo, las proteínas implicadas en la reparación del ADN, la transcripción, la traducción y el metabolismo necesitan estar constantemente disponibles, de lo contrario, la célula morirá. Los genes que codifican estas proteínas se denominan genes de mantenimiento, que no están regulados por activadores ni represores.
Los genes que dependen de las señales ambientales están controlados por activadores y represores, mientras que los genes de mantenimiento no lo están.
Regulación de la expresión génica en procariotas
La regulación de la expresión génica en procariotas puede clasificarse en regulación positiva o regulación negativa. Generalmente, durante la regulación negativa, existe una competencia entre la ARN polimerasa y el represor que impide que la ARN polimerasa transcriba los genes procariotas. En cambio, durante la regulación positiva, el activador recluta a la ARN polimerasa a la región promotora para iniciar la transcripción.
También hay otros elementos reguladores situados lejos del operón, aguas arriba o aguas abajo, que pueden influir en la expresión de los genes procariotas. ¿Cómo pueden algunos elementos reguladores estar tan lejos y aún así influir en la transcripción? La respuesta es mediante bucles de ADN. Al igual que los eucariotas, el ADN procariota se retuerce y enrosca para conservar el espacio y caber dentro de la célula. Este bucle permite que los elementos reguladores situados lejos del operón puedan interactuar con la ARN polimerasa (Fig. 5).
Elementos reguladores: Proteínas especializadas que regulan la expresión de los genes. Ej. histonas
Recuerda: Corriente arriba significa hacia el extremo 5' de la cadena codificante, mientras que corriente abajo significa hacia el extremo 3'.
Alteración de los patrones de expresión génica en procariotas
En esta sección, nos sumergiremos en dos ejemplos de operones para consolidar nuestra comprensión de la regulación génica procariota y examinar más a fondo cómo puede cambiar la regulación en función del entorno externo. Estos dos ejemplos serán el operón del triptófano (trp) y el operón de la lactosa(lac) .
Operón del triptófano(trp)
El triptófano es uno de los veinte aminoácidos que utilizan muchas bacterias para construir proteínas. Sin embargo, las bacterias son muy eficientes y no les gusta desperdiciar nutrientes. Cuando hay abundancia de triptófano en el medio ambiente, las bacterias desactivan el operón trp y utilizan el triptófano ambiental para construir proteínas. Por el contrario, cuando hay poco triptófano en el ambiente, las bacterias activarán el operón trp para codificar enzimas que sinteticen triptófano. El patrón de alteración de la expresión génica del operón del triptófano se produce dentro de la región promotora y operadora.
El operón trp está compuesto por una región promotora, una región operadora y cinco genes que codifican enzimas responsables de la síntesis de triptófano. En un momento dado, existen dos estados posibles de la regulación del triptófano
El promotor está unido por la ARN polimerasa y seactiva la expresión del gen trp .
El operador está unido por proteínas represoras y la expresión del gen trp está desactivada.
En el primer estado del operón trp, cuando la concentración ambiental de triptófano es baja, la ARN polimerasa se une a la región promotora, que puede iniciar la transcripción de los cinco genes trp en un ARNm único. Este ARNm puede traducirse en proteínas que ayudarán a sintetizar triptófano.
En cambio, cuando la concentración ambiental de triptófano es elevada, la célula absorberá triptófano del entorno. Dos triptófanos se unirán entonces al represor haciendo que éste sufra un cambio conformacional que permita a la proteína represora unirse a la región operadora. Debido a la proximidad entre el promotor y la región operadora, cuando la proteína represora se una a la región operadora, bloqueará la unión de la ARN polimerasa al promotor. Por lo tanto, no será posible la transcripción de los cinco genes trp.
El punto clave es que el triptófano ambiental regula la expresión de los cinco genes trp. Cuando el triptófano ambiental es bajo, el triptófano no estará disponible para unirse al represor. En cambio, cuando el triptófano ambiental es alto, el represor se activará para impedir la transcripción.
- TRIPTÓFANO DISPONIBLE → SE UNE AL REPRESOR → REPRESOR ACTIVADO → GENES DESACTIVADOS → TRP NO PRODUCIDO
- TRIPTÓFANO NO DISPONIBLE → REPRESOR NO UNIDO → REPRESOR DESACTIVADO → GENES ACTIVADOS → TRP PRODUCIDO
Operón de la lactosa(lac)
Al igual que el operón trp, el operón lac se compone de tres genes que se transcriben en un único ARNm. El operón lac es importante para transportar la lactosa al interior de la célula y descomponerla para obtener energía. Es importante destacar que la lactosa sólo se utiliza como fuente de energía cuando no hay glucosa disponible. Por lo tanto, sólo cuando la glucosa es baja en el entorno y la lactosa es alta, se activará el operón lac.
El represor de la lactosa suele unirse a la región del operador cuando la lactosa es baja y sólo se libera cuando la lactosa está presente. Cuando el represor de la lactosa se une al operador, bloquea la ARN polimerasa y el operón se desactiva para impedir la transcripción de los tres genes lac. Sin embargo, si la lactosa es elevada, pequeñas cantidades de lactosa se descompondrán en alolactosa en la célula. La alolactosa se unirá al represor de la lactosa para inducir un cambio conformacional que hará que el represor lac se libere del operador. Una vez liberado, la ARN polimerasa puede iniciar la transcripción del operón lac.
Sin embargo, la ARN polimerasa por sí sola no puede unirse eficazmente a la región promotora del operón lac. Necesita otra proteína activadora llamada proteína activadora de catabolitos (CAP ) para unirse al sitio de unión CAP que se encuentra aguas arriba de la región promotora. Si se unen ambas CAP, mejorará la unión de la ARN polimerasa a la región promotora del operón lac, lo que permite que se produzca la transcripción. La unión de la proteína CAP al sitio de unión CAP está regulada por la disponibilidad de glucosa. Cuando la glucosa es baja, la célula producirá una molécula llamada AMP cíclico (AMPc). El AMPc puede entonces unirse a la CAP para inducir un cambio conformacional que permita a la CAP unirse al sitio de unión de la CAP. De este modo, tanto el AMPc como la alolactosa actúan como inductores para inducir un cambio conformacional en la CAP y en el represor lac, respectivamente.
Por lo tanto, el escenario óptimo para la transcripción del operón lac se produce cuando hay poca glucosa (unión de CAP) y mucha lactosa (represor lac desactivado).
- ALOLACTOSA DISPONIBLE → REPRESOR DESACTIVADO → GENES LAC ACTIVADOS
- ALOLACTOSA NO DISPONIBLE → REPRESOR ACTIVADO → GENES LAC DESACTIVADOS
- GLUCOSA BAJA → AMPc DISPONIBLE → AUMENTO DE LA ADHESIÓN A LA PAC → GÉNES LAC ACTIVADOS
- GLUCOSA ALTA → AMPc NO DISPONIBLE → DISMINUCIÓN DE LA ADHESIÓN A LA CAP → GÉNES LAC APAGADOS
Diferencia entre la expresión génica en eucariotas y procariotas
A continuación se presenta un resumen de las diferencias entre la expresión génica procariota y eucariota (Tabla 1).
| Expresión génica procariota | Expresión génica eucariota | |
| Localización | Tanto la transcripción como la traducción se producen en el citoplasma. | La transcripción se produce en el núcleo y la traducción en el citoplasma. |
| Momento | La transcripción y la traducción ocurren simultáneamente. | La transcripción y la traducción ocurren secuencialmente. |
| ARN polimerasa | Una única ARN polimerasa. | Tres ARN polimerasas únicas. |
| Genes por ARNm | Organizados en operones donde varios genes pueden transcribirse en un único ARNm. | Un gen se transcribe en un único ARNm. |
| Intrones | Sin intrones (segmentos de genes no codificantes). | Contiene intrones (segmentos de genes no codificantes). |
| Regulación de la expresión génica | La regulación sólo se produce durante la transcripción. | La regulación puede producirse durante la transcripción, la post-transcripción, la traducción, la post-traducción y epigenéticamente. |
Expresión génica procariota - Puntos clave
- Los procariotas son organismos unicelulares sin núcleo ni orgánulos.
- La regulación de la expresión génica en procariotas puede clasificarse en regulación positiva o regulación negativa.
- Generalmente, durante la regulación negativa, existe una competencia entre la ARN polimerasa y el represor que impide que la ARN polimerasa transcriba los genes procariotas.
- Durante la regulación positiva, el activador recluta a la ARN polimerasa a la región promotora para iniciar la transcripción.
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