CONFERENCIA

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN
GÉNICA EN EUCARIONTES

Prof. Diana Cruz-Bustillo
Instituto de Gastroenterología
Profesor Titular Adjunto
Facultad de Biología

Sumario

Introducción
Niveles de la expresión génica en eucariontes
Regulación de la expresión génica a nivel de la cromatina
Regulación de la expresión génica a nivel transcripcional
Regulación de la expresión génica a nivel postranscripcional
Regulación de la expresión génica a nivel postraduccional
Niveles superiores del control génico en eucariontes
Regulación de la expresión génica a nivel traduccional

Bibliografía

CONWAY, RC AND JW CONWAY, Eds. Transcription: Mechanisms and regulation. Raven Press, New York. 1994
KAPLAN, J-C. ET M. DELPECH. Biologie Moléculaire et Médecine. 2e édition. Paris. Flammarion Médicines-Sciences. 1993.
LEWIN, B. Genes VII. Oxford University Press. 2000.


Introducción

Los eucariontes, en su mayoría, son organismos complejos. Los organismos eucariotas superiores están constituidos por numerosos órganos diferenciados, estando cada órgano constituido por diferentes tipos de célula. Sin embargo, los miles de millares de células que constituyen estos organismos provienen de una sola célula diploide y para llegar a este resultado, se ponen en juego dos procesos: la multiplicación celular y la diferenciación. La diferenciación debería ser el resultado de "encender" y "apagar" diferentes genes. Pero para obtener un organismo "funcional" no es suficiente que sus células se diferencien. También hace falta que éstas respondan de manera adecuada al ambiente. Para esto es necesario que la expresión de cada uno de los genes autorizados a expresarse para la diferenciación esté perfectamente regulado.

En las bacterias, los sistemas de regulación de expresión de los genes son relativamente sencillos, porque la regulación se limita casi exclusivamente a un control de la transcripción, traduciéndose todo mensaje transcrito inmediatamente en proteínas. El objetivo de la regulación de genes se convierte en el ajuste de la maquinaria enzimática de la célula al ambiente nutricional y físico inmediato con el fin de permitir el crecimiento y la división de la célula bacteriana. En eucariontes, la cosa no es tan sencilla. En estos organismos, el objetivo de la regulación de la expresión génica es garantizar la ejecución de las decisiones precisas del desarrollo que llevan a la diferenciación celular. En otras palabras, garantizar que el gen correcto se active en la célula correcta en el momento correcto.

Los organismos eucariotas tienen determinadas características que hacen que sus mecanismos de regulación génica sean diferentes de los procariotas. Así, vemos que del genoma eucariota, sólo el 7% del DNA es codificador. El resto del genoma está constituido por secuencias, muchas de ellas repetidas de 103 a 106 veces, a veces en tándem, cuyo rol aún se desconoce en su gran mayoría. Por ejemplo, el DNA satélite representa el 15% del genoma. El gen y la proteína eucariotas no son colineales ya que el transcrito primario del mRNA posee intrones que se pierden durante la maduración de esta molécula. Los mRNA eucariotas son monocistrónicos a diferencia de los procariotas y no poseen operones. El hecho de poseer un número diploide de cromosomas, hace que se establezcan relaciones entre los alelos.

En eucariontes, los sistemas de regulación y selección son multietapa y a menudo son arborescentes. Esto disminuye considerablemente el esfuerzo de la selección estando ya preseleccionados determinados genes en una célula dada (diferenciación). Esta preselección y la multiplicidad de niveles sucesivos de regulación permiten un ajuste de la velocidad y de la intensidad de la reacción a los estímulos. La arborescencia permite la obtención de respuestas pleiotrópicas cuando los estímulos se dirigen a un nivel elevado, es decir a las primeras etapas de la regulación y de una respuesta fina, muy selectiva y muy rápida cuando se dirigen a un nivel bajo, es decir, a las últimas etapas de la regulación. No existe, pues, un modelo general de regulación como es el caso de los procariontes sino toda una serie de posibilidades que se encadenan, desde una estructura especial de la cromatina (nivel alto de regulación) hasta una regulación postraduccional (última etapa posible de regulación).


Niveles de la expresión génica en eucariontes

Las diferentes posibilidades de regulación de la expresión génica en organismos eucariotas son:

I. Nivel de cromatina
II. Nivel transcripcional
III. Nivel postranscripcional
IV. Nivel traduccional
V. Nivel postraduccional


Regulación de la expresión génica a nivel de la cromatina

Existen cuatro subniveles de regulación al nivel de la cromatina:

1. Condensación de la cromatina: sitios sensibles e hipersensibles a la DNasa I
2. Zonas superenrolladas
3. Metilación de las citosinas
4. Reordenamiento del genoma

Condensación de la cromatina: sitios sensibles e hipersensibles a la DNasa I

La estructura cromatiniana descondensada representa, al parecer, el primer y más elevado nivel de regulación. Es a este nivel que se llevará a cabo la selección entre los genes que la célula está autorizada a transcribir y aquellos que ella no debe transcribir. La cromatina está constituida por el DNA enrollado alrededor de una serie de nucleosomas, empaquetada más relajada en las regiones que contienen genes activos. Además de los cambios generales que ocurren en las regiones activas o potencialmente activas, ocurren cambios estructurales en sitios específicos asociados con la iniciación de la transcripción o con determinadas características estructurales del DNA. Estos cambios se detectaron por primera vez gracias a los efectos de la digestión con concentraciones muy débiles de la enzima DNAsa I.

Cuando la cromatina se digiere con DNAsa I, el primer efecto es la introducción de cortes en la doble cadena en sitios hipersensibles específicos. Ya que la susceptibilidad a la DNAsa I refleja la disponibilidad del DNA en la cromatina, consideramos que estos sitios representan regiones de la cromatina en las cuales el DNA está específicamente expuesto porque no está organizado en la estructura nucleosómica usual. Un sitio hipersensible típico en la cromatina es cien veces más sensible al ataque de las enzimas. Estos sitios también son hipersensibles a otras nucleasas y a agentes químicos. Ellos representan fragmentos de DNA desprovistos de nucleosomas.

Muchos de los sitios hipersensibles están relacionados con la expresión génica. Cada gen activo tiene su sitio en la región del promotor y a veces más de un sitio. La mayoría de los sitios hipersensibles se encuentran solamente en la cromatina de las células en las cuales se está expresando el gen asociado; no se encuentran cuando el gen está inactivo. Se asume que un sitio hipersensible es el resultado de la unión de proteínas reguladoras específicas que excluyen los nucleosomas. Los factores de transcripción pueden generar sitios hipersensibles asociados a la transcripción.

Zonas superenrolladas

El superenrollamiento negativo del DNA hace que las bases estén más accesibles a las proteínas. Algunos resultados experimentales demuestran que la variación del grado de torsión del DNA se utiliza como medio para modificar el acceso de las proteínas al promotor, lo mismo en eucariontes que en procariontes, regulando así la expresión de los genes correspondientes. Las mutaciones en los genes de las topoisomerasas, que son las enzimas que crean o eliminan los supergiros, disminuyen su actividad y también disminuyen importantemente la transcripción de numerosos genes. Este efecto también se obtiene por los inhibidores de las topoisomerasas. Sin embargo, este resultado no es general, y sólo algunos genes están afectados. Las topoisomerasas implicadas en esta regulación parecen fijarse a determinadas secuencias específicas del DNA situadas antes de los promotores.

La expresión génica está asociada a la no-metilación

La metilación del DNA tiene lugar en sitios específicos. En bacterias está asociado a la identificación de una determinada cepa bacteriana y también con la diferencia entre el DNA replicado y el no replicado. En eucariontes, su función primordial conocida está asociada al control de la transcripción. Entre el 2 y el 7% de las citosinas en el DNA de las células animales está metilado (el valor varía con las especies). La mayoría de los grupos metilo se encuentran en los "dupletes" CG, y, de hecho, la mayoría de las secuencias CG están metiladas. Generalmente, los residuos C en ambas cadenas de este tipo de secuencia palindrómica están metiladas. Cuando un duplete está metilado en una sola de las dos cadenas, se dice que está hemimetilado.

Muchos genes tienen un patrón de metilación que es constante en la mayoría de los sitios, pero puede variar en otros. Una minoría de sitios está metilado en tejidos en los cuales no se expresa el gen, pero no están metilados en los tejidos en los cuales el gen se encuentra activo. Por tanto, un gen activo se puede describir como hipometilado. Un gen metilado es inactivo, pero el no metilado es activo. Una región hipometilada coincide con una región de máxima sensibilidad a la DNAsa I. La metilación en el extremo 5´ de un gen puede estar directamente relacionada con su expresión. Muchos genes no están metilados en el extremo 5´ cuando se expresan, aunque permanecen metilados en el extremo 3´. Al igual que como sucede con otros cambios en la cromatina, parece probable que la ausencia de grupos metilo esté asociada con la posibilidad de transcripción y no con el propio acto de la transcripción.

Reordenamiento del genoma

Entre los genes cuya expresión está condicionada por un reordenamiento genómico figuran los genes de determinados antígenos de superficie en el tripanosoma, los genes de las proteínas del sistema inmune y los genes que intervienen en la esporulación de la levadura (mating-type o fenotipo sexual). Los reordenamientos del DNA generan diversidad, tanto en procariontes como en eucariontes. Las consecuencias generales del reordenamiento pueden ser:

a) Crear nuevos genes como es el caso de las inmunoglobulinas, necesarias para la expresión en determinadas circunstancias.

b) El reordenamiento puede ser responsable del cambio de la expresión de un gen ya existente en otro. Esto ofrece un mecanismo para la regulación génica. Este es el caso del fenotipo sexual o esporulación de las levaduras.

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