CONFERENCIA

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN
GÉNICA EN EUCARIONTES

(continuación, pág. 2)

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


Regulación a nivel transcripcional

La transcripción de un gen en estado activo está controlada en la iniciación por la interacción de la RNA polimerasa con su promotor. En la mayoría de los genes, éste es el punto de control más importante. Probablemente sea el nivel más común de regulación. Hasta el momento no existen evidencias de control en otras etapas de la transcripción en las células eucariotas, como por ejemplo, mediante mecanismos de antiterminación. La regulación de la transcripción de un gen especifico de tejido es la base de la diferenciación eucariota, como por ejemplo, las proteínas que regulan el desarrollo embrionario que no son más que factores de transcripción.

La regulación de la expresión de genes a nivel transcripcional, se subdivide en:

1. Regulación en cis
2. Regulación en trans


Regulación en cis

Un elemento regulador en cis es una secuencia contigua a un gen que tenga tiene un efecto regulador sobre la tasa de transcripción de ese gen. En los eucariontes las secuencias necesarias para la regulación de la transcripción se remontan mucho más en la dirección 5' que el promotor, a veces varias decenas de kb antes del sitio de iniciación, como indica la siguiente figura:

En esta región se encuentran toda una serie de elementos sobre los cuales se fijan los factores anteriores, como por ejemplo, las cajas CAAT y GC (ver Fig. 20.17 Genes VII). Una característica de estas secuencias o elementos es que a menudo son casi simétricas y las proteínas que se fijan a ellas son generalmente homodímeros o heterodímeros.

El principio que emerge de la caracterización de grupos de genes bajo control común es que comparten un promotor que es reconocido por un factor de transcripción regulador. Un elemento que hace que un gen responda a un factor tal se llama un elemento respuesta. Ejemplo de ellos son HSE (elemento respuesta al choque térmico), GRE (elemento respuesta a los glucocorticoides), SRE (elemento respuesta al suero).

Los elementos respuesta tienen las mismas características generales que los elementos anteriores de los promotores o los enhancers. Contienen secuencias consenso cortas, y las copias de los elementos respuesta que se encuentran en diferentes genes están estrechamente relacionadas, pero no son necesariamente idénticas. En los promotores, los elementos no están presentes a distancias fijas del punto de inicio, pero generalmente se encuentran a < 200 pb antes del mismo. La presencia de un solo elemento es casi siempre suficiente para conferir la respuesta reguladora, pero a veces hay múltiples copias. Los elementos respuesta pueden estar localizados en los promotores o en los enhancers.

Se asume que todos los elementos respuesta funcionan gracias al mismo principio general:

Un gen está regulado por una secuencia en el promotor o en un enhancer que será reconocida por una proteína específica. La proteína funciona como un factor de transcripción necesario para que la RNA polimerasa inicie. La proteína activa está disponible solamente bajo condiciones en las cuales el gen se expresa. Su ausencia significa que el promotor no está activado para este circuito específico.

Un ejemplo de una situación en la cual muchos genes están controlados por un solo factor es el de la respuesta al choque térmico. Esta es común a un amplio rango de procariontes y de eucariontes e involucra múltiples controles de la expresión génica. Un aumento de la temperatura apaga la transcripción de algunos genes, enciende la transcripción de los genes de choque térmico, y provoca cambios en la traducción de los mRNAs. El control de los genes de choque térmico ilustra las diferencias entre los modos de control procariota y eucariota. En las bacterias, se sintetiza un nuevo factor sigma que dirige a la holoenzima RNA polimerasa para que reconozca una secuencia -10 alterna, común en todos los promotores de los genes de choque térmico. En los eucariontes, los genes de choque térmico también poseen una secuencia consenso común (HSE), pero está localizada en diversas posiciones con relación al punto de inicio y es reconocida por un factor de transcripción independiente. La activación de este factor ofrece los medios para iniciar la transcripción en un grupo específico de genes que contienen una secuencia diana determinada en su promotor.

El gen de la metalotioneína (MT) ofrece un buen ejemplo de como un solo gen puede ser regulado por muchos circuitos diferentes. La proteína metalotioneína protege a la célula contra las concentraciones excesivas de metales pesados, uniéndose al metal y sacándolo de la célula. El gen se expresa a nivel basal, pero se induce a mayores niveles de expresión mediante los iones de metales pesados o mediante glucocorticoides. La región de control combina diferentes tipos de elemento regulador, como muestra el siguiente esquema de la zona -260 upstream:

y sugiere el siguiente principio:

Cuando un promotor está regulado en más de una forma, cada evento regulador depende de la unión de su propia proteína a una secuencia determinada.

La respuesta a las hormonas esteroides está dictada por un GRE que está localizado 250 pb antes del punto de inicio y se comporta como un enhancer. La deleción de esta región no afecta el nivel basal de expresión o el nivel inducido por iones metálicos. Pero es absolutamente necesario para la respuesta a los esteroides.

La regulación de la metalotioneína ilustra otro principio general que dice que:

Cualquiera de varios elementos diferentes, localizado ya sea en un enhancer o en un promotor, puede independientemente activar el gen. La ausencia de un elemento necesario para un modo de activación no afecta la activación en otros modos.

La variedad de elementos, su independencia de acción, y la aparentemente ilimitada flexibilidad de sus ordenamientos relativos, sugieren que un factor que se une a cualquier elemento es independientemente capaz de aumentar la eficiencia de la iniciación mediante el aparato de transcripción basal, probablemente en virtud de interacciones proteína-proteína que estabilizan o asisten la formación del complejo de iniciación.

Los enhancers, amplificadores, potenciadores o activadores de la expresión génica son secuencias que actúan a distancia del gen. Sus características principales se pueden resumir de la siguiente manera:

1) Actúan a grandes distancias del gen que activan, hasta a 50 000 pb de distancia.

2) Actúan en ambas direcciones, normal o invertida. La inversión disminuye ligeramente el efecto positivo del enhancer sobre la transcripción.

3) Están situados antes del promotor, pero pueden estar después.

4) Se encuentran en la región 5' o en la 3' del gen y pueden encontrarse incluso dentro de un intrón.

5) Activan la transcripción a partir de un promotor al cual se unen, comenzando la síntesis en el sitio de iniciación normal.

6) Se les asocia a muchos genes de clase II y a algunos de clase I.

7) Pueden afectar la transcripción de cualquier gen situado en las proximidades.

8) Son específicos de tejido o de especie.

9) Pueden actuar modificando la estructura espacial del DNA o su velocidad de torsión.

10) Pueden ser reconocidos por una o varias proteínas reguladoras.

Hasta ahora hemos considerado un promotor como una región aislada responsable de unir la RNA polimerasa. Pero los promotores eucariotas no necesariamente funcionan solos. En al menos algunos casos, la actividad de un promotor está enormemente aumentada por la presencia de un enhancer.

El concepto de que el enhancer es diferente del promotor refleja dos características. La posición de un enhancer con relación al promotor no es necesariamente fija, pero puede variar sustancialmente. Y puede funcionar en ambas direcciones, como ya se mencionó. Las manipulaciones del DNA muestran que un enhancer puede estimular cualquier promotor colocado en su vecindad. Un enhancer puede actuar sobre un promotor que está cercano a él, pero el enhancer puede estar antes o después del promotor. La responsabilidad de la transcripción específica de tejido puede recaer en un promotor o en un enhancer. Un promotor puede estar específicamente regulado, y algún enhancer cercano puede ser utilizado para aumentar la eficiencia de iniciación. O bien, un promotor puede carecer de regulación específica, pero puede activarse solamente cuando se active específicamente un enhancer cercano. Un ejemplo de ello lo tenemos en los genes de las inmunoglobulinas, que tienen enhancers "dentro" de la unidad de transcripción. Los enhancers de las inmunoglobulinas parecen activarse solamente en los linfocitos B, en los cuales se expresan los genes de las inmunoglobulinas. Estos enhancers son responsables de parte de la red reguladora mediante la cual se controla la expresión génica.

¿Cómo puede un enhancer estimular la iniciación en un promotor que está localizado a cualquier distancia lejos del mismo o bien, a cada lado del mismo? Si un enhancer representa un caso extremo de mezclar y unir elementos de un promotor, entonces puede considerarse parte de un promotor en una localización distante. El rol esencial de un enhancer puede ser aumentar la concentración de los factores de transcripción en la vecindad del promotor.

Un fragmento de DNA que contiene un enhancer en un extremo y un promotor en el otro no se transcribe eficientemente, pero el enhancer puede estimular la transcripción desde el promotor cuando están conectados por un puente proteico:

Ya que los efectos estructurales, como son los cambios en el superenrollamiento, no pueden transmitirse a través de dichos puentes, se sugiere que la característica crítica será acercar el enhancer y el promotor. Los conceptos generales de los enhancers no se conocen bien aún. No se conoce qué proporción de promotores celulares necesita un enhancer para alcanzar su nivel normal de expresión. Tampoco se sabe cuán a menudo puede un enhancer ser la diana para la regulación. Algunos enhancers se activan solamente en los tejidos en los cuales funcionan sus genes, pero otros pudieran activarse en todas las células.


Regulación en trans: proteínas de unión al DNA

Como acabamos de ver, la mayoría de las secuencias reguladoras que hemos estudiado no pueden, por sí solas, modificar la velocidad de transcripción. Las responsables de la modificación de la velocidad son las proteínas que obran recíprocamente con ellas. A este tipo de regulación es que se le llama regulación en trans. Una de las primeras proteínas de este tipo que se caracterizó y clonó fue la SP1 que reconoce las cajas GC. Después, se han descubierto numerosas proteínas de regulación en trans, como son los factores inducibles que se une a los elementos respuesta.

Las proteínas reguladoras que se fijan al DNA son capaces de fijarse tanto a los enhancers como a los elementos anteriores. Ellas pueden obrar recíprocamente entre ellas antes de fijarse al DNA o pueden actuar de forma independiente. Una misma proteína puede fijarse a un enhancer y a un elemento o pueden ser proteínas diferentes. Algunas proteínas reguladoras activan la transcripción y otras la inhiben. Las proteínas fijadas en los enhancers cooperan con las fijadas en los elementos para controlar la transcripción. Su efecto global será la resultante de sus efectos activadores e inhibidores. Las proteínas reguladoras específicas de célula están presentes en muy pequeñas cantidades en la célula.

El estudio de las proteínas reguladoras ha permitido poner en evidencia características muy comunes entre ellas. De esta manera, se sabe que cada una de esas proteínas contiene al menos dos dominios:

» el dominio de fijación al DNA que permite a la proteína reconocer sus genes "diana" y

» el dominio de acción sobre la transcripción que provocará los efectos positivos o negativos de la proteína sobre la transcripción.

Se ha demostrado que ambos tipos de dominio son intercambiables entre los diferentes factores de transcripción. De esta forma, una proteína constituida por un dominio de activación de la transcripción proveniente de un factor de transcripción de mamífero acoplado a un dominio de fijación al DNA proveniente de una levadura será perfectamente funcional y activará todos los genes que posean la secuencia diana del dominio de fijación al DNA. Además de estos dos dominios, algunos factores poseen otros dominios que les confieren determinadas propiedades y que son también intercambiables. Estos dominios pueden ser, por ejemplo, un sitio de fijación para una hormona, para un ion, etc...

El dominio de unión al DNA sirve para traer la proteína al lugar correcto. Exactamente cómo o donde se une al DNA es irrelevante, pero, una vez en su lugar, el dominio de activación de la transcripción juega su papel. Según esta manera de ver las cosas, no importa la manera en que el dominio de activación de la transcripción se acerca a la vecindad del promotor. La forma que tienen los dos tipos de módulo de funcionar en las proteínas híbridas sugiere, que cada dominio de la proteína adquiere de forma independiente una estructura activa que no está influenciada por el resto de la proteína. Así, la función del dominio de unión al DNA puede verse como la de traer el dominio de activación cerca del sitio de iniciación. Esto explica porqué la localización exacta de los sitios de unión al DNA pueden variar dentro del promotor.

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