Regulación génica en procariontes y eucariontes

regulación génica en procariotas y eucariotas.
regulación clasificada en procesos o niveles que son pre-transcripcional, transcripcional, modificaciones postraduccionales de RNA, degradación del mRNA, traducción, modificaciones postraduccionales, destino y transporte de proteínas, degradación de proteínas.

1. Dra. Anna Karen Balderas de la Garza Dra. Kerstin Beutelspacher Fernández Dra. Bertha Molina Álvarez Regulación genica

2. DEFINICIÓN DE REGULACIÓN GÉNICA Mecanismos por los cuales ciertos productos génicos aumentan o disminuyen en respuesta a activación o desactivación de genes acorde al desarrollo, el tipo celular, necesidades o las condiciones ambientales. Esto permite a las células ajustar su funcionamiento y responder a cambios en su entorno.

3. Inducción proceso por el cual se activa la expresión de un gen (o conjunto) en respuesta a una señal. genes reguladores Definiciones Genes constitutivos (housekeeping) se expresan de manera constante independiente del tipo celular, desarrollo o ambiente. codifican proteínas esenciales Expresión génica constitutiva: expresión continua y estable en la célula, de un gen sin importar las condiciones externas o internas Represión mecanismo regulador cuando se inhibe o disminuye la expresión de un gen. Genes reguladores

4. Células troncales y su potencial de desarrollo

5. . Tipo de célula troncales Etapa / origen Potencial de diferenciación Ejemplo Totipotentes Primeras divisiones del cigoto ( mórula ) Pueden formar todos los tejidos y un organismo completo (incluida la placenta) Cigoto y blastómeras iniciales Pluripotentes Blastocisto (células madre embrionarias de la masa interna) Pueden generar células de las tres capas germinales (ectodermo, mesodermo, endodermo), pero no un organismo completo Células madre embrionarias Multipotentes Células troncales adultas Forman varios tipos celulares dentro de un mismo tejido u órgano Células troncales hematopoyéticas (sangre), células madre mesenquimales (hueso, cartílago) Unipotentes Diferenciación avanzada Solo generan un tipo celular específico Células de la piel, células musculares satélite Tipos de células troncales

6. Procesos para la regulación de productos génicos Transcripción Modificación postranscripcional del mRNA Degradación del mRNA Traducción Modificación postraduccional de proteí nas Destino y transporte de proteínas . Degradación de proteínas

7. TRANSCRIPCIÓN Interacción ARN polimerasa–promotor La transcripción puede variar debido a diferencias en la secuencia promotora y sus factores de transcripción asociados. Proteinas reguladoras 1.- Factores de especificidad 2.- Represores → regulación negativa 3.- Activadores → regulación positiva

8. El inicio de la transcripción se regula mediante proteínas que se unen a los promotores o cerca de ellos 1.- Factores de especificidad: Alteran la especificidad de la ARN polimerasa para un promotor o conjunto de promotores Ej. en eucariotas: TBP en bacterias: La subunidad σ de la ARN Pol. 3.- Activadores → regulación positiva, mejoran interacción ARN polimerasa con el promotor tienen un dominio para unión al DNA y uno o más dominios para sus reguladores de la transcripción 2.- Represores → Impiden el acceso de la ARN polimerasa al promotor (u operador en bacterias) Su unión al DNA se regula por una señal molecular o efector que provoca un cambio de conformación.

9. La regulación “positiva” y “negativa” se refieren al tipo de proteína reguladora involucrada y una señal molecular puede aumentar o disminuir la transcripción, dependiendo de su efecto sobre la proteína reguladora.

10. Poseen dominios de unión al DNA. (60-90 aa) Afinidad entre 10⁴ y 10⁶ veces mayor que otras secuencias. Los dominios contienen motivos estructurales característicos, permitiendo el reconocimiento de características superficiales del ADN ( grupos químicos H-H en surco mayor). Los sitios de unión a menudo son regiones palindrómicas que permiten la unión cooperativa de múltiples subunidades. Proteínas reguladoras •Cremallera de leucina MOTIVOS COMUNES •Hélice-bucle-hélice •Hélice-giro-hélice y Homeodominios •Dedos de Zinc

11. MOTIVO HÉLICE-GIRO-HÉLICE Consiste en 20aa aproximadamente. 2 alfa hélices separados por un beta giro. La hélice C-terminal es la de reconocimiento y encaja en la hendidura mayor, contiene aa que interactúan específicamente con el DNA. Ej. El represor Lac contiene este motivo de unión al DNA

12. Homeodominio Variante eucariota de HTH Dominio de 60 aminoacidos, denominado así ya que fue descubierto en los genes homeóticos (genes que regulan el desarrollo de los patrones corporales) Altamente conservado La secuencia de DNA que codifica este dominio se denomina homeosecuencia.

13. dE D DEDOS DE ZINC Bucle alargado de 30 a Motivo más abundante en el genoma humano. Interaccion de ion Zn con Cys o His La interacción de un dedo de zinc es débil pero múltiples dedos de zinc mejoran la unión. También pueden actuar como motivos de unión al RNA, participando en la regulación de la traducción de mRNA. ej: Gal4p

14. Cremallera de leucina: Dos hélices α anfipáticas con leucinas en posiciones repetidas (cada 7 aa.) , que forman dímeros entrelazados ligeramente, interactúan con los fosfatos del DNA por medio de sus Lys (K), Asp(N) y Arg (R). Hélice-bucle-hélice: 50 aa. presente en proteínas eucariotas que regulan la expresión durante el desarrollo Forma 2 hélices anfipáticas unidas por un bucle de longitud variable.

15. Regulación génica en eucariontes Transcripción Remodelación de cromatina e histonas. Proteinas activadoras, represoras y factores de transcripción. Modificación postranscripcional del mRNA Procesamiento nuclear: capping (5’), splicing, poliadenilación (3’) Splicing alternativo. Degradación del mRNA Regulada por miRNA, siRNA y proteínas de unión a mRNA Traducción F actores de traducción (iniciación,represores) miRNA, secuencia kozak. Modif. postraduccional de proteínas F osforilación, ubiquitinación, acetilación, etc… Destino y transporte de proteínas Complejo (P éptidos señal, chaperonas, transporte al RE, Golgi, lisosomas, núcleo o mitocondria) . Degradación de proteínas Sistema ubiquitina-proteosoma y degradación lisosomal.

16. EUCARIONTES: PRETRANSCRIPCIONAL: EUCROMATINA, HETEROCROMATINA: remodelación HISTONAS → MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES TRANSCRIPCIÓN PROMOTORES: activadores, coactivadores, reguladores PROTEÍNAS REGULADORAS Hélice vuelta-hélice Hélice asa hélice dedos de zinc cremallera leu COLA POLI-A, CAPPING SPLICING ALTERNATIVO TRADUCCIÓN secuencia kozak factores de traducción: iniciación, represores. modificaciones postraduccionales, proteólisis 4. RNA NO CODIFICANTES: RNA interferencia Transcripción Remodelación de cromatina Modificación de histonas, proteinas Activadores Reguladores arquitectónicos, Coactivadores. Factores basales de transcripción. Hormonas Traducción Fosforilación de factores de iniciación Represores de factores de iniciación Represores de traducción en mARN Regulación mediada por ARN

17. De los múltiples complejos enzimáticos los más importantes para activación transcripcional: SWI/SNF:que remodelan la cromatina para que los nucleosomas queden más espaciados irregularmente NURF (de la familia ISW1) complementan remodelación por SWI SWR1 posicion de H2AZ, (que junto con H3.3) típico de cromatina activa Remodeladores de cromatina (pre-transcripcional) Heterocromatina Eucromatina La posición de nucleosomas, sus modificaciones covalentes y las variantes de histonas son determinantes.

18. Dominio central: Interacción histona-histona y envoltura de DNA Dominio aminoterminal: Rico en lisina, donde ocurren modificaciones específicas Modificaciones de histonas (pre-transcripcional) Las histonas canónicas (H2A, H2B, H3, H4) son modificadas covalentementes por Metilación (Lys, Arg) Fosforilación (Ser, Thr) Acetilación Ubiquitinización y Sumoilación Activación HATs (histonas acetiltransferasas): durante a transcripci ó n (H3K4 o H3K36) HATs tipo B acetilan histonas recién sintetizadas antes de entrar al núcleo. HATs tipo A acetilan histonas nucleares en regiones activas. Inactivación. HDACs (histonas desacetilasas) eliminan los grupos acetilo Un ejemplo de inactivación es la metilación de Lys9 de H3, característica de la heterocromatina. Metil transferasas Weksberg R, Butcher DT, Cytrynbaum C, et al. Epigenetics. In: Emery and Rimoin’s Principles and Practice of Medical Genetics and Genomics. 2019.Strachan T, et al. Human Molecular Genetics. 2018.tr Transcription regulators switch genes on and off . Alberts 7Th Td. (2022) Molecular biology of the cell.

19. Regulación del inicio de la transcripción en eucariontes Interaccion ARN Pol-DNA Activadores: se unen a secuencias reguladoras (enhancers o UAS) y estimulan la transcripción. Reguladores arquitectónicos: Favorecen interacción entre activadores y el complejo de transcripción. Ejemplo: proteínas HMG. Coactivadores: . No se unen a l DNA, pero conectan activadores con Pol II y los factores generales, Ej. Mediador TBP y Factores de transcripción basal (TFIID, TFIIB, TFIIH, etc.): junto con la Pol II forman el complejo de preiniciación (PIC).

20. Regulación positiva: Gal4p (dedos de Zn) Presencia de galactosa 6p, se une a Gal3p interactuando con el complejo Gal80p/Gal4p → se activa Gal4p → transcripción de los genes GAL. Regulación de la activación de genes GAL: -SAGA (Remodelador de cromatina) -SWI/SNF -Mediador Los genes del metabolismo de la galactosa (GAL) en las levaduras están sujetos tanto a regulación positiva como negativa Regulación negativa : Gal80p (represor) y Glucosa (Represor por catabolito) Gal80p forma un complejo con Gal4p bloqueando el dominio activador de Gal4p → Los genes GAL (GAL1, GAL7, GAL10 , etc.) no se transcriben. Con glucosa: Se activa la represión por catabolito. Incluso si hay galactosa, la glucosa mantiene reprimidos los genes GAL.

21. Cruzan la membrana plasmática por difusión simple. Se une a receptores en el citoplasma o núcleo. El dominio de unión al ligando del receptor es muy específico para cada receptor. HRE: Elementos de respuesta hormonal, secuencia de DNA específica. Regulación de la expresión génica por hormonas → se une a receptor intracelular Complejo hormona- receptor dimerización Recluta coactivadores + ARN pol II Unión a HRE El receptor de hormona tiroidea TR y el receptor X de retinoide (RTX)

22. Regulación traduccional en eucariotas Los eucariotas tienen al menos cinco mecanismos principales de regulación traduccional Factores de iniciación de la traducción fosforilados ( ↓ traducción en la célula ). Secuencias Kozak Proteínas de unión a mRNA como represores traduccionales en 3’ UTR Proteínas de unión factores de iniciaci ón ( eIF4E y eIF4G) Regulación mediada por ARN

23. miRNAs: 20-23nt REGULACIÓN DE TRADUCCIÓN RNA pequeños que se unen a secuencias complementarias de mRNA: siRNAs: 21-23nt piRNAs: 24-41nt sncRNAs (small noncoding RNA), 60-300 nucleótidos y tienen función regulatoria en el nucleolo. lncRNas (long noncoding RNA): >200 ntds involucrados en regulación transcripcional, como el XIST o H19 . Otros RNA regulatorios:

24. . Regulación de la expresión génica mediada por microRNA Micro-RNA (miRNA), a veces se denominan pequeños RNA temporales, que par ticipan en el silenciamiento de muchos RNAm Algunos miRNA afectan un solo mRNA, otros regulan múltiples mRNA, coordinando la expresión de varios genes Algunos ARNnc regulan proteínas: SRA: coactivador de genes que responden a hormonas esteroides. HSR1 (~600 nt): ayuda a que el factor HSF1 se active y se una al ADN durante el choque térmico.

25. Secuencia Kozak La secuencia Kozak es una secuencia de nucleótidos específica del ARN mensajero (ARNm) eucariota que desempeña un papel fundamental en el inicio de la traducción. Ayuda a los ribosomas a reconocer el codón de inicio ( AUG ) y garantiza una traducción precisa y eficiente del ARNm en una proteína. GenoCAD. Secuencias de Kozak. (2024) https://genocad.com/blogs/plasmid/kozak-sequences

26. POSIBILIDADES TERAPÉUTICAS EN REGULACIÓN GÉNICA

27. Los circRNAs se generan por back-splicing del ARNm precursor (union 3’-5’) Mantienen alta especificidad, estabilidad y conservación por carecer de cap 5’ y cola poli A. Tipos EcircRNA, EIciRN, circRNA , CircRNA intergénicos. RNA monocatenario circular cicRNA

28. Funciones cicRNA Los CPI (cicRNA-protein interaction) regulan la expresión génica en tumores. Su disfunción se asocia con activación de oncogenes y inactivación de genes supresores, promoviendo crecimiento y metástasis. Dependiendo de su localización será su función: Núcleo: regulación de la transcripción. Citoplasma: esponjas de miRNA o proteínas, controlando estabilidad y traducción de ARNm. Funciones biológicas de los circRNA Actúan como esponjas de miARN, regulando la expresión génica. Interactúan con proteínas ligadoras de ARN (RBP), afectando estabilidad, transporte y función. Pueden regular transcripción y, en algunos casos, traducirse en péptidos o proteínas.

29. Zilebesiran : siRNA que se une al receptor de asialoglicoproteína, reduce mRNA de angiotensina → disminuye TA -22.5 ±5.1 mmHg. Bakris GL, Saxena M, Gupta A, et al. RNA Interference With Zilebesiran for Mild to Moderate Hypertension: The KARDIA-1 Randomized Clinical Trial. JAMA. 2024;331(9):740–749. doi:10.1001/jama.2024.0728

30. Regulación en estabilidad del mRNA Postranscripcional Wu, Q., & Bazzini, A. A. (2023). Translation and mRNA stability control. Annual Review of Biochemistry , 92 (1), 227–245. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-052621-091808

31. Regulación en estabilidad del mRNA y traducción Wu, Q., & Bazzini, A. A. (2023). Translation and mRNA stability control. Annual Review of Biochemistry , 92 (1), 227–245. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-052621-091808

32. Regulación génica en bacterias Transcripción - Genes organizados en operones. - Regulación rápida con represores y activadores. Modificación postranscrip. el mRNA - Transcripción y traducción ocurren simultáneamente. Degradación del mRNA - Vida media corta - Control rápido de niveles de proteínas (segundos-minutos). Traducción - Regulación rápida por disponibilidad de ribosomas e iniciadores. - Influenciada por la secuencia Shine-Dalgarno. Modif. postradu ccional d e proteínas - Limitada. - Fosforilación o metilación simples. Destino y transporte de proteínas - Sencillo. - Señales cortas dirigen proteínas a membrana o exterior. Degradación de proteínas - Proteasas inespecíficas (ej. ClpXP).

33. OPERON Grupo de genes (promedio de 2 a 6-8 genes ) que se transcriben juntos en una única molécula de mRNA que codifica para múltiples proteínas (policistrónico). Incluye genes, promotor y secuencias reguladoras . Alberts, B.(2022). Chapter 6: How Cells Read the Genome: From DNA to Protein. En Molecular Biology of the Cell (p. 323-358)

34. OPERÓN LAC- REGULACIÓN NEGATIVA El operón lac tiene tres genes: β-galactosidasa (Z) Permeasa (Y) Transacetilasa (A). Está regulado por el represor Lac, que bloquea la transcripción al unirse al operador (O 1 , O 2 , O 3 ). (La represión no es absoluta: siempre hay un nivel basal de enzimas) El inductor real es la alolactosa (derivada de la lactosa), que inactiva al represor y permite la expresión. ↓ A umento masivo de β-galactosidasa cuando hay lactosa disponible.

35. . OPERON LAC-REGULACION POSITIVA Regulacion negativa: represor lac Regulación positiva: cAMP- CAP Represión por catabolito : mecanismo de regulación donde en presencia de una fuente de energía preferida, se inhibe la expresión de genes que permiten otros metabolismos. Regulon: conjunto de genes u operones que están dispersos en el cromosoma bacteriano pero que son controlados por un mismo factor regulador (CAP-cAMP) Connie Rye, Robert Wise. Biology (2016)https://openstax.org/books/biology/pages/16-2-prokaryotic-gene-regulation Proteína activadora de catabolitos (CAP)

36. Sin lactosa (operón apagado) Gen I → produce Represor Lac Represor Lac ───► se une al Operador (O1, O2, O3) │ └─► Bloquea a la ARN polimerasa ↓ Genes Z, Y, A NO se expresan Con lactosa: (operón encendido) Lactosa entra a la célula → se convierte en alolactosa Alolactosa ───► se une al Represor Represor cambia de forma y se suelta del Operador ↓ ARN polimerasa puede transcribir ↓ Genes Z, Y, A se expresan masivamente

37. Atenuación de la transcripción en operones. Mecanismo regulador en bacterias que controla la expresión de operones de aminoácidos, interrumpiendo prematuramente la transcripción dependiendo de la disponibilidad del aminoácido correspondiente. Usa una secuencia líder de codones (de aminoácidos a controlar) en el ARNm que puede formar diferentes estructuras secundarias (horquillas) que determinan: Terminar la transcripción (si el aminoácido abunda). Permitir que continúe (si el aminoácido escasea).

38. Atenuación transcripcional en el Operón Trp Operón trp en E.coli: Incluye 5 genes requeridos para convertir corismato en triptófano. Triptofano abundante ↓ El represor se une al operador trp (Bloqueando la ARN polimerasa) ↓ Expresion de operon inactiva

39. Trp disminuido ↓ Baja disponibilidad de tRNA de Triptófano ↓ Ribosoma se detiene en codones de Trp en la secuencia 1 ↓ Secuencia 2 disponible ↓ Se aparea con la secuencia 3 y la transcripción continúa Transcripción en el operón Trp

40. La función de algunos mRNAs está regulada por pequeños RNAs en cis o en trans Regulacion en trans: Un RNA separado se une al mRNA y afecta su actividad. Ejemplo: mRNA del gen rpoS (σ^S) en E. coli σ^S necesario en estrés o fase estacionaria mRNA presente pero no traducido bajo condiciones normales

41. Regulación en cis: Riboswitches (RNA regulador) Ubicación: 5' UTR (regiones no traducidas) Al unirse al ligando → cambio conformacional que puede: Terminar prematuramente la transcripción Bloquear el sitio de unión del ribosoma (traducción)

42. Regulación de la síntesis de proteínas ribosómicas a nivel de traducción Retroalimentación traduccional: mecanismo mediante el cual una proteína ribosómica actúa como represor traduccional uniéndose a su propio ARNm(operon) bloqueando la traducción Caso contrario: el número de ribosomas aumenta a medida que aumenta la tasa de crecimiento celular

43. Respuesta grave en E. Coli La unión de tRNA no cargado al sitio A del ribosoma activa factor de respuesta grave (proteína RelA) Cataliza la formación de guanosina tetrafosfato (ppGpp), que reduce la síntesis de RNAr al unirse a la RNA polimerasa ppGpp modula la transcripción, aumentando o disminuyendo la expresión génica.

44. RESPUESTA SOS -Si no hay daño LexA está activa, inhibiendo replicación de genes SOS. -Si hay daño se activa la respuesta SOS destruyendo proteínas represoras Daño al DNA Se detiene la replicación, y generan cadenas sencillas RecA se une a cadena sencilla de DNA y inactivando a LexA Genes SoS pueden ser transcritos incluyendo recA. LexA se autoescinde en un enlace peptídico. Inactivando su accion

45. Variación de fase Mecanismo de regulación génica reversible que permite a algunos microorganismos encender o apagar la expresión de ciertos genes (princ de superficie ej. flagelos, pili, prot de membrana) de manera aleatoria o inducida, produciendo cambios fenotípicos. Salmonella typhimurium . La bacteria alterna entre dos tipos de flagelina (FljB y FliC) mediante la inversión de un segmento de ADN que contiene un promotor. Esto mediado por la enzima Hin recombinasa. Estrategia de supervivencia y evasión inmune.

46. Nivel de regulación Procariotas Eucariotas Transcripción - Regulación principal. - Genes organizados en operones. - Regulación rápida con represores y activadores. - No hay cromatina ni histonas. - Regulación muy compleja. - Requiere remodelación de cromatina e histonas. - Uso de potenciadores, silenciadores y factores de transcripción. - Cada gen se regula individualmente. Modificación postranscripcional del mRNA - No existe (mRNA se usa tal cual). - Transcripción y traducción ocurren simultáneamente. - Sí existe. - Procesamiento nuclear: capping (5’), splicing, poliadenilación (3’). - Isoformas de mRNA (splicing alternativo). Degradación del mRNA - Vida media corta (segundos-minutos). - Control rápido de niveles de proteínas. - Vida media variable (minutos-horas-días). - Regulada por miRNA y proteínas de unión a mRNA. Traducción - Regulación rápida por disponibilidad de ribosomas e iniciadores. - Influenciada por la secuencia Shine-Dalgarno. - Regulada por factores de iniciación, miRNA - Mucho más lenta que en procariotas. Modificación postraduccional de proteínas - Limitada. - Fosforilación o metilación simples. - Muy diversa: fosforilación, ubiquitinación, acetilación, SUMOilación, glicolisación, etc. - Regula función, localización y estabilidad. Destino y transporte de proteínas - Sencillo. - Señales cortas dirigen proteínas a membrana o exterior. - Complejo. - Requiere péptidos señal, chaperonas, transporte al RE, Golgi, lisosomas, núcleo o mitocondria. Degradación de proteínas - Principal vía: proteasas inespecíficas (ej. ClpXP). - Regulada y selectiva. - Sistema ubiquitina-proteasoma y degradación lisosomal.

47. Tipo de error en regulación génica Consecuencia celular Ejemplos de patologías Activación inapropiada de oncogenes / Inactivación de supresores de tumores Proliferación celular descontrolada Cánceres: leucemia, mama, colon Defectos en regulación de genes metabólicos Alteración de rutas metabólicas Diabetes tipo 2, hipercolesterolemia familiar Mutaciones en genes de desarrollo (maternos, de segmentación, Hox) Malformaciones durante la embriogénesis Malformaciones congénitas, síndromes de extremidades Fallos en regulación de genes neuronales Muerte o disfunción neuronal Alzheimer, Parkinson, Huntington Defectos en regulación de diferenciación hematopoyética Alteración en producción de células sanguíneas Anemias congénitas, leucemias mieloides Alteraciones en regulación de tolerancia inmunitaria Respuesta inmune inadecuada Lupus eritematoso sistémico, artritis reumatoide Errores en ARN reguladores (miRNA, circRNA) o epigenética Cambios en expresión génica general Cánceres, enfermedades del desarrollo, neurodegenerativas

48. Albert L. Lehninger(2021) Regulation of Gene Expression( p.1155-1195) Principles of Biochemistry, WH Freeman & Co Ltd. Zhang (2025) Mechanisms and therapeutic implications of gene expression regulation by circRNA protein interactions in cancer. communications biology https://doi.org/10.1038/s42003-024-07383-z B.Alberts. (2019) Molecular Biology of the cell Chapter and Chapter 10. 7th.ed.UK. Garland Science. Bakris GL, Saxena M, Gupta A, et al. RNA Interference With Zilebesiran for Mild to Moderate Hypertension: The KARDIA-1 Randomized Clinical Trial. JAMA. 2024;331(9):740–749. doi:10.1001/jama.2024.0728 Bibliografía