Información

SS1_2018_Lecture_12 - Biología

SS1_2018_Lecture_12 - Biología


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Regulación de genes eucariotas

Descripción general de la regulación

Como se señaló anteriormente, la regulación tiene que ver con la toma de decisiones. La regulación genética, como tema general, está relacionada con la toma de decisiones sobre la expresión funcional del material genético. Ya sea que el producto final sea una especie de ARN o una proteína, la producción del producto final expresado requiere procesos que requieren múltiples pasos. Hemos pasado algún tiempo discutiendo algunos de estos pasos (es decir, transcripción y traducción) y algunos de los mecanismos que utiliza la naturaleza para detectar información celular y ambiental para regular el inicio de la transcripción.

Cuando discutimos el concepto de promotores fuertes y débiles, introdujimos la idea de que regular la cantidad (número de moléculas) de transcripción que se producía a partir de un promotor en alguna unidad de tiempo también podría ser importante para la función. Esto no debería ser del todo sorprendente. Para un gen que codifica una proteína, cuanto más transcripción se produce, mayor es el potencial para producir más proteína. Esto podría ser importante en los casos en los que producir una gran cantidad de una enzima en particular es clave para la supervivencia. Por el contrario, en otros casos solo se requiere un poco de proteína y producir demasiada sería un desperdicio de recursos celulares. En este caso, se podrían preferir niveles bajos de transcripción. Los promotores de diferentes puntos fuertes pueden adaptarse a estas distintas necesidades. Con respecto al número de transcripciones, también mencionamos brevemente que la síntesis no es la única forma de regular la abundancia. También es importante considerar los procesos de degradación.

En esta sección, agregamos a estos temas centrándonos en los procesos reguladores eucariotas. Específicamente, examinamos, y a veces reexaminamos, algunos de los múltiples pasos que se requieren para expresar material genético en organismos eucariotas en el contexto de la regulación. Queremos que no solo piense en los procesos, sino que también reconozca que cada paso en el proceso de expresión es también una oportunidad para ajustar no solo la abundancia de una transcripción o proteína, sino también su estado funcional, forma (o variante), y / o estabilidad. Cada uno de estos factores adicionales también puede ser de vital importancia considerar para influir en la abundancia de variantes funcionales condicionalmente específicas.

Diferencias estructurales entre células bacterianas y eucariotas que influyen en la regulación de genes

El sello distintivo de la célula eucariota es el núcleo, una doble membrana que encierra el material hereditario de la célula. Para ajustar eficientemente el ADN del organismo en el espacio confinado del núcleo, el ADN primero se empaqueta y se organiza mediante proteínas en una estructura llamada cromatina. Este empaque del material nuclear reduce el acceso a partes específicas de la cromatina. De hecho, algunos elementos del ADN están tan empaquetados que la maquinaria transcripcional no puede acceder a sitios reguladores como los promotores. Esto significa que uno de los primeros sitios de regulación transcripcional en eucariotas debe ser el control de acceso al ADN mismo. Las proteínas de cromatina pueden estar sujetas a modificaciones enzimáticas que pueden influir en si se unen estrechamente (acceso transcripcional limitado) o más débilmente (mayor acceso transcripcional) a un segmento de ADN. Este proceso de modificación, cualquiera que sea la dirección que se considere primero, es reversible. Por lo tanto, el ADN puede secuestrarse dinámicamente y estar disponible cuando "sea el momento adecuado".

La regulación de la expresión génica en eucariotas también implica algunos de los mismos mecanismos fundamentales adicionales discutidos en el módulo sobre regulación bacteriana (es decir, el uso de promotores fuertes o débiles, factores de transcripción, terminadores, etc.) pero el número real de proteínas implicadas suele ser mucho mayor en eucariotas que bacterias o arqueas.

El procesamiento enzimático postranscripcional del ARN que ocurre en el núcleo y la exportación del ARNm maduro al citosol son dos diferencias adicionales entre la regulación de genes bacterianos y eucariotas. Consideraremos este nivel de regulación con más detalle a continuación.

Representación de algunas diferencias clave entre los procesos de expresión génica bacteriana y eucariota. Nótese en este caso la presencia de histonas y modificadores de histonas, el empalme de pre-ARNm y la exportación del ARN maduro del núcleo como diferenciadores clave entre los sistemas bacteriano y eucariota.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Empaquetamiento de ADN y marcadores epigenéticos

El ADN de las células eucariotas se enrolla, pliega y compacta con precisión en cromosomas para que encaje en el núcleo. También está organizado para que la célula pueda acceder fácilmente a segmentos específicos de los cromosomas según lo necesite. Las áreas de los cromosomas que están más compactadas serán más difíciles de unir para las proteínas y, por lo tanto, conducirán a una expresión génica reducida de los genes codificados en esas áreas. Las regiones del genoma que están poco compactadas serán más fáciles de acceder para las proteínas, lo que aumentará la probabilidad de que el gen se transcriba. Aquí se analizan las formas en que las células regulan la densidad de compactación del ADN.

Embalaje de ADN

El primer nivel de organización, o empaquetamiento, es el enrollamiento de hebras de ADN alrededor histona proteínas. Las histonas empaquetan y ordenan el ADN en unidades estructurales llamadas nucleosomas, que puede controlar el acceso de proteínas a regiones específicas de ADN. Bajo el microscopio electrónico, este enrollamiento de ADN alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas parece pequeñas cuentas en una cuerda. Estas perlas (complejos de nucleosomas) pueden moverse a lo largo de la cadena (ADN) para alterar qué áreas del ADN son accesibles a la maquinaria transcripcional. Si bien los nucleosomas pueden moverse para abrir la estructura del cromosoma y exponer un segmento de ADN, lo hacen de una manera muy controlada.

El ADN se pliega alrededor de las proteínas histonas para crear (a) complejos de nucleosomas. Estos nucleosomas controlan el acceso de las proteínas al ADN subyacente. Cuando se observan a través de un microscopio electrónico (b), los nucleosomas se ven como cuentas en una cuerda. (crédito "micrografía": modificación del trabajo de Chris Woodcock)

Modificación de histonas

La forma en que se mueven las proteínas histonas depende de las señales químicas que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales químicas son etiquetas químicas agregadas a las proteínas de las histonas y al ADN que le dicen a las histonas si una región cromosómica debe estar "abierta" o "cerrada". La siguiente figura muestra modificaciones en las proteínas histonas y el ADN. Estas etiquetas no son permanentes, pero pueden agregarse o eliminarse según sea necesario. Son modificaciones químicas (grupos fosfato, metilo o acetilo) que se unen a aminoácidos específicos en las proteínas histonas o en los nucleótidos del ADN. Las etiquetas no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran la rigidez del ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente; por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán qué tan apretada estará la molécula de ADN. Cuando no se modifican, las proteínas histonas tienen una gran carga positiva; al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva.

Los nucleosomas pueden deslizarse a lo largo del ADN. Cuando los nucleosomas están muy juntos (arriba), los factores de transcripción no pueden unirse y la expresión génica se apaga. Cuando los nucleosomas están muy separados (abajo), el ADN queda expuesto. Los factores de transcripción pueden unirse, lo que permite que se produzca la expresión génica. Las modificaciones de las histonas y el ADN afectan el espaciamiento de los nucleosomas.

Discusión sugerida

¿Por qué las proteínas histonas normalmente tienen una gran cantidad de cargas positivas (las histonas contienen una gran cantidad de aminoácidos lisina)? ¿La eliminación de las cargas positivas provocaría un endurecimiento o aflojamiento de la interacción histona-ADN?

Discusión sugerida

Predecir el estado de las histonas en áreas del genoma que se transcriben con regularidad. ¿En qué se diferencian de las áreas que no experimentan altos niveles de transcripción?

Modificación de ADN

La propia molécula de ADN también se puede modificar. Esto ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Estos son tramos con una alta frecuencia de pares de ADN de dinucleótidos de citosina y guanina (CG) que a menudo se encuentran en las regiones promotoras de los genes. Cuando existe esta configuración, el miembro citosina del par se puede metilar (se agrega un grupo metilo). Esta modificación cambia la forma en que el ADN interactúa con las proteínas, incluidas las proteínas histonas que controlan el acceso a la región. Las regiones de ADN altamente metiladas (hipermetiladas) con histonas desacetiladas están estrechamente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.

Los cambios epigenéticos no resultan en cambios permanentes en la secuencia del ADN. Los cambios epigenéticos alteran la estructura de la cromatina (complejo proteína-ADN) para permitir o denegar el acceso a la transcripción de genes. La modificación del ADN, como la metilación en nucleótidos de citosina, puede reclutar proteínas represoras que bloquean el acceso de la ARN polimerasa para transcribir un gen o pueden ayudar a compactar el ADN para bloquear todo el acceso de proteínas a esa área del genoma. Estos cambios son reversibles, mientras que las mutaciones no lo son, sin embargo, los cambios epigenéticos en el cromosoma también pueden heredarse.
Fuente: modificado de https: //researcherblogski.wordpress....r/dudiwarsito/

La regulación de la expresión génica a través de la remodelación de la cromatina se denomina regulación epigenética. Epigenético significa "alrededor de la genética". Los cambios que se producen en las proteínas histonas y el ADN no alteran la secuencia de nucleótidos y no son permanentes. En cambio, estos cambios son temporales (aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular y pueden heredarse) y alteran la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario.

Enlace externo

Vea este video que describe cómo la regulación epigenética controla la expresión génica.

Estructura de genes eucariotas y procesamiento de ARN

Estructura genética eucariota

Muchos genes eucariotas, en particular los que codifican productos proteicos, están codificados en el genoma. discontinuamente. Es decir, la región codificante se rompe en pedazos interviniendo elementos génicos no codificantes. Las regiones de codificación se denominan exones mientras que los elementos no codificadores que intervienen se denominan intrones. La siguiente figura muestra un gen eucariota genérico.

Partes de un gen eucariota discontinuo típico. Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Las partes de un gen eucariota genérico incluyen elementos familiares como un promotor y un terminador. Entre esos dos elementos, la región que codifica todos los elementos del gen que tienen el potencial de ser traducidos (no tienen codones de parada), como en los sistemas bacterianos, se llama marco de lectura abierto (ORF). Los elementos potenciadores y / o silenciadores son regiones del ADN que sirven para reclutar proteínas reguladoras. Estos pueden estar relativamente cerca del promotor, como en los sistemas bacterianos, o a miles de nucleótidos de distancia. También presentes en muchas transcripciones bacterianas, también existen regiones no traducidas (UTR) 5 'y 3'. Estas regiones del gen codifican segmentos de la transcripción que, como implican sus nombres, no se traducen y se sitúan en 5 'y 3', respectivamente, en el ORF. Las UTR normalmente codifican algunos elementos reguladores críticos para regular la transcripción o los pasos de la expresión génica que ocurren postranscripcionalmente.

Las especies de ARN resultantes de la transcripción de estos genes también son discontinuas y, por lo tanto, deben procesarse antes de salir del núcleo para ser traducidas o utilizadas en el citosol como ARN maduros. En los sistemas eucariotas, esto incluye empalme de ARN, taponamiento 5 ', escisión del extremo 3' y poliadenilación. Esta serie de pasos es un proceso molecular complejo que debe ocurrir dentro de los confines cerrados del núcleo. Cada uno de estos pasos brinda la oportunidad de regular la abundancia de transcripciones exportadas y las formas funcionales que adoptarán estas transcripciones. Si bien estos serían temas para cursos más avanzados, piense en cómo enmarcar algunos de los siguientes temas como subproblemas del Desafío de diseño de la regulación genética. Si nada más, comience a apreciar la danza molecular altamente orquestada que debe ocurrir para expresar un gen y cómo esto es una pieza asombrosa de ingeniería evolutiva.

5 'tapado

Como en los sistemas bacterianos, los sistemas eucariotas deben ensamblar un complejo de preiniciación en y alrededor de la secuencia promotora para iniciar la transcripción. Los complejos que se ensamblan en eucariotas cumplen muchas de las mismas funciones que los de los sistemas bacterianos, pero son significativamente más complejos e involucran muchas más proteínas reguladoras. Esta complejidad adicional permite un mayor grado de regulación y el ensamblaje de proteínas con funciones que ocurren predominantemente en sistemas eucariotas. Una de estas funciones adicionales es la "limitación" de las transcripciones incipientes.

En los genes que codifican proteínas eucariotas, el ARN que se produce primero se denomina pre-ARNm. El prefijo "pre" significa que este no es el ARNm maduro completo que se traducirá y que primero requiere algún procesamiento. La modificación conocida como protección en 5 'se produce después de que el pre-ARNm tiene una longitud de aproximadamente 20-30 nucleótidos. En este punto, el pre-ARN normalmente recibe su primera modificación postranscripcional, una tapa 5 '. La "tapa" es una modificación química, una 7-metilguanosina, cuya adición al extremo 5 'de la transcripción es catalizada enzimáticamente por múltiples enzimas llamadas complejo enzimático de protección (CEC), un grupo de múltiples enzimas que llevan a cabo pasos secuenciales involucrados en agregando el 5'-cap. La CEC se une a la ARN polimerasa muy temprano en la transcripción y lleva a cabo una modificación del trifosfato 5 ', la posterior transferencia de en GTP a este fin (conectando los dos nucleótidos usando un enlace único 5' a 5 '), el metilación de la guanina recién transferida y, en algunas transcripciones, las modificaciones adicionales de los primeros nucleótidos. Esta tapa 5 'parece funcionar protegiendo la transcripción emergente de la degradación y se une rápidamente a las proteínas de unión al ARN conocidas como complejo de unión a la tapa (CBC). Existe alguna evidencia de que esta modificación y las proteínas unidas a ella juegan un papel en el direccionamiento de la transcripción para su exportación desde el núcleo. Proteger el ARN naciente de la degradación no solo es importante para conservar la energía invertida en la creación de la transcripción, sino que está claramente involucrado en la regulación de la abundancia de transcripción completamente funcional que se produce. Además, el papel del 5'-cap para guiar la transcripción para la exportación ayudará directamente a regular no solo la cantidad de transcripción que se realiza sino, quizás más importante, la cantidad de transcripción que se exporta al citoplasma que tiene el potencial a ser traducido.

La estructura de un casquete típico de 7-metilguanilato. Facciotti (trabajo propio)

Empalme de transcripciones

Las transcripciones nacientes deben procesarse en ARN maduros uniendo exones y eliminando los intrones intermedios. Esto se logra mediante un complejo multicomponente de ARN y proteínas llamado espliceosoma. El complejo de espliceosomas se ensambla en la transcripción naciente y, en muchos casos, las decisiones sobre qué intrones combinar en una transcripción madura se toman en este punto. La forma en que se toman estas decisiones aún no se comprende completamente, pero implica el reconocimiento de secuencias de ADN específicas en los sitios de empalme por especies de ARN y proteínas y varios eventos catalíticos. Es interesante notar que la porción catalítica del espliceosoma está hecha de ARN en lugar de proteína. Recuerde que el ribosoma es otro ejemplo de un complejo ARN-proteína donde el ARN sirve como componente catalítico principal. La selección de qué variante de empalme realizar es una forma de regular la expresión génica. En este caso, en lugar de simplemente influir en la abundancia de una transcripción, el empalme alternativo permite a la célula tomar decisiones sobre qué forma de transcripción se realiza.

Las formas alternativas de empalme de genes que dan como resultado productos proteicos de estructura relacionada pero de función variable se conocen como isoformas. La creación de isoformas es común en sistemas eucariotas y se sabe que es importante en diferentes etapas de desarrollo en organismos multicelulares y en la definición de funciones de diferentes tipos de células. Al codificar múltiples productos génicos posibles de un solo gen cuyo inicio de la transcripción se codifica a partir de un único sitio regulador transcripcional (al tomar la decisión de qué producto final producir postranscripcionalmente) se evita la necesidad de crear y mantener copias independientes de cada gen en diferentes partes del genoma y sitios reguladores independientes en evolución. Por lo tanto, se cree que la capacidad de formar múltiples isoformas a partir de una sola región codificante es evolutivamente ventajosa porque permite cierta eficiencia en la codificación del ADN, minimiza la complejidad reguladora de la transcripción y puede reducir la carga energética de mantener más ADN y protegerlo de la mutación. Algunos ejemplos de posibles resultados del empalme alternativo pueden incluir: la generación de variantes enzimáticas con afinidad de sustrato diferencial o velocidades catalíticas; se pueden cambiar las secuencias de señales que dirigen proteínas a varios compartimentos subcelulares; Se pueden crear funciones completamente nuevas, mediante el intercambio de dominios de proteínas. Estos son solo algunos ejemplos.

Un posible resultado adicional interesante del empalme alternativo es la introducción de codones de parada que pueden, a través de un mecanismo que parece requerir traducción, conducir a la desintegración dirigida de la transcripción. Esto significa que, además del control del inicio de la transcripción y el taponamiento 5 ', el empalme alternativo también puede considerarse uno de los mecanismos reguladores que pueden influir en la abundancia de transcripciones. Por lo tanto, los efectos del empalme alternativo son potencialmente amplios, desde la pérdida completa de función hasta una función novedosa y diversificada y efectos regulatorios.

Una figura que muestra algunos de los diferentes modos de empalme alternativo que ilustra cómo diferentes variantes de empalme pueden conducir a diferentes formas de proteínas.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Escisión y poliadenilación del extremo 3 '

Se realiza una modificación final a los pre-ARNm nacientes antes de que abandonen el núcleo: la escisión del extremo 3 'y su poliadenilación. Este proceso de dos pasos está catalizado por dos enzimas diferentes (como se muestra a continuación) y puede decorar el extremo 3 'de las transcripciones con hasta casi 200 nucleótidos. Esta modificación mejora la estabilidad de la transcripción. Generalmente, cuanto más A en la etiqueta polyA, mayor vida tiene la transcripción. La etiqueta poliA también parece desempeñar un papel en la exportación de la transcripción del núcleo. Por lo tanto, la etiqueta poliA 3 'juega un papel en la expresión génica regulando la abundancia de transcripción funcional y cuánto se exporta desde el núcleo para la traducción.

Un proceso de dos pasos está involucrado en la modificación de los extremos 3 'de las transcripciones antes de las exportaciones nucleares. Estos incluyen cortar las transcripciones justo corriente abajo de una secuencia conservada (AAUAAA) y transferir grupos de adenilato. Ambos procesos están catalizados enzimáticamente.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

MicroARN

Estabilidad del ARN y microARN

Además de las modificaciones del pre-ARN descritas anteriormente y las proteínas asociadas que se unen al naciente y las transcripciones, existen otros factores que pueden influir en la estabilidad del ARN en la célula. Un ejemplo son los elementos llamados microARN. Los microARN, o miARN, son moléculas de ARN cortas que tienen sólo 21 a 24 nucleótidos de longitud. Los miARN se transcriben en el núcleo como pre-miARN más largos. Estos pre-miARN se cortan posteriormente en miARN maduros mediante una proteína llamada dicer. Estos miARN maduros reconocen una secuencia específica de un ARN diana a través del apareamiento de bases complementarias. Los miARN, sin embargo, también se asocian con un complejo de ribonucleoproteína llamado complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). RISC se une a un ARNm diana, junto con el miARN, para degradar el ARNm diana. Juntos, los miARN y el complejo RISC destruyen rápidamente la molécula de ARN. Como era de esperar, la transcripción de pre-miRNA y su procesamiento posterior también está estrictamente regulada.

Exportación nuclear

Exportación nuclear

Las transcripciones maduras, completamente procesadas, deben exportarse a través del núcleo. No es sorprendente que este proceso implique la coordinación de una especie de ARN maduro a la que se unen muchas proteínas accesorias, algunas de las cuales han estado íntimamente involucradas en las modificaciones discutidas anteriormente, y un complejo de proteínas llamado el complejo de poros nucleares (NPC). El transporte a través del NPC permite que el flujo de proteínas y especies de ARN se mueva en ambas direcciones y está mediado por varias proteínas. Este proceso se puede utilizar para regular selectivamente el transporte de varios transcritos dependiendo de qué proteínas se asocian con el transcrito en cuestión. Esto significa que no todas las transcripciones son tratadas por igual por el NPC; dependiendo del estado de modificación y las proteínas que se han asociado con una especie específica de ARN, se puede mover de manera más o menos eficiente a través de la membrana nuclear. Dado que la velocidad de movimiento a través del poro influirá en la abundancia de transcripción madura que se exporta al citosol para la traducción, el control de la exportación es otro ejemplo de un paso en el proceso de regulación génica que se puede modular. Además, investigaciones recientes han implicado interacciones entre el NPC y los factores de transcripción en la regulación del inicio de la transcripción, probablemente a través de algún mecanismo por el cual los factores de transcripción se unen a los poros nucleares. Este último ejemplo demuestra cuán interconectada está la regulación de la expresión génica en los múltiples pasos de este complejo proceso.

Muchos detalles adicionales de los procesos descritos anteriormente se conocen con cierto nivel de detalle, pero quedan muchas más preguntas por responder. Por el bien de Bis2a, es suficiente comenzar a formar un modelo de los pasos que ocurren en la producción de una transcripción madura en organismos eucariotas. Hemos pintado un cuadro con trazos muy amplios, intentando presentar una escena que refleje lo que ocurre en general en todos los eucariotas. Además de aprender las características diferenciadoras clave de la regulación génica eucariota, también nos gustaría que los estudiantes de Bis2a comenzaran a pensar en cada uno de estos pasos como una oportunidad para que la naturaleza regule la expresión génica de alguna manera y poder racionalizar cómo las deficiencias o los cambios en estas vías, potencialmente introducidas a través de mutaciones, podrían influir en la expresión génica.

Si bien no mencionamos explícitamente el Desafío del diseño o la Historia de la energía aquí, estos formalismos son igualmente hábiles para ayudarlo a comprender lo que se describe. Te animamos a que pruebes a hacer una historia energética para varios procesos. También lo alentamos a utilizar la rúbrica Design Challenge para reexaminar las historias anteriores: identificar problemas que deben resolverse; formular hipótesis sobre posibles soluciones y criterios para el éxito. Use esos formalismos para profundizar y hacer nuevas preguntas / identificar nuevos problemas o cosas que no sabe sobre los procesos, eso es lo que hacen los expertos. Lo más probable es que hacer este ejercicio sugerido lo lleve a identificar una dirección de investigación que alguien ya ha seguido (¡se sentirá muy inteligente al respecto!). Alternativamente, puede plantear alguna pregunta nueva en la que nadie haya pensado todavía.

Control de la abundancia de proteínas

Una vez que un ARNm se ha transportado al citoplasma, se traduce en proteína. El control de este proceso depende en gran medida de la molécula de ARN. Como se discutió anteriormente, la estabilidad del ARN tendrá un gran impacto en su traducción a una proteína. A medida que cambia la estabilidad, también cambia la cantidad de tiempo que está disponible para la traducción.

El complejo de iniciación y la tasa de traducción

Al igual que la transcripción, la traducción está controlada por complejos de proteínas y ácidos nucleicos que deben asociarse para iniciar el proceso. En la traducción, uno de los primeros complejos que deben ensamblarse para iniciar el proceso se denomina complejo de iniciación. La primera proteína que se une al ARNm que ayuda a iniciar la traducción se llama factor de iniciación eucariota-2 (eIF-2). La actividad de la proteína eIF-2 está controlada por múltiples factores. La primera es si está o no unido a una molécula de GTP. Cuando el eIF-2 está vinculado a GTP, se considera que está en forma activa. La proteína eIF-2 unida a GTP puede unirse a la pequeña subunidad ribosómica 40S. Cuando se une, el complejo ribosómico eIF-2 / 40S, que trae consigo el ARNm a traducir, también recluta los asociados del ARNt iniciador de metionina. En este punto, cuando se ensambla el complejo iniciador, el GTP se hidroliza en GDP creando una "forma inactiva de eIF-2 que se libera, junto con el fosfato inorgánico, del complejo. Este paso, a su vez, permite que los 60S grandes subunidad ribosómica para unirse y comenzar a traducir el ARN. La unión de eIF-2 al ARN se controla aún más mediante la fosforilación de proteínas. Cuando eIF-2 se fosforila, sufre un cambio conformacional y no puede unirse a GTP, lo que inhibe la formación del complejo de iniciación. - por lo tanto, se inhibe la traducción (ver la figura siguiente). En el estado desfosforilado, el eIF-2 puede unirse a GTP y permitir el ensamblaje del complejo de iniciación de la traducción como se describió anteriormente. Por lo tanto, la capacidad de la célula para sintonizar el ensamblaje del complejo de invitación a la traducción a través de una modificación química reversible (fosforilación) a una proteína reguladora es otro ejemplo de cómo la naturaleza ha aprovechado incluso este paso aparentemente simple para sintonizar la expresión génica.

Se ha observado un aumento en los niveles de fosforilación de eIF-2 en pacientes con enfermedades neurodegenerativas como Alzheimer, Parkinson y Huntington. ¿Qué impacto cree que podría tener esto en la síntesis de proteínas?

Modificaciones químicas, actividad proteica y longevidad

Para no ser superadas por los ácidos nucleicos, las proteínas también se pueden modificar químicamente con la adición de grupos que incluyen grupos metilo, fosfato, acetilo y ubiquitina. La adición o eliminación de estos grupos de las proteínas puede regular su actividad o el tiempo que existen en la célula. A veces, estas modificaciones pueden regular dónde se encuentra una proteína en la célula, por ejemplo, en el núcleo, el citoplasma o adherida a la membrana plasmática.

Las modificaciones químicas pueden ocurrir en respuesta a estímulos externos como el estrés, la falta de nutrientes, el calor o la exposición a la luz ultravioleta. Además de regular la función de las proteínas mismas, si estos cambios ocurren en proteínas específicas, pueden alterar la accesibilidad epigenética (en el caso de la modificación de histonas), la transcripción (factores de transcripción), la estabilidad del ARNm (proteínas de unión al ARN) o la traducción (eIF -2) retroalimentando y regulando así varias partes del proceso de expresión génica. En el caso de la modificación de las proteínas reguladoras, esta puede ser una forma eficaz de que la célula cambie rápidamente los niveles de proteínas específicas en respuesta al entorno mediante la regulación de varios pasos del proceso.

La adición de un grupo de ubiquitina tiene otra función: marca esa proteína para su degradación. La ubiquitina es una molécula pequeña que actúa como una bandera que indica que las proteínas etiquetadas deben dirigirse a un orgánulo llamado proteasoma. Este orgánulo es un gran complejo de múltiples proteínas que funciona para escindir las proteínas en trozos más pequeños que luego pueden reciclarse. La ubiquitinación (la adición de una etiqueta de ubiquitina), por lo tanto, ayuda a controlar la expresión génica al alterar la vida útil del producto proteico.

Las proteínas con etiquetas de ubiquitina están marcadas para degradación dentro del proteasoma.

En conclusión, vemos que la regulación génica es compleja y que se puede modular en cada paso del proceso de expresión de un producto génico funcional. Además, los elementos reguladores que ocurren en cada paso pueden actuar para influir en otros pasos reguladores tanto antes como después en el proceso de expresión génica (es decir, el proceso de alterar químicamente un factor de transcripción puede influir en la regulación de su propia transcripción muchos pasos antes en el proceso). Estos complejos conjuntos de interacciones forman lo que se conoce como redes reguladoras de genes. Comprender la estructura y la dinámica de estas redes es fundamental para comprender cómo funcionan las diferentes células, la base de numerosas enfermedades, procesos de desarrollo y cómo las células toman decisiones sobre cómo reaccionar a los muchos factores que están en constante cambio tanto dentro como fuera.

Mutaciones

Los errores que ocurren durante la replicación del ADN no son la única forma en que pueden surgir mutaciones en el ADN. Las mutaciones, variaciones en la secuencia de nucleótidos de un genoma, también pueden ocurrir debido al daño físico al ADN. Estas mutaciones pueden ser de dos tipos: inducidas o espontáneas. Mutaciones inducidas son aquellos que resultan de una exposición a productos químicos, rayos ultravioleta, rayos X o algún otro agente ambiental. Mutaciones espontáneas ocurrir sin ninguna exposición a ningún agente ambiental; son el resultado de reacciones bioquímicas espontáneas que tienen lugar dentro de la célula.

Las mutaciones pueden tener una amplia gama de efectos. Algunas mutaciones no se expresan; estos se conocen como mutaciones silenciosas. Mutaciones puntuales son aquellas mutaciones que afectan a un solo par de bases. Las mutaciones de nucleótidos más comunes son las sustituciones, en las que una base se reemplaza por otra. Estos pueden ser de dos tipos, transiciones o transversiones. Sustitución de transición se refiere a una purina o pirimidina reemplazada por una base del mismo tipo; por ejemplo, una purina como la adenina puede reemplazarse por la purina guanina. Sustitución de conversión se refiere a una purina que se reemplaza por una pirimidina, o viceversa; por ejemplo, la citosina, una pirimidina, se reemplaza por adenina, una purina. Las mutaciones también pueden ser el resultado de la adición de un nucleótido, conocido como inserción, o la eliminación de una base, también conocido como deleción. A veces, un fragmento de ADN de un cromosoma puede trasladarse a otro cromosoma oa otra región del mismo cromosoma; esto se conoce como translocación.

Como veremos más adelante, cuando ocurre una mutación en una región codificante de una proteína, puede tener varios efectos. Los mutantes de transición o transversión pueden no producir cambios en la secuencia de la proteína (conocida como mutaciones silenciosas), cambie la secuencia de aminoácidos (conocida como mutaciones sin sentido), o crear lo que se conoce como codón de parada (conocido como mutación sin sentido). Las inserciones y deleciones en secuencias codificantes de proteínas conducen a lo que se conoce como mutaciones de cambio de marco. Mutaciones sin sentido que conducen a cambios conservadores da como resultado la sustitución de aminoácidos similares pero no idénticos. Por ejemplo, el aminoácido ácido glutamato sustituido por el aminoácido aspartato se consideraría conservador. En general, no esperamos que estos tipos de mutaciones sin sentido sean tan graves como un ningún conservante cambio de aminoácidos; como un glutamato sustituido por una valina. Basándonos en nuestra comprensión de la química de los grupos funcionales, podemos inferir correctamente que este tipo de sustitución puede tener consecuencias funcionales graves, según la ubicación de la mutación.

Nota: reloj de vocabulario

Tenga en cuenta que el párrafo anterior tenía mucho vocabulario potencialmente nuevo; sería una buena idea aprender estos términos.

Figura 1. Las mutaciones pueden provocar cambios en la secuencia de proteínas codificada por el ADN.

Discusión sugerida

Según su comprensión de la estructura de la proteína, ¿qué regiones de una proteína cree usted que son más sensibles a las sustituciones, incluso a las sustituciones de aminoácidos conservadas? ¿Por qué?

Discusión sugerida

Una mutación de inserción que da como resultado la inserción de tres nucleótidos suele ser menos perjudicial que una mutación que da como resultado la inserción de un nucleótido. ¿Por qué?

Mutaciones: alguna nomenclatura y consideraciones

Mutación

Etimológicamente hablando, el término mutación simplemente significa un cambio o alteración. En genética, una mutación es un cambio en el material genético (secuencia de ADN) de un organismo. Por extensión, un mutante es el organismo en el que se ha producido una mutación. Pero, ¿a qué se compara el cambio? La respuesta a esta pregunta es que depende. La comparación se puede hacer con el progenitor directo (célula u organismo) o con patrones observados en una población del organismo en cuestión. Depende principalmente del contexto específico de la discusión. Dado que los estudios genéticos a menudo miran una población (o subpoblaciones clave) de individuos, comenzamos por describir el término "tipo salvaje".

Tipo salvaje vs mutante

¿Qué entendemos por "tipo salvaje"? Dado que la definición puede depender del contexto, este concepto no es del todo sencillo. Aquí hay algunos ejemplos de definiciones con las que puede encontrarse:

Posibles significados de "tipo salvaje"

  1. Un organismo que tiene una apariencia que es característica de la especie en una población reproductora natural (es decir, manchas de un guepardo y rayas oscuras en forma de lágrimas que se extienden desde los ojos hasta la boca).
  2. La forma o formas de un gen ocurre con mayor frecuencia en la naturaleza en una especie determinada.
  3. Un fenotipo, genotipo o gen que predomina en una población natural de organismos o cepa de organismos en contraste con la de las formas mutantes naturales o de laboratorio.
  4. El gen o alelo normal, a diferencia del mutante.

El hilo común de todas las definiciones enumeradas anteriormente se basa en la "norma" para un conjunto de características con respecto a un rasgo específico en comparación con la población en general. En la "Edad previa a la secuenciación del ADN", las especies se clasificaron en función de fenotipos comunes (cómo se veían, dónde vivían, cómo se comportaban, etc.). Se estableció una "norma" para la especie en cuestión. Por ejemplo, los cuervos muestran un conjunto común de características, son aves grandes y negras que viven en regiones específicas, comen ciertos tipos de alimentos y se comportan de una manera característica determinada. Si vemos uno, sabemos que es un cuervo basándonos en estas características. Si viéramos uno con la cabeza blanca, pensaríamos que es un pájaro diferente (no un cuervo) o un mutante, un cuervo que tiene alguna alteración de la norma o tipo salvaje.

En esta clase tomamos lo que es común acerca de esas distintas definiciones y adoptamos la idea de que "tipo salvaje" es simplemente un estándar de referencia con el que podemos comparar a los miembros de una población.

Discusión sugerida

Si estuviera asignando rasgos de tipo salvaje para describir a un perro, ¿cuáles serían? ¿Cuál es la diferencia entre un rasgo mutante y la variación de un rasgo en una población de perros? ¿Existe un tipo salvaje para un perro que podamos usar como estándar? ¿Cómo empezaríamos a pensar en este concepto con respecto a los perros?

Figura 2. Las mutaciones pueden conducir a cambios en la secuencia de proteínas codificada por el ADN que luego impactan en la apariencia externa del organismo.
(Fuente)

Las mutaciones son simplemente cambios del "tipo salvaje", referencia o secuencia parental de un organismo. Si bien el término "mutación" tiene connotaciones coloquialmente negativas, debemos recordar que el cambio no es intrínsecamente "malo". De hecho, las mutaciones (cambios en las secuencias) no deben considerarse principalmente como "malas" o "buenas", sino simplemente como cambios y una fuente de diversidad genética y fenotípica en la que puede ocurrir la evolución por selección natural. La selección natural determina en última instancia el destino a largo plazo de las mutaciones. Si la mutación confiere una ventaja selectiva al organismo, la mutación se seleccionará y eventualmente puede volverse muy común en la población. Por el contrario, si la mutación es perjudicial, la selección natural asegurará que la mutación se pierda de la población. Si la mutación es neutra, es decir, no proporciona una ventaja o desventaja selectiva, entonces puede persistir en la población. Las diferentes formas de un gen, incluidas las asociadas con el "tipo salvaje" y los mutantes respectivos, en una población se denominan alelos.

Consecuencias de las mutaciones

Para un individuo, la consecuencia de mutaciones puede significar poco o puede significar vida o muerte. Algunas mutaciones deletéreas son nulo o knockear mutaciones que dan como resultado una pérdida de función del producto génico. Estas mutaciones pueden surgir por una deleción del gen completo, una porción del gen o por una mutación puntual en una región crítica del gen que hace que el producto génico no sea funcional. Estos tipos de mutaciones también se denominan pérdida de función mutaciones. Alternativamente, las mutaciones pueden conducir a una modificación de una función existente (es decir, la mutación puede cambiar la eficiencia catalítica de una enzima, un cambio en la especificidad del sustrato o un cambio en la estructura). En casos raros, una mutación puede crear una función nueva o mejorada para un producto genético; esto a menudo se conoce como ganancia de función mutación. Por último, pueden producirse mutaciones en regiones no codificantes del ADN. Estas mutaciones pueden tener una variedad de resultados, incluida la regulación alterada de la expresión génica, cambios en las tasas de replicación o propiedades estructurales del ADN y otros factores no asociados a proteínas.

Discusión sugerida

En la discusión anterior, ¿qué tipos de escenarios permitirían a un mutante con ganancia de función de este tipo la capacidad de competir con un individuo de tipo salvaje dentro de la población? ¿Cómo crees que se relacionan las mutaciones con la evolución?

Mutaciones y cáncer

Las mutaciones pueden afectar tanto a las células somáticas como a las germinales. A veces, se producen mutaciones en los genes de reparación del ADN, lo que de hecho compromete la capacidad de la célula para corregir otras mutaciones que puedan surgir. Si, como resultado de mutaciones en los genes de reparación del ADN, muchas mutaciones se acumulan en una célula somática, pueden conducir a problemas como la división celular descontrolada que se observa en el cáncer. Los cánceres, incluidas las formas de cáncer de páncreas, cáncer de colon y cáncer colorrectal, se han asociado con mutaciones como estas en los genes de reparación del ADN. Si, por el contrario, se produce una mutación en la reparación del ADN en las células germinales (células sexuales), la mutación se transmitirá a la siguiente generación, como en el caso de enfermedades como la hemofilia y la xeroderma pigmentosa. En el caso de xeroderma pigmentoas, los individuos con procesos de reparación del ADN comprometidos se vuelven muy sensibles a la radiación UV. En casos graves, estas personas pueden sufrir quemaduras solares graves con solo unos minutos de exposición al sol. Casi la mitad de todos los niños con esta afección desarrollan sus primeros cánceres de piel a los 10 años.

Consecuencias de los errores de replicación, transcripción y traducción

Algo clave para pensar:

Las células han desarrollado una variedad de formas de asegurarse de que los errores de ADN sean detectados y corregidos, desde la lectura de pruebas por parte de las diversas ADN polimerasas dependientes del ADN, hasta sistemas de reparación más complejos. ¿Por qué evolucionaron tantos mecanismos diferentes para reparar errores en el ADN? Por el contrario, los mecanismos de corrección de pruebas similares NO evolucionaron para errores en la transcripción o traducción. ¿Por qué podría ser esto? ¿Cuáles serían las consecuencias de un error en transcripción? ¿Tal error afectaría a la descendencia? ¿Sería letal para la celda? Qué pasa traducción? Haga las mismas preguntas sobre el proceso de traducción. ¿Qué pasaría si el aminoácido incorrecto se colocara accidentalmente en el polipéptido en crecimiento durante la traducción de una proteína? Compare esto con la replicación del ADN.

Las mutaciones como instrumentos de cambio

Las mutaciones son la forma en que las poblaciones pueden adaptarse a las cambiantes presiones ambientales.

Las mutaciones se crean aleatoriamente en el genoma de cada organismo, y esto a su vez crea diversidad genética y una plétora de alelos diferentes por gen por organismo en cada población del planeta. Si no se produjeran mutaciones y los cromosomas se replicaran y transmitieran con un 100% de fidelidad, ¿cómo se adaptarían las células y los organismos? Que las mutaciones se retengan por evolución en una población depende en gran medida de si la mutación proporciona una ventaja selectiva, plantea algún costo selectivo o, al menos, no es dañina. De hecho, las mutaciones que parecen neutrales pueden persistir en la población durante muchas generaciones y solo ser significativas cuando una población se enfrenta a un nuevo desafío ambiental. En este punto, las mutaciones aparentemente previamente neutrales pueden proporcionar una ventaja selectiva.

Ejemplo: resistencia a los antibióticos

La bacteria E. coli es sensible a un antibiótico llamado estreptomicina, que inhibe la síntesis de proteínas al unirse al ribosoma. La proteína ribosómica L12 se puede mutar de manera que la estreptomicina ya no se una al ribosoma e inhiba la síntesis de proteínas. Los mutantes de tipo salvaje y L12 crecen igualmente bien y la mutación parece ser neutra en ausencia del antibiótico. En presencia del antibiótico, las células mueren y los mutantes L12 sobreviven. Este ejemplo muestra cómo la diversidad genética es importante para que la población sobreviva. Si las mutaciones no ocurrieran al azar, cuando la población se enfrenta a un evento ambiental, como la exposición a la estreptomicina, toda la población moriría. Para la mayoría de las poblaciones, esto se convierte en un juego de números. Si la tasa de mutación es 10-6 luego una población de 107 las células tendrían 10 mutantes; una población de 108 tendría 100 mutantes, etc.

Los errores no corregidos en la replicación del ADN conducen a una mutación. En este ejemplo, se pasó un error no corregido a una célula hija bacteriana. Este error está en un gen que codifica parte del ribosoma. La mutación da como resultado una estructura 3D final diferente de la proteína ribosómica. Mientras que el ribosoma de tipo salvaje puede unirse a la estreptomicina (un antibiótico que matará la célula bacteriana al inhibir la función del ribosoma), el ribosoma mutante no puede unirse a la estreptomicina. Esta bacteria ahora es resistente a la estreptomicina.
Fuente: Imagen original del equipo Bis2A

Discusión sugerida

Basado en nuestro ejemplo, si tuvieras que cultivar una cultura de E. coli a una densidad de población de 109 células / ml; ¿esperaría que toda la población fuera idéntica? ¿Cuántos mutantes esperaría ver en 1 ml de cultivo?

Un ejemplo: lactato deshidrogenasa

Lactato deshidrogenasa (LDH), la enzima que cataliza la reducción del piruvato en ácido láctico en la fermentación, mientras que prácticamente todos los organismos tienen esta actividad, la enzima correspondiente y, por lo tanto, el gen difiere enormemente entre humanos y bacterias. Las proteínas están claramente relacionadas, realizan la misma función básica pero tienen una variedad de diferencias, desde las afinidades de unión al sustrato y las velocidades de reacción hasta los requisitos óptimos de sal y pH. Cada uno de estos atributos se ha ajustado evolutivamente para cada organismo específico a través de múltiples rondas de mutación y selección.

Discusión sugerida

Podemos utilizar el análisis comparativo de secuencias de ADN para generar hipótesis sobre las relaciones evolutivas entre tres o más organismos. Una forma de lograr esto es comparar el ADN o las secuencias de proteínas de las proteínas que se encuentran en cada uno de los organismos que deseamos comparar. Imaginemos, por ejemplo, que comparamos las secuencias de LDH de tres organismos diferentes, Organismo A, Organismo B y Organismo C. Si comparamos la secuencia de la proteína LDH del Organismo A con la del Organismo B, encontramos una única diferencia de aminoácidos. Si ahora miramos al Organismo C, encontramos 2 diferencias de aminoácidos entre su proteína LDH y la del Organismo A y una diferencia de aminoácidos cuando la enzima del Organismo C se compara con la del Organismo B. Ambos organismos B y C comparten un cambio común en comparación con el organismo A.

Esquema que representa las estructuras primarias de las proteínas LDH del organismo A, el organismo B y el organismo C. Las letras en el centro del diagrama lineal de proteínas representan los aminoácidos en una posición única y las diferencias propuestas en cada secuencia. Los extremos N y C también se indican como H2N y COOH, respectivamente.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Pregunta: ¿El organismo C está más estrechamente relacionado con el organismo A o B? La explicación más simple es que el organismo A es la forma más temprana, se produjo una mutación que dio lugar al organismo B. Con el tiempo, surgió una segunda mutación en el linaje B para dar lugar a la enzima que se encuentra en el organismo C. No se pueden descartar otras posibilidades. ¿Puedes pensar en otras formas en que las diferentes formas de la enzima LDH surgieron de estos tres organismos?

GLOSARIO

mutación inducida:

mutación que resulta de la exposición a productos químicos o agentes ambientales

mutación:

variación en la secuencia de nucleótidos de un genoma

reparación de desajustes:

tipo de mecanismo de reparación en el que las bases no coincidentes se eliminan después de la replicación

reparación por escisión de nucleótidos:

tipo de mecanismo de reparación del ADN en el que se eliminan la base incorrecta, junto con algunos nucleótidos aguas arriba o aguas abajo

corrección de pruebas:

función de DNA pol en la que lee la base recién agregada antes de agregar la siguiente

mutación puntual:

mutación que afecta a una sola base

mutación silenciosa:

mutación que no se expresa

mutación espontánea:

mutación que tiene lugar en las células como resultado de reacciones químicas que tienen lugar de forma natural sin exposición a ningún agente externo

sustitución de transición:

cuando una purina se reemplaza con una purina o una pirimidina se reemplaza con otra pirimidina

sustitución de transversión:

cuando una purina es reemplazada por una pirimidina o una pirimidina es reemplazada por una purina


Ver el vídeo: Brukssvängen 2018 SS1 (Septiembre 2022).