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Regulación génica

Gene Regulation

Todas las células somáticas del cuerpo tienen los mismos genes, pero según cuáles se activen y cuáles se apaguen, una célula acaba siendo de piel o neurona. E. coli controla sus enzimas de la lactosa con el operón lac: sin lactosa, un represor ocupa el operador y bloquea la transcripción, y aunque haya lactosa, la transcripción sigue siendo muy débil mientras haya glucosa. Los eucariotas regulan la expresión en muchas etapas, desde lo compacta que está la cromatina hasta la transcripción, el procesamiento del ARNm, la traducción y los cambios que sufre la proteína ya hecha. En el diagrama, los botones de lactosa y glucosa dan cuatro combinaciones, y puedes ver cómo el represor y la CAP se unen o se sueltan mientras la flecha de transcripción desaparece, se atenúa o se vuelve intensa.

Cómo un mismo genoma da células distintas

🤔 Qué diferencia a una célula de la piel de una neurona
①Todas las células somáticas proceden de un único cigoto, así que todas llevan los mismos unos 20 000 genes que codifican proteínas
②Aun así, las células de la piel fabrican mucha queratina y las que van a convertirse en glóbulos rojos fabrican hemoglobina
③La diferencia no está en qué genes tiene cada célula, sino en cuáles expresa, cuándo y con qué intensidad
④Activar solo los genes que la célula necesita se llama regulación de la expresión génica
⑤Cuando la combinación de genes activos se fija, la célula adquiere una forma y una función concretas: es la diferenciación celular

Regulación en procariotas: el operón lac

🧬 Cuándo fabrica E. coli las enzimas de la lactosa
①E. coli usa primero la glucosa como fuente de energía y solo recurre a la lactosa cuando la glucosa se acaba
②Sin lactosa, el represor que produce el gen regulador se une al operador, y la ARN polimerasa no puede transcribir los genes estructurales
③Cuando entra lactosa, un derivado suyo (la alolactosa) se une al represor, le cambia la forma y lo separa del operador
④Si además hay glucosa, el AMPc está bajo, la CAP no puede unirse delante del promotor y la transcripción sigue siendo muy débil
⑤Solo con lactosa y sin glucosa el complejo AMPc-CAP ayuda a la ARN polimerasa a unirse, y la célula fabrica enzimas de la lactosa en abundancia
Condición para una transcripción intensa del operón lac
con lactosa + sin glucosa → represor liberado + AMPc-CAP unida → transcripción ON
La lactosa levanta la represión, y la falta de glucosa permite que la CAP impulse la transcripción. Solo con las dos condiciones a la vez se fabrica mucha enzima.

Estados del operón lac

Expresión según la combinación de lactosa y glucosa
LactosaGlucosaOperón lacRazón
−−OFFsin lactosa, el represor sigue en el operador (la CAP puede unirse, pero la transcripción está bloqueada)
−+OFFsin lactosa, el represor bloquea el operador, y la glucosa impide además que se una la CAP
++BAJAel represor se ha soltado, pero la CAP no puede unirse y la transcripción es muy débil
+−ONel represor se ha soltado y la AMPc-CAP impulsa la transcripción

Las partes del operón lac

Partes del operón

Función del operón lac y de su gen regulador
Gen regulador
está fuera del operón y se expresa siempre, así que el represor se fabrica sin parar
codifica el represor
Promotor
la ARN polimerasa se une aquí para empezar la transcripción, y justo delante está el sitio de unión de la CAP
donde se une la ARN polimerasa
Operador
mientras el represor está aquí, la ARN polimerasa no puede avanzar y la transcripción se detiene
donde se une el represor
Genes estructurales (Z, Y, A)
Z = β-galactosidasa (degrada la lactosa), Y = permeasa (la introduce en la célula), A = transacetilasa. Los tres se transcriben juntos en un solo ARNm
codifican las enzimas necesarias para usar la lactosa

Regulación en eucariotas: muchas etapas

🏗️ En qué se diferencia la regulación de procariotas y eucariotas
①Los procariotas agrupan varios genes relacionados en un solo operón y los activan o apagan a la vez
②En los eucariotas cada gen tiene su propio promotor, y combinaciones de factores de transcripción regulan su transcripción
③Antes de la transcripción importa lo suelta que esté la cromatina; después, cómo se procesa el ARNm y cuánto dura cambian la cantidad de proteína
④Como hay control en cada etapa, un organismo pluricelular forma cientos de tipos de células a partir de un solo genoma
Regulación en la transcripción
factores de transcripción se unen a regiones reguladoras → la ARN polimerasa se une al promotor → empieza la transcripción
Cada tipo de célula tiene su propia mezcla de factores de transcripción, así que un mismo gen puede estar activo en una célula y apagado en otra.

Etapas de regulación

Etapas de la regulación de la expresión génica en eucariotas
Antes de la transcripción
con la cromatina compacta, los factores de transcripción no llegan al ADN; al soltarse, la transcripción es más fácil
metilación del ADN, modificación de histonas
Transcripción
la etapa más importante para fijar el nivel de expresión, con una combinación de factores distinta para cada gen
factores de transcripción y regiones reguladoras como los potenciadores
Después de la transcripción
se eliminan los intrones y los exones se empalman de formas distintas, así que un gen puede dar varias proteínas
procesamiento del ARNm (splicing alternativo)
Traducción
lo que dura un ARNm decide cuánta proteína se fabrica
los miARN frenan la traducción o degradan el ARNm
Después de la traducción
decide cuándo se activa una proteína y cuándo se degrada
fosforilación, unión de ubiquitina
Epigenética
metilación del ADN, acetilación de histonas → misma secuencia de bases, distinta expresión
Estas marcas pasan a las células hijas cuando la célula se divide, y pueden cambiar con el ambiente.

Ejemplos y examen

Ejemplo 1
En el operón lac de E. coli, ¿en qué condición se fabrican más enzimas de la lactosa? Responde según haya o no lactosa y glucosa.
1
Tiene que haber lactosa para que el represor se suelte del operador y la ARN polimerasa pueda llegar a los genes estructurales.
2
Si además hay glucosa, el AMPc está bajo y la CAP no puede unirse delante del promotor, así que la transcripción sigue siendo muy débil aunque el represor ya no esté.
▸ con lactosa + sin glucosa
La lactosa es la condición que levanta la represión, y la falta de glucosa es la que impulsa la transcripción. Con lactosa + y glucosa − en el diagrama aparece la CAP y la flecha de transcripción alcanza su máxima intensidad.
Ejemplo 2
Se añade lactosa a un medio sin glucosa. ¿En qué orden ocurren los hechos en el operón lac hasta que empieza la transcripción?
1
Antes de añadir lactosa, el represor está unido al operador y la ARN polimerasa no puede transcribir los genes estructurales.
2
Al entrar la lactosa, un derivado suyo se une al represor, le cambia la forma y lo separa del operador. Como no hay glucosa, la AMPc-CAP también se une, y la ARN polimerasa transcribe los genes estructurales a gran ritmo.
▸ un derivado de la lactosa se une al represor → el represor deja el operador → la transcripción empieza con ayuda de la AMPc-CAP
El represor decide si hay transcripción o no, y la CAP decide con qué intensidad ocurre. Por eso el operón lac responde a dos señales a la vez.
Problema tipo CSAT
¿Qué afirmación sobre el operón lac de los procariotas es correcta?
①Cuando abunda la glucosa, se fabrican muchas enzimas de la lactosa
②El operador es el sitio donde se une la ARN polimerasa
③El represor se fabrica a partir del gen regulador
④Sin lactosa, los genes estructurales se transcriben activamente
⑤Los eucariotas suelen regular varios genes juntos con un solo operón
▸ ③ El represor se fabrica a partir del gen regulador
1
El gen regulador se expresa siempre y fabrica el represor, que se une al operador cuando no hay lactosa.
2
Con mucha glucosa la CAP no puede unirse y casi no se fabrica enzima (①); la ARN polimerasa se une al promotor (②); sin lactosa la transcripción está reprimida (④); y en los eucariotas cada gen suele tener su propio promotor (⑤).

Resumen

Lo esencial de la regulación génica
mismo genoma + expresión distinta en cada célula = diferenciación celular
Por eso células que comparten un mismo genoma llegan a ser células distintas.
🎯 Puntos clave
①El operón lac está formado por promotor, operador y genes estructurales, y el gen regulador queda fuera de él
②Sin lactosa, el represor se une al operador y no hay transcripción
③Cuando llega lactosa, un derivado suyo se une al represor y lo separa del operador
④Si además hay glucosa, la CAP no puede unirse y la transcripción es muy débil; la transcripción es máxima solo con lactosa
⑤Los eucariotas regulan la transcripción con combinaciones de factores de transcripción, y las marcas epigenéticas cambian la expresión sin cambiar la secuencia de bases
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