Capítulo 11. La regulación de la expresión génica

El genoma procarionte

1. El genoma de los procarionte consiste en una sola molécula circular de DNA: el cromosoma bacteriano.

2. Las regiones que codifican polipéptidos con funciones relacionadas suelen encontrarse juntas formando grupos funcionales llamados cistrones, que se transcriben en una sola molécula de mRNA policistrónico.

3. Los procariontes también suelen tener plásmidos, pequeñas moléculas circulares de DNA que se replican en forma autónoma.

Regulación de la expresión génica en procariontes

4. La bacteria Escherichia coli presenta enzimas inducibles, que son sintetizadas cuando hacen falta y en respuesta a estímulos ambientales. También posee enzimas reprimibles, cuya síntesis se interrumpe ante la presencia de los productos de las reacciones que catalizan.

5. La regulación de la síntesis de proteínas ocurre a nivel de la transcripción y es una consecuencia de la interacción entre el ambiente químico de la bacteria y proteínas codificadas por genes reguladores. Estas proteínas pueden funcionar como controles negativos, reprimiendo la transcripción del mRNA, o como controles positivos, intensificándola.

6. Los operones están formados por un promotor, un operador y un cistrón. La transcripción del cistrón depende de una proteína represora que se une al operador. Esta acción obstruye al promotor, lo cual impide la transcripción. La capacidad del represor para unirse al operador depende de una molécula efectora. Según el tipo de operón, la molécula efectora activa o inactiva al represor.

Fig. 11-4. El modelo del operón

Un operón está formado por un promotor, un operador y "genes" estructurales o cistrones (regiones que codifican proteínas -con frecuencia enzimas- que trabajan en forma secuencial en una vía metabólica determinada). El promotor, que precede al operador, es el sitio de unión para la RNA polimerasa. El operador es el sitio al cual puede unirse una proteína represora. Otro gen involucrado en la función del operón es el regulador, que codifica la proteína represora (represor). Aunque el regulador puede estar adyacente al operón, en muchos casos está ubicado en otro lugar del cromosoma bacteriano.

El genoma eucarionte

7. El genoma de los eucariontes se define como todo el DNA presente en los cromosomas, incluidos los genes y las regiones no codificantes. Está distribuido en varios cromosomas que se encuentran dentro del núcleo celular.

8. Comparado con el genoma procarionte, el eucarionte presenta:

- Mayor cantidad de DNA.

- Genes interrumpidos por intrones.

- Gran proporción de DNA intergénico.

- Una gran cantidad de secuencias repetidas.

- Cromosomas formados por DNA y proteínas histónicas y no histónicas.

- Una organización compleja de las secuencias codificadoras y reguladoras del DNA, en la que cada gen tiene, además del promotor, elementos de regulación que amplifican la transcripción (enhancers).

Fig. 11-12. Un gen eucarionte y su transcripción

Un gen eucarionte funcional tiene un promotor, una secuencia de DNA a la que, con la ayuda de factores de transcripción se une la RNA polimerasa. El inicio de la transcripción está regulado por varios elementos de control que son secuencias de DNA, algunas localizadas cerca y otras lejos del promotor.

La regulación de la expresión génica en los eucariontes

9. La expresión de los genes eucariontes puede estar regulada en diferentes etapas:

- La transcripción.

- El procesamiento del mRNA transcrito.

- El transporte del mRNA del núcleo al citoplasma.

- La degradación del mRNA.

- La actividad de las proteínas (activación e inactivación).

10. Los factores basales de la transcripción son un grupo de proteínas necesarias en la transcripción. Los factores reguladores de la transcripción son otro grupo de proteínas que se unen a los enhancers y a la maquinaria transcripcional. La expresión génica diferencial desempeña un papel fundamental en el proceso de diferenciación celular.

11. El mRNA transcrito primario es procesado y se convierte en un mRNA maduro que es transportado al citoplasma, donde es traducido a proteínas. Los mRNA que debido a errores cometidos por la RNA polimerasa contienen codones de terminación prematuros son destruidos mediante un mecanismo llamado degeneración o decaimiento del mRNA.

12. El control postranscripcional de los mRNA es clave en la regulación de la expresión génica. Regula tanto la estabilidad del mensajero como su localización, controlando temporal y espacialmente la traducción de las proteínas codificadas.

13. En el citoplasma de muchos tipos celulares se forman estructuras granulares, compuestas por ciertos RNA y proteínas. Estas estructuras estarían involucradas en el destino de los mRNA.

14. Los gránulos de estrés son estructuras constituidas también por RNA y proteínas, que se forman en condiciones ambientales atípicas y disminuyen la síntesis de las proteínas de mantenimiento.

15. La degradación de los mRNA impide la síntesis permanente de proteínas. El proceso implica la eliminación del poli-A y el CAP, seguido por la acción de exonucleasas. La invasión por virus suele disparar la síntesis de RNA "antisentido", que hibrida con el mRNA normal e impide su traducción.

15. Los organismos transgénicos son aquellos que incorporaron información genética nueva, por agregado de DNA ajeno. El gen incorporado se denomina transgén.

Fig. 11-16. Obtención de un animal transgénico

(a) Esquema del procedimiento por el cual Gordon y Ruddle insertaron en ratones el gen de globina beta de conejo. El gen fue introducido en plásmidos (véase cap. 14), que luego se inyectaron en óvulos fecundados justo antes de que se fusionaran los núcleos del óvulo y del espermatozoide. Después de la inyección, los óvulos fecundados se implantaron en un ratón hembra, que parió varias crías al cabo de 21 días de gestación. El polipéptido de globina beta del conejo estaba presente en los glóbulos rojos de los hijos y las técnicas de hibridación mostraron que el transgén se había incorporado establemente a su DNA. (b) Foto que muestra la inyección de una suspensión de plásmidos en un óvulo fecundado. El diámetro de la punta de la micropipeta es de alrededor de 0,5 micrómetros pero, para la escala de tamaños de los elementos que se manipulan, este procedimiento, como dijera Gordon, "equivale a que una persona fuese golpeada por un poste de cables de teléfono". Sin embargo, suele sobrevivir un número significativo de óvulos.

16. Los clones son individuos genéticamente idénticos a otros que se obtienen con células sexuales, pero sin la necesidad de cruzas sexuales convencionales, por transferencia del núcleo de una célula diploide diferenciada a un oocito no fecundado.

Fig. 11-17. Clonación de Dolly

Esquema del proceso que permitió clonar un mamífero a partir de una célula totalmente diferenciada.