Seminario BC11-2020

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BIOLOGIA CELULAR
III UNIDAD ACADEMICA. 
CICLO LECTIVO 2020
SEMINARIO Nº 11
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN 
GÉNICA EN PROCARIONTES Y 
EUCARIONTES
Flujo de la información genética
OBJETIVOS:
 ADAPTACIÓN AL MEDIO
 ECONOMÍA DE ENERGÍA Y 
METABOLITOS
En procariontes la transcripción representa el 
principal nivel de regulación de la expresión 
génica
En eucariontes
la regulación 
de la
expresión génica 
ocurre
en múltiples niveles 
1. Inducción enzimática del operón lactosa
a) control represivo
b) control positivo
2. Represión enzimática del operón triptofano a nivel de la iniciación 
de la transcripción
3. Interrupción prematura de la transcripción del operón triptofano
Mecanismos de regulación de la 
expresión génica en procariontes
En procariontes existen grupos de genes que se regulan en forma coordinada.
A estos grupos de genes se los denomina operón.
OPERON: Unidad genética constituida por genes adyacentes que
funcionan coordinadamente bajo el control de un operador, una
única proteína represora y un solo promotor.
Regulación de la expresión 
génica en procariontes
Regulación del operon lac por la presencia del inductor
Operón Lactosa 
activo
Operón Lactosa 
inactivo
Regulación del operon lac por la presencia del inductor y por la 
Proteina Activadora del Catabolito (CAP)
Operon Triptofano
Activación y desactivación de los genes para la síntesis de 
Triptofano (TRP)
Distintos tipos celulares
La diferenciación celular 
implica la expresión
diferencial 
de genes. 
¿Qué tienen en común una neurona de mi retina y un 
linfocito de mi sangre periférica?
neurona linfocito
Ambos comparten el mismo genoma
Figure 8-3 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
transcripto 
primario de 
ARN
ARN inactivo
proteína
proteína 
inactiva
proteína 
activa
Control de la 
transcripción
Control del 
procesamiento 
del ARN
Control del 
transporte y 
localización 
del ARN
Control de la 
degradación 
del ARNm
Control de la 
traducción
Control 
de la 
actividad 
proteica
CitosolNúcleo
Niveles de regulación de la expresión génica en eucariontes
Como ya sabemos …..
La regulación ocurre a distintos niveles durante el camino ADN → 
proteína
1.- Estructura de la cromatina
a.- Empaquetamiento
b.- Modificaciones epigenéticas
- de histonas
- del ADN
2.- Rearreglos génicos (Plasticidad del genoma).
3.- Transcripción propiamente dicha
Secuencias regulatorias
a.- Promotores (basales, río arriba)
b.- Enhancers
c.- Silenciadores
d.- Superenhacers
d.- Aislante (Insulator)
c.- Factores de transcripción basales y específicos
Niveles de regulación de la 
expresión génica en eucariontes
I A NIVEL TRANSCRIPCIONAL
II A NIVEL POST-TRASNCRIPCIONAL
a.- Agregados 5`- y 3`- (en el caso del mRNA)
b.- Eliminación de intrones
c.- Splicing alternativo (mRNA)
III ARNm MADURO EN EL CITOPLASMA
a.- Transporte
b.- Estabilidad del ARNm.
c.- Secuencia AUUUA en el 3‘- UTR (Degradación temprana).
d.- Acción de ARN pequeños no codificantes.
IV A NIVEL TRADUCCIONAL
Inicio de la translación (reconocimiento del codón AUG correcto).
V A NIVEL POST-TRADUCCIONAL
a.- Modificaciones (glicosilación, agregado GPI, acetilación., etc)
b.- Transporte a su destino final
c.- Estabilidad
Niveles de regulación de la 
expresión génica en eucariontes
I Control a nivel transcripcional
1.- Estructura de la cromatina
2.- Rearreglos génicos (Plasticidad del genoma).
3.- Transcripción propiamente dicha
transcripto 
primario de 
ARN
ARN inactivo
proteína
proteína 
inactiva
proteína 
activa
Control de la 
transcripción
CitosolNúcleo
Niveles de empaquetamiento de la
cromatina
Las histonas
fibra fina de 10 nm 
(arrosariada)
Microscopía electrónica de las fibras 
fina y gruesa de cromatina
fibra gruesa de 30 nm
(solenoide)
Regiones libres de nucleosomas en la 
fibra gruesa de cromatina de 30 nm
ACTIVATION
REPRESSION
DNAH3/H4
10 nM
30 nM
Pol II
Las modificaciones epigenéticas condicionan el 
grado de condensación de la cromatina
Modificaciones epigenéticas de las histonas
O-Palmitoilación
ADP-
Ribosilación
Sumoilización
Acetilación
Metilación
Ubiquitinización
Fosforilación
Glicosilación
Deimininación
K:lisina; C:carboxiterminal; E:glutámico; M: metil; P:fosfato; S:serino; Ub: ubiquitin
Modificaciones químicas de las “colitas” de las 
histonas nucleosómicas
Disminuyen enrollamiento
 Acetilación (en Lys)
 Metilación Lys4, Arg17, Arg26 en H3.
 Desosforilación Ser10 en H3.
 Ubiquitinación H2B
Aumentan enrollamiento
Desacetilación (en Lys) 
Metilación (en Lys o Arg) 
Fosforilación (Ser, Thr) 
Ubiquitinación H2A
Modificaciones de las histonas.
Acetilación - Desacetilación de histonas
Un target terapéutico
Terapia 
Transcripcional
Metilaciones de sitios específicos en el ADN. Otro target de la Terapia 
Transcripcional
Uso clínico de 5 – Azacitidina como hipometilante de ADN
Ejemplo: algunos tipos de Leucemias como la Leucemia mielomonocítica crónica.
Han comenzado clinical trials combinando la 5-Aza con inhibidores de desacetilasas de histonas.
Un ejemplo …
Actividad de los Complejos Represores de Proteinas Polycomb (PRC) 1 y 2
Se han desarrollado péptidos inhibidores de la actividad de EZH2
Complejos transcripcionales
Level 1
Level 2
Bcl-6
SMARTe
NCoR
HDACs
DNMTs
Factor de
Transcripción
Represor
Co-Factores
Represores
Level 3
Modificadores 
de Histonas
Modificadores 
de ADN
Otro ejemplo de terapia transcripcional
Dímero
de BCL6
Co-
represor
Síntesis de un péptido 
que compite
con el co-represor 
por su unión a BCL6.
Los co-represores
son desplazados, 
se re-expresan 
los genes 
antes silenciados 
por BCL6
Interferencia de una interacción proteína-proteína
Secuencias Génicas y Secuencias 
Relacionadas con los Genes.20 %
Secuencias repetitivas en tándem 
 Satélites.
Minisatélites.
Microsatélites.
Secuencias Extragénicas.
3 x 109 pares de 
bases por 
genoma 
haploide.
 Copia única
 ADN repetitivo
20%
80%
 Promotor
 Enhancers
 Intrones
 Exones
Secuencias repetitivas intercaladas
 SINEs
 LINEs
Organización del genoma humano
Clasificación de las Secuencias del ADN Genómico Humano
Secuencias
Extragénicas
ADN
Repetitivo
 Satélites.
 Minisatélites.
 Microsatélites.
 SINEs
 LINEs
 Pseudogenes
 Pseudogenes Procesados
 Transposones
En Tandem Intercaladas
Los transposones de ADN pueden flanquear un exón e incluirlo en la 
molécula de ADN intermediario, para finalmente insertar el nuevo 
exón en otro gen
Transposición
Los genes pueden ser:
 Constitutivos o domésticos (“housekeeping”). 
Presentan una expresión basal y no requieren ser 
regulados.
 Regulables (inducibles o reprimibles) en su nivel, 
momento o tiempo y lugar de expresión 
Los genes eucariotas
 Copia única
 Copias múltiples (redundancia) (p.e. genes para ARNr, 
ARNt, algunos ARNm)
 Pueden amplificarse
 Están distribuidos en diferentes cromosomas
 Poseen exones e intrones
 El genoma humano posee entre 20.000 y 25.000 genes
Tres tipos de ARN Polimerasas en eucariontes
(Cada una constituida por 12-17 subunidades)
Una única ARN Polimerasa en procariontes
TIPO DE POLIMERASA GENES TRANSCRIPTOS
ARN polimerasa I ARNr de 45S.
ARN polimerasa II Todos los genes codificadores de proteínas, 
snoRNA,
microARN, 
siRNA
algunos snARN , 
lncARN.
ARN polimerasa III ARNt
ARNr 5S
Genes de muchos snARN
Contienen 9 subunidades conservadas, de las cuales cinco están relacionadas con las
subunidades α, β, β´y σ de la ARN Pol procariota.
Secuencias más frecuentes en los promotores utilizados 
por la ARN Pol II.
u d
Elemento de
unión de TFIIB
Río arriba de TATA 
Elemento de
unión de TFIIB
Río abajo de TATA 
Elemento 
Iniciador
DCE MTE DPE
Downstream 
Core Element
Downstream 
Core Promoter
Element
Motif Ten 
Element
TFIIB
1.- TFIID
2.- TFIIB – Pol II
3.- TFIIF
4.- TFIIE
5.- TFIIH
TFIID
TFIIH
TFIID
Iniciación de la transcripción 
porla ARN Pol II
Complejo de 
Pre-Iniciación
TBP
TAF TAF TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TAF
TFIIA TFIIB
TFIIA
TFIIB
TFIIH (quinasa)
y subunidades Helicasa
ATP ADP + Pi
TFIIB
TFIIATFIIB
CTD-Pol II
52 repeticiones en tándem
Tyr-Ser-pro-Thr-Ser-pro-Ser
Los factores transcripcionales específicos se unen a 
secuencias reguladoras enhancers o silenciadoras
Los activadores cooperan en el ensamblaje de los factores de 
transcripción generales y la ARN polimerasa al promotor 
Figure 8-10 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
Proteína 
activadora
Secuencia 
regulatoria 
(amplificador )
caja TATA
Inicio de la 
transcripción
Unión de factores de 
transcripción generales, 
mediador y ARN polimerasa
Proteína activadora
Mediador
ARN polimerasa II
Comienzo de la transcripción
H3K4me1, H3K27me3
Cromatina cerrada
H3K4me1, H3K27Ac
Cromatina abierta
Clusters de enhancers
Altos niveles de H3K4me1, H3K27Ac
Cromatina abierta
Superenhancers
Modificaciones epigenéticas en las secuencias enhancers
Enhancers
Mecanismo de acción de enhancers ubicados a corta y larga 
distancia del promotor.
A.- Corta distancia: reclutamiento local de moléculas.
B.- Larga distancia: modificaciones de la estructura d la cromatina.
Modificado de Mol Cell Biol. 2012 Dec;32(24):4892-7.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23045397
Mecanismos de funcionamiento de las secuencias aislantes.
Modo de acción de un enhancer ubicado a distancia del promotor.
Modificado de 
Curr Opin Genet Dev. 2012 Apr; 22(2): 79–85.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/eutils/elink.fcgi?dbfrom=pubmed&retmode=ref&cmd=prlinks&id=22169023
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/eutils/elink.fcgi?dbfrom=pubmed&retmode=ref&cmd=prlinks&id=22169023
Enhancer
Aislante (Insulator)
Promotor
Aislante: bloquea la acción de un enhancer sobre el promotor
Mecanismos de funcionamiento de las secuencias aislantes.
Modificado de 
Curr Opin Genet Dev. 2012 Apr; 22(2): 79–85.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/eutils/elink.fcgi?dbfrom=pubmed&retmode=ref&cmd=prlinks&id=22169023
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/eutils/elink.fcgi?dbfrom=pubmed&retmode=ref&cmd=prlinks&id=22169023
II A NIVEL POST-TRANSCRIPCIONAL
a.- Agregados 5`- y 3`- (en el caso del mRNA)
b.- Eliminación de intrones
c.- Splicing alternativo (mRNA)
transcripto 
primario de 
ARN
ARN inactivo
proteína
proteína 
inactiva
proteína 
activa
Control del 
procesamiento 
del ARN
CitosolNúcleo
Procesamiento del ARNm precursor
Procesamiento del ARNm precursor
Consecuencias del splicing alternativo.
Diferentes proteínas a partir de un precursor común 
dependiendo del tejido
transcripto 
primario de 
ARN
ARN inactivo
proteína
proteína 
inactiva
proteína 
activa
Control del 
transporte y 
localización 
del ARN
CitosolNúcleo
III ARNm MADURO EN EL CITOPLASMA
a.- Transporte.
b.- Estabilidad del ARNm.
c.- Secuencia AUUUA en el 3‘- UTR (Degradación temprana).
d.- Acción de ARN pequeños no codificantes.
El ARNm madura se asocia a distintas
proteínas antes de ser transportado al núcleo
complejo del 
poro nuclearproteína de 
unión al cap
proteína de 
union a poli-A
NÚCLEO CITOSOL
Intercambio 
de proteínas
Factor de 
iniciación para la 
síntesis proteica
TRADUCCIÓN
Complejo de Unión del Exón (EJC) se une al ARNm después de corte y empalme exitoso.
Ribonucleoproteína Heterogénea Nuclear (RNPhn) transcriptos primarios + proteínas 
asociadas que actúan como chaperonas manteniendo a los ARNm desplegados.
El ARNm maduro es exportado al citosol a través 
de poros nucleares
Región 
no codificante
5’ - UTR
Región 
no codificante
3’ - UTR
Proteina
Región 
Codificante
ARN mensajero maduro en eucariontes
RNAs
mRNAs
tRNAs
rRNAs
scRNAs (citoplasmáticos)
snRNAs (nucleares)
snoRNAs (nucleolares)
Protein 
Coding RNAs
Housekeeping 
ARNs
Small RNAs
Long RNAs 
(LncRNAs).
Non-coding RNAs 
(ncRNAs)
Small 
Non-Coding RNAs
(small ncRNAs)
< 200 nt
microRNAs (miRNAs)
Small Interfering RNAs 
(siRNAs)
PIWI-Interacting RNAs 
(piRNAs)
Non Coding 
RNAs
Large RNAs
OR
macroRNAs
OR
Long Intergenic 
RNAs
Long 
Non-Coding RNAs 
(Long ncRNAs).
> 200 nt
Génesis de los microRNAs
Moléculas de ARN de 
cadena simple 
(18-24 nucleótidos) 
capaces de unirse a 
Sitios complementarios 
de ARNm, alterando 
su estabilidad (clivaje)
o reprimiendo su traducción
Mecanismos de acción de los microARNs 
Complejo de
Silenciamiento
Inducido
Por ARN
ARN doble cadena extraño
Clivaje por DICER
Formación del DISC
Búsqueda del ARNm 
con secuencia 
complementaria
Degradación 
del ARN
Mecanismo de acción del ARN pequeño de interferencia
Long Non-Coding RNAs
Regulan la expresión de genes comprometidos con
 Modificaciones de la cromatina
 Transcripción
 Procesamiento post-transcripcional (ej. Splicing)
La expresión de los mismos es
 específica de tejido
 específica de una patología
 específica de un estadío determinado 
de maduración celular
IV A NIVEL TRADUCCIONAL
transcripto 
primario de 
ARN
ARN inactivo
proteína
proteína 
inactiva
proteína 
activa
Control de la 
traducción
CitosolNúcleo
Traducción: 
Iniciación Subunidad ribosomal 
menor con ARNt 
iniciador unido
ARNt iniciador
factores de 
iniciación 
adicionales
Control de la traducción general
Fosforilación del eIF2
eIF2 
inactivo
eIF2 
activo
Factor de intercambio de nucleótido 
de guanina (eIF2B)
eIF2 
inactivo
Proteína kinasa 
fosforila al eIF2
El eIF2 fosforilado 
secuestra todo el 
eIF2B como un 
complejo inactivo
En ausencia de 
eIF2B, el exceso 
de eIF2 permanece 
en su forma 
inactiva unida a 
GDP y la síntesis 
proteica se 
enlentece 
dramáticamente
eEF1 α
eEF1 α
Elongación de la traducción 
GTP
GDP
GDP
eEF1α
eEF1βϒ
eEF1α GTP
V A NIVEL POST-TRADUCCIONAL
 Plegamiento
 Unión de subunidades
 Unión a co-factores
 Fosforilación
 Glicosilación
 Acetilación
 Anclaje de lípidos
 Puentes S-S
 Ubiquitinización
transcripto 
primario de 
ARN
ARN inactivo
proteína
proteína 
inactiva
proteína 
activa
Control de 
la 
actividad 
proteica
CitosolNúcleo