BC 2020 Seminario 3 versión online V4

Vista previa del material en texto

SEMINARIO 3 
BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR AÑO 2020
Regulación de la 
expresión génica – parte I
A la hora de jerarquizar información 
presten siempre atención a los 
objetivos planteados por el plantel.
Objetivos generales
Los seminarios 3 y 4 (Regulación de la expresión genética, partes I y II), 
forman una unidad temática. Los objetivos generales, que corresponden a 
toda la unidad temática, son los siguientes:
1- Explicar qué significa el concepto ‘regulación de la expresión genética’.
Que los estudiantes puedan:
2- Identificar los diferentes procesos involucrados en la expresión de la 
información genética y comprender los mecanismos moleculares de regulación 
de los mismos.
A la hora de jerarquizar información 
presten siempre atención a los 
objetivos planteados por el plantel.
Objetivos generales
Los seminarios 3 y 4 (Regulación de la expresión genética, partes I y II), 
forman una unidad temática. Los objetivos generales, que corresponden a 
toda la unidad temática, son los siguientes:
Que los estudiantes puedan:
3- Relacionar los distintos mecanismos de regulación de la expresión génica con 
la temporalidad de sus efectos (regulaciones con efectos a largo plazo y a corto 
plazo).
4- Aplicar el concepto de regulación de la expresión génica para comprender 
diversos fenómenos fisiológicos como la diferenciación celular y la respuesta 
celular a estímulos.
1- Diferenciación celular
Contextualicemos la importancia de la regulación de la expresión genética 
con dos ejemplos de procesos fisiológicos que la ponen de manifiesto:
Todas las células de un individuo poseen el mismo genoma. Sin embargo, 
las células poseen distintas especializaciones morfológicas, bioquímicas y 
funcionales, que son adquiridas durante el proceso de diferenciación celular
NEURONA
HEPATOCITO
Las células con diferentes especializaciones expresan distintos 
subconjuntos de genes del genoma.
¿Cuáles son los mecanismos que permiten que ciertos genes se expresen 
en un tipo celular y no en otro?
1- Diferenciación celular
Contextualicemos la importancia de la regulación de la expresión genética 
con dos ejemplos de procesos fisiológicos que la ponen de manifiesto:
Ejemplos de genes que se expresan 
exclusivamente en neuronas
Ejemplos de genes que se expresan 
exclusivamente en hepatocitos
↑β-caseína
↑α-lactalbúmina
2- Respuesta celular a estímulos agudos o de corto plazo
Contextualicemos la importancia de la regulación de la expresión genética 
con dos ejemplos de procesos fisiológicos que la ponen de manifiesto:
Ejemplo:
Ante el estímulo de la hormona 
prolactina las células secretoras de 
glándulas mamarias comienzan a 
expresar los genes de las proteínas 
β-caseína y α-lactalbúmina, dos 
proteínas que forman parte de la 
leche producida por esas células.
Hay cambios en los genes 
expresados por las células antes y 
después del estímulo agudo o de 
corto plazo.
PROLACTINA
En los fenómenos de diferenciación celular y en la respuesta celular a 
estímulos hay una expresión génica diferencial
¿Cuáles son los mecanismos moleculares que permiten 
la expresión diferencial de genes?
Diferenciación celular Respuesta celular a estímulos agudos o 
de corto plazo
Poder responder esta pregunta es uno de los objetivos generales de esta unidad temática
Expresión génica diferencial entre tipos celulares
Expresión génica diferencial en un mismo 
tipo celular antes y después del estímulo
El genoma humano
¿Cuántos genes tiene el genoma humano?
~21.000 
genes que codifican proteínas
~30.000 genes
~9.000 
genes de ARNs no codificantes
No todos los genes se expresan 
en todos los tipos celulares ni en 
todo momento
Puntos de regulación de la expresión genética
A- Regulación pre-transcripcional
B- Regulación de la transcripción
En ese seminario 
se analizarán:
La accesibilidad del ADN a la maquinaria de transcripción 
A- Regulación pre-transcripcional
A la hora de jerarquizar información 
presten siempre atención a los 
objetivos planteados por el plantel.
Objetivos específicos I
1- Explicar el concepto regulación epigenética en el contexto de la biología 
molecular.
Que los estudiantes puedan:
2- Reconocer a las modificaciones covalentes de las histonas, la actividad de los
complejos remodeladores de la cromatina y la metilación del ADN como
mecanismos moleculares epigenéticos que regulan la expresión génica.
3- Comprender las interacciones moleculares que permiten a los mecanismos
epigenéticos mencionados regular el grado de compactación de la cromatina
Regulación epigenética
Mecanismos moleculares, algunos de ellos heredables, que proveen 
información regulatoria al genoma sin alterar la secuencia de 
nucleótidos del ADN.
(“por encima” de los genes)
En Biología Molecular:
Ejemplos:
• Modificaciones covalentes de histonas
• Actividad de complejos remodeladores de la cromatina
• Metilación del ADN
‘Epigénesis’ y ‘epigenética’ suelen utilizarse 
con un significado más amplio
En Biología del Desarrollo:
Niveles de compactación de la cromatina
TF: (transcription factor) Factor de transcripción
Cromatina “abierta”:
Accesible a la maquinaria molecular 
de la transcripciónCromatina “cerrada”
Pol II: ARN polimerasa II
La compactación de la cromatina regula el inicio de la transcripción
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares • Estructura del nucleosoma
• Características de las histonas
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
Modificaciones covalentes de 
los extremos N-terminales de 
las histonas
ACETILACIONES
METILACIONES
FOSFORILACIONES
Las modificaciones se producen 
sobre aminoácidos específicos: 
Las más frecuentes ocurren en 
residuos de lisina (K).
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
o de lisinas en los extremos N-terminales de las histonas
• La ACETILACIÓN remueve una carga positiva de la histona disminuyendo su afinidad 
electrostática con el ADN (cargado negativamente)
ACETILACIÓN METILACIÓN
• La ACETILACIÓN y la METILACIÓN son reacciones mutuamente excluyentes
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
Las modificaciones covalentes de histonas son reversibles
RESIDUO MODIFICACIÓN ENZIMAS
LISINA (K) ACETILACIÓN
DESACETILACIÓN
HAT (Acetiltransferasas de histonas)
HDAC (Desacetilasas de histonas)
LISINA (K) METILACIÓN
DESMETILACIÓN
HMT (Metiltransferasas de histonas)
HDM (Desmetilasas de histonas)
SERINA (S)
TREONINA (T)
FOSFORILACIÓN
DESFOSFORILACIÓN
Kinasas
Fosfatasas
Regulación de la compactación de la cromatina 
El ‘código’ de modificaciones covalentes de las histonas:
Algunas modificaciones han sido caracterizadas funcionalmente
Regulación de la compactación de la cromatina 
El código de modificaciones covalentes de histonas aporta información regulatoria a 
las células, y puede ser “escrito, “borrado” y “leído” por enzimas y proteínas 
• “Escritores” epigenéticos (Writers): 
Enzimas que agregan 
modificaciones epigenéticas. 
Ejemplos: HMT (Metiltransferas de 
histonas), HAT (acetiltransferasas 
de histonas).
• “Borradores” epigenéticos (Erasers): 
Enzimas que remueven las modificaciones 
epigenéticas. Ejemplos: HDM 
(Desmetilasas de histonas), HDAC 
(desacetilasas de histonas).
• “Lectores” epigenéticos (Readers): 
Dominios de proteínas que poseen afinidad 
por las modificaciones epigenéticas, 
uniéndose a ellas. Las modificaciones 
permiten el reclutamiento de esas proteínas 
a lugares específicos del genoma. Algunos 
de esos lectores pueden ser, por ejemplo, 
complejos remodeladores de cromatina 
(explicados en próximas diapositivas).
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
Heterocromativa constitutiva vs. Heterocromatina facultativa
5’-AGGACCACCAGGAAGG-3’
Unidades de 
repetición
Las regiones de heterocromatina constitutivaestán asociadas a regiones génicas de
secuencias repetidas en TANDEM
La heterocromatina facultativa está asociada a
regiones que sí contiene genes que se
encuentran silenciados dependiendo del tipo
celular respondiendo a señales del contexto
celular y del ambiente.
trimetilación de lisina 9 en histona 3 
(H3K9me3) 
trimetilación de lisina 27 en histona 3 
(H3K27me3) 
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
Complejos remodeladores de la cromatina
Estructuras compuestas por subunidades proteicas que utilizan la energía 
librada por la hidrólisis de ATP para catalizar modificaciones en la posición o 
composición de los nucleosomas
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
Acciones catalizadas por los complejos remodeladores de la cromatina
SWI/ 
SNF
Un ejemplo prominente de 
complejos remodeladores de 
cromatina lo constituye la 
familia SWI/SNF
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
Metilación del ADN:
Citosinas dentro de ‘islas CpG’
Enzimas: 
ADN metiltransferasas (DNMT1/DNMT3)
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
1- ARN polimerasa II y los factores basales de transcripción no 
pueden unirse al ADN metilado
¿Por qué la metilación del ADN reprime el inicio de la transcripción?
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
2- La metilación del ADN induce la compactación de la cromatina porque favorece 
la unión de enzimas que desacetilan histonas (HDACs) 
¿Por qué la metilación del ADN reprime el inicio de la transcripción?
Regulación de la compactación de la cromatina 
Herencia mitótica de las modificaciones epigenéticas
Algunas modificaciones epigenéticas son heredades por las células hijas 
luego de una mitosis (herencia epigenética)
Los patrones de metilación del ADN son transmitidos a las hebras nuevas (luego de la 
replicación del ADN) por enzimas metiltransferasas de mantenimiento
Regulación de la compactación de la cromatina 
Herencia mitótica de las modificaciones epigenéticas
Algunas modificaciones epigenéticas son heredades por las células hijas 
luego de una mitosis (herencia epigenética)
Transmisión de modificaciones covalentes de histonas luego de la replicación de ADN
Regulación de la compactación de la cromatina 
Mecanismos moleculares
En resumen:
B- Regulación de la transcripción
A la hora de jerarquizar información 
presten siempre atención a los 
objetivos planteados por el plantel.
Objetivos específicos II
Que los estudiantes puedan:
1- Reconocer la función de secuencias del genoma (promotores, potenciadores 
y silenciadores) que regulan el inicio de la transcripción.
3- Comprender el concepto de control combinatorio del inicio de la transcripción.
2- Reconocer la función de proteínas (factores basales y específicos de 
transcripción, correguladores) que regulan el inicio de la transcripción.
4- Relacionar la función de los factores específicos de la transcripción con los 
mecanismos de regulación pre-transcripcionales.
Saber qué es y cómo se produce el proceso
de transcripción es un conocimiento previo
requerido para abrodar este contenido, que
está centrado en la REGULACIÓN de ese
proceso.
Sustratos:
ribonucleósidos trifosfato
ATP, GTP, CTP, UTP
Actividad polimerasa 
ADN dependiente en la 
dirección 5’ a 3’
Las ARN polimerasas son las enzimas que catalizan la transcripción 
Regulación del inicio de la transcripción
ARN polimerasas eucariotas
Además: ARN polimerasa mitocondrial
CTD
(carboxy terminal domain)
El dominio CTD está compuesto por 52 repeticiones del 
heptapéptido YSPTSPS. La fosforilación de este 
dominio en residuos de serina (S) permite regular la 
actividad de la ARN polimerasa II
Regulación del inicio de la transcripción
ARN polimerasa II humana
12 subunidades
Regulación del inicio de la transcripción
ARN polimerasa II
Promotores
Factores basales o generales 
de transcripción
TFIIB
TFIID
TFIIE
TFIIF
TFIIH
TFIID provoca una enorme 
distorsión en la doble hélice
Regulación del inicio de la transcripción
Complejo de iniciación de la transcripción
TFIIH posee actividad helicasa 
y actividad kinasa sobre CTD
Regulación del inicio de la transcripción
El inicio de la transcripción requiere de secuencias y proteínas 
regulatorias adicionales
Secuencias regulatorias:
• Potenciadores o ‘enhancers’
• Silenciadores o ‘silencers’
• Factores de transcripción específicos
• Coreguladores
(coactivadores/ correpresores)
• Factores de transcripción basales
Proteínas regulatorias:
Los factores de transcripción poseen motivos estructurales que permiten su 
unión a secuencias específicas en el ADN doble cadena
‘cremallera de 
leucinas’
‘dedos de zinc’
‘homeodominio’
Algunos ejemplos de motivos estructurales de unión al ADN:
Regulación del inicio de la transcripción
Las secuencias regulatorias, a través de sus proteínas asociadas, interactúan 
con la ARN polimerasa II para regular la tasa de inicio de la transcripción.
Regulación del inicio de la transcripción
Complejo de inicio de la transcripción
Mediador
Complejo proteico de 31 subunidades 
(humanos) que funciona como 
coregulador general de la transcripción
Regulación del inicio de la transcripción
Los factores específicos de transcripción también interactúan con la maquinaria de remodelación 
epigenética de la cromatina para afectar el grado de condensación o apertura local de la misma
Relacionar esta función de los 
factores de transcripción 
específicos con la regulación 
pre-transcripcional
Regulación del inicio de la transcripción
¿Cómo ejercen su efecto las secuencias regulatorias de efecto negativo?
Regulación del inicio de la transcripción
Control combinatorio
• El control combinatorio permite
generar un sistema de regulación
complejo y sensible utilizando un
número relativamente bajo de
proteínas regulatorias
• Cada una de estas proteínas usualmente
participa de otras “combinaciones” regulando
diferentes genes en otros tejidos.
• En general no hay una única proteína
reguladora que funcione para un gen
particular, sino que cada gen está regulado
por una “combinación” específica de
proteínas reguladoras.
Genes maestros
Codifican para factores de transcripción que controlan la expresión de otros factores 
de transcripción. Sus mutaciones tienen grandes efectos sobre el fenotipo
Ejemplo: Genes HOX, que actúan en el control del desarrollo del eje 
anteroposterior de varios organismos multicelulares
Regulación del inicio de la transcripción
Los factores de transcripción específicos pueden activarse (inducirse) ante señales 
extracelulares (por ejemplo, hormonas), lo que permite a las células modificar su 
expresión genética ante la variación de estímulos del entorno
Algunas conclusiones
• Diversos mecanismos de regulación epigenéticos (modificación covalente
de histonas, remodeladores de cromatina, metilación del ADN) poseen
efectos sobre el grado de compactación de la cromatina, y afectan, por lo
tanto, la accesibilidad de la maquinaria transcripcional a una localización
particular del genoma.
• Los factores específicos de transcripción, mediante su unión a
secuencias reguladoras específicas (silenciadores o potenciadores)
reclutan a la los modificadores epigenéticos a ciertos lugares del genoma.
Es decir, le confieren especificidad espacial a la maquinaria de regulación
epigenética.
• Otra de las funciones de los factores de transcripción específicos es la de
interactuar, en conjunto con otros correguladores, con el complejo de
inicio de la transcripción para regular la tasa de inicio de la transcripción
en un gen determinado.
Apliquemos los conceptos de este seminario para entender los 
fenómenos biológicos que presentamos inicialmente
• La expresión génica diferencial entre tipos celulares distintos se debe, en
parte, a que estas células presentan paraalgunas regiones del genoma,
distintos grados de condensación de la cromatina. Así, una región
genómica de cromatina laxa en un tipo celular, caracterizada
molecularmente por regiones de ADN no metiladas e histonas acetiladas y
funcionalmente activa desde el punto de vista transcripcional, puede estar
compactada (y transcripcionalmente inactiva) en otro tipo celular.
• Estas diferencias están asociadas a que algunos de los factores de
transcripción específicos presentes y activos en un tipo celular (o en sus
precursores mitóticos, ya que hay herencia de ciertas modificaciones
epigenéticas) son diferentes a los del otro tipo celular.
Diferenciación celular
Apliquemos los conceptos de este seminario para entender los 
fenómenos biológicos que presentamos inicialmente
• La hormona prolactina –en este ejemplo- activa una serie de
modificaciones bioquímicas intracelulares que cambian el estado de
actividad de uno o más factores de transcripción específicos.
• Esto permite la conformación de nuevas combinaciones de factores de
transcripción activos (control combinatorio) que pueden reclutar
modificaciones epigenéticas en regiones específicas, modificando la
expresión de los genes en esa región del genoma.
Respuesta celular a estímulos agudos o de corto plazo
Otros puntos de regulación de la expresión génica
Se analizarán en 
el próximo 
seminario
FIN
SEMINARIO 3 
BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR AÑO 2020
Portada de la revista Science del año 2001 cuando se reportó la 
estructura molecular de ARN polimerasa II