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4.13: Regulación de genes eucariotas - Biología

4.13: Regulación de genes eucariotas - Biología



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¿Encendido o apagado? ¿Encendido o apagado? ¿Encendido o apagado?

Esa es la pregunta clave. La regulación genética en eucariotas es un proceso altamente regulado que generalmente involucra muchas proteínas, que se unen entre sí o se unen al ADN.

Regulación de genes eucariotas

En las células eucariotas, el inicio de la transcripción es una de las partes más complicadas de la regulación genética. Puede haber muchas proteínas reguladoras y elementos reguladores implicados. La regulación también puede involucrar potenciadores. Potenciadores son regiones distantes de ADN que pueden retroceder para interactuar con el promotor de un gen.

La caja TATA

Los diferentes tipos de células tienen patrones únicos de elementos reguladores que dan como resultado que solo se transcriban los genes necesarios. Por eso, una célula de la piel y una célula nerviosa, por ejemplo, son tan diferentes entre sí. Sin embargo, algunos patrones de elementos reguladores son comunes a todos los genes, independientemente de las células en las que se encuentren. Un ejemplo es el Caja TATA, llamado así porque tiene una secuencia central de TATAAA. Este es un elemento regulador que forma parte del promotor de la mayoría de genes eucariotas. Varias proteínas reguladoras se unen a la caja TATA, formando un complejo de múltiples proteínas. Solo cuando todas las proteínas apropiadas se unen a la caja TATA, la ARN polimerasa reconoce el complejo y se une al promotor. Una vez que la ARN polimerasa se une, comienza la transcripción. Para ver un video que muestra el papel de la caja TATA en el inicio de la transcripción, vaya a este enlace: http://www.youtube.com/watch?v=6tqPsI-9aQA.

Regulación durante el desarrollo

La regulación de la expresión génica es extremadamente importante durante el desarrollo de un organismo. Las proteínas reguladoras deben activar ciertos genes en células particulares en el momento justo para que el organismo desarrolle órganos y sistemas de órganos normales. Genes homeobox son un ejemplo de genes que regulan el desarrollo. Codifican proteínas reguladoras que activan una serie completa de genes importantes del desarrollo. En los insectos, los genes homeobox llamados genes hox asegúrese de que las partes del cuerpo, como las extremidades, se desarrollen en el lugar correcto. Figura a continuación se muestra cómo una mutación en un gen hox puede afectar el desarrollo de un insecto. Otros organismos, incluidos los humanos, también tienen genes de cómo. Puede obtener más información sobre los genes homeobox en este enlace: http: //www.youtube.com/watch? V = LFG-aLidT8s.

Efecto de la mutación del gen Hox. Los científicos provocaron una mutación en un gen hox de esta mosca de la fruta. Como resultado de la mutación, una pierna creció de su cabeza donde debería haberse desarrollado una antena.

Expresión genética y cáncer

Las mutaciones que causan cáncer generalmente ocurren en dos tipos de genes reguladores: genes supresores de tumores y protooncogenes (ver Figura debajo). Estos genes producen proteínas reguladoras que controlan el ciclo celular. Cuando los genes mutan, las células con mutaciones se dividen rápidamente y sin límites, lo que puede resultar en un tumor y cáncer.

Cómo se desarrolla el cáncer. Este diagrama de flujo muestra cómo una serie de mutaciones en genes supresores de tumores y protooncogenes conducen al cáncer.

Resumen

  • La regulación de la transcripción en eucariotas es generalmente más compleja que en procariotas. Implica elementos reguladores únicos en diferentes celdas, así como elementos reguladores comunes como la caja TATA.
  • La regulación es especialmente importante durante el desarrollo. Puede involucrar genes reguladores como los genes homeobox que activan o desactivan otros genes reguladores.
  • Las mutaciones en genes reguladores que normalmente controlan el ciclo celular provocan cáncer.

Explora más

Utilice este recurso para responder las siguientes preguntas.

  • Los genes maestros controlan los planes corporales básicos en www.dnalc.org/resources/nobel/lewis_nauulein_wieschaus.html.
  1. ¿Cómo se identificaron los genes que controlan el desarrollo embrionario temprano?
  2. Describe la polaridad del óvulo fertilizado, en lo que respecta a la expresión de proteínas.
  3. ¿A qué se refiere la "segmentación" en la mosca en desarrollo?
  4. ¿Qué es un mutante gap?
  5. Describe el mutante de la antenapedia.
  6. ¿Qué es una proteína homeobox?

Revisar

  1. Identificar la caja TATA y su función en la transcripción.
  2. ¿Qué es un gen homeobox?
  3. ¿Por qué la regulación genética es especialmente importante durante el desarrollo?
  4. ¿Qué son los genes supresores de tumores y los protooncogenes?
  5. Dibuja cómo se vería un insecto con un gen hox mutado. Explica tu boceto.

Regulación de la expresión genética: modelos y métodos

El ADN, el vehículo químico de la herencia, está compuesto por unidades funcionales, a saber, genes. El término genoma se refiere a la información genética total contenida en una célula.

La bacteria Escheri y shychia coli contienen aproximadamente 4400 genes presentes en un solo cromosoma.

El genoma de los seres humanos es más complejo, con 23 pares de cromo y shysomes (diploides) que contienen 6 mil millones (6 × 10 9) pares de bases de ADN, con un estimado de 30,000-40,000 genes. En un momento dado, solo se expresa una fracción del genoma.

Las células vivas poseen una propiedad notable para adaptarse a los cambios del entorno regulando la expresión génica. Por ejemplo, la insulina es sintetizada por células especializadas del páncreas y no por células de otros órganos (por ejemplo, riñón, hígado), aunque los núcleos de todas las células del cuerpo contienen los genes de la insulina. Los mecanismos de regulación molecular facilitan la expresión del gen de la insulina en el páncreas, al tiempo que previenen su expresión en otras células.

Regulación genética - General:

La regulación de la expresión de genes es absolutamente esencial para el crecimiento, desarrollo, diferenciación y la existencia misma de un organismo. Hay dos tipos de regulación genética: positiva y negativa.

1. Regulación positiva:

Se dice que la regulación génica es positiva cuando su expresión aumenta por un elemento regulador (regulador positivo).

2. Regulación negativa:

Una disminución en la expresión génica debido a la presencia de un elemento regulador (regulador negativo) se denomina regulación negativa. Cabe señalar aquí que el doble efecto negativo sobre la regulación génica da como resultado un fenómeno positivo.

Genes constitutivos e inducibles:

Los genes generalmente se consideran en dos categorías.

Los productos (proteínas) de estos genes se requieren todo el tiempo en una célula. Por lo tanto, los genes constitutivos (o genes de mantenimiento) se expresan a una velocidad más o menos constante en casi todas las células y, además, no están sujetos a regulación, p. las enzimas del ciclo del ácido cítrico.

La concentración de las proteínas sintetizadas por genes inducibles está regulada por diversas señales moleculares. Un inductor aumenta la expresión de estos genes mientras que un represor disminuye, p. Ej. triptófano pirrolasa del hígado es inducida por triptófano.

Un concepto de subunidad Cistron-One:

El producto químico de la expresión de un gen es una proteína que puede ser una enzima. Originalmente se creía que cada gen codifica una enzima específica, lo que lleva al concepto popular, un gen, una enzima. Sin embargo, esto no es necesariamente válido debido al hecho de que varias enzimas (o proteínas) están compuestas por dos o más subunidades no idénticas (cadenas polipeptídicas). El cistrón es la unidad más pequeña de expresión genética. Es el fragmento de ADN que codifica la subunidad de una molécula de proteína. El concepto original de una enzima gen-uno se reemplaza por una subunidad cistrón-uno.

Modelos para el estudio de la expresión genética:

El esclarecimiento de la regulación de la expresión génica en procariotas ha ayudado en gran medida a comprender los principios del flujo de información de los genes al ARNm para sintetizar proteínas específicas. En primer lugar se describen algunas características importantes de la expresión de genes procariotas. A esto le sigue una breve descripción de la expresión génica eucariota.

El concepto de operón:

El operón es la unidad coordinada de expresión genética en bacterias. El concepto de operón fue introducido por Jacob y Monod en 1961 (Premio Nobel 1965), basándose en sus observaciones sobre la regulación del metabolismo de la lactosa en E. coli. Esto se conoce popularmente como operón lac.

Operón de lactosa (LAC):

Estructura del operón lac:

El operón lac (Fig. 5.1) consta de un gen regulador (I I para inhibición), un gen operador (O) y tres genes estructurales (Z, Y, A). Además de estos genes, existe un sitio promotor (P), junto al gen operador, donde se une la enzima ARN polimerasa. Los genes estructurales Z, Y y A, respectivamente, codifican las enzimas β-galactosidasa, galactósido permeasa y galactósido acetilasa. La β-galactosidasa hidroliza la lactosa (β-galactósido) en galactosa y glucosa, mientras que la permeasa es responsable del transporte de lactosa al interior de la célula. La función de la acetilasa (codificada por el gen A) sigue siendo un misterio.

Los genes estructurales Z, Y y A se transcriben en un solo ARNm grande con 3 unidades de traducción independientes para la síntesis de 3 enzimas distintas. Un ARNm que codifica más de una proteína se conoce como ARNm policistrónico. Los organismos procariotas contienen una gran cantidad de ARNm policistrónicos.

Represión del operón lac:

El gen regulador (I) es constitutivo. Se expresa a una velocidad constante que conduce a la síntesis del represor lac. El represor lac es una proteína reguladora tetramérica (4 subunidades) (peso molecular total 150.000) que se une específicamente al gen operador (O). Esto evita la unión de la enzima ARN polimerasa al sitio del promotor (P), bloqueando así la transcripción de genes estructurales (Z, Y y A). Esto es lo que sucede en ausencia de lactosa en E. coli. La molécula represora actúa como un regulador negativo de la expresión génica.

Des-represión del operón lac:

En presencia de lactosa (inductor) en el medio, una pequeña cantidad puede ingresar a las células de E. coli. Las moléculas represoras tienen una alta afinidad por la lactosa. Las moléculas de lactosa se unen e inducen un cambio conformacional en el represor. El resultado es que el represor se inactiva y, por lo tanto, no puede unirse al gen operador (O).

La ARN polimerasa se une al ADN en el sitio del promotor y procede la transcripción, lo que lleva a la formación de ARNm policistrónico (para los genes Z, Y y A) y, finalmente, a las 3 enzimas. Por tanto, la lactosa induce la síntesis de las tres enzimas P-galactosidasa, galactósido permeasa y galactósido acetilasa. La lactosa actúa inactivando las moléculas represoras, por lo que este proceso se conoce como des-represión del operón lac.

Existen ciertos análogos estructurales de la lactosa que pueden inducir el operón lac pero no son los sustratos de la enzima β-galactosidasa. Estas sustancias se conocen como inductores gratuitos. El isopropiltiogalactósido (IPTG) es un inductor gratuito, ampliamente utilizado para el estudio del operón lac.

La proteína activadora del gen catabolito:

Las células de E. coli utilizan glucosa con preferencia a la lactosa cuando ambas están presentes en el medio. Después del agotamiento de la glucosa en el medio, comienza la utilización de lactosa. Esto indica que la glucosa interfiere de alguna manera con la inducción del operón lac. Esto se explica como sigue.

La unión de la ARN polimerasa al sitio del promotor requiere la presencia de una proteína activadora del gen catabolito (CAP) unida al AMP cíclico (fig. 5.2). La presencia de glucosa reduce la concentración intracelular de AMPc inactivando la enzima adenilil ciclasa responsable de la síntesis de AMPc. Debido a los niveles disminuidos de cAMP, la formación de CAP-cAMP es baja.

Por lo tanto, la unión de la ARN polimerasa al ADN (debido a la ausencia de CAP-cAMP) y la transcripción es casi insignificante en presencia de glucosa. Por tanto, la glucosa interfiere con la expresión del operón lac reduciendo los niveles de AMPc. Se encuentra que la adición de AMPc exógeno inicia la transcripción de muchos operones inducibles, incluido el operón lac.

Ahora está claro que la presencia de CAP-cAMP es esencial para la transcripción de genes estructurales del operón lac. Por tanto, CAP-cAMP actúa como un regulador positivo de la expresión génica. Por tanto, es evidente que el operón lac está sometido tanto a regulación positiva (por represor, descrita anteriormente) como negativa.

Triptófano Operón:

El triptófano es un aminoácido aromático y es necesario para la síntesis de todas las proteínas que contienen triptófano. Si el triptófano no está presente en el medio en la cantidad adecuada, la célula bacteriana debe producirlo, ya que es necesario para el crecimiento de las bacterias.

El operón triptófano de E. coli se muestra en la figura 5.3. Este operón contiene cinco genes estructurales (trpE, trpD, trpC, trpB, trpA) y los elementos reguladores: promotor primario (trpP), operador (trpO), atenuador (trpa), promotor interno secundario (TrpP2) y terminador (trpt).

Los cinco genes estructurales del operón triptófano codifican tres enzimas (dos enzimas contienen dos subunidades diferentes) necesarias para la síntesis de triptófano a partir del clorismato. El represor de triptófano siempre está activado, a menos que sea reprimido por una molécula específica llamada correpresora. Por tanto, el operón de lactosa (ya descrito) es inducible, mientras que el operón de triptófano es reprimible. Se dice que el operón triptófano está deprimido cuando se transcribe activamente.

Regulación del operón triptófano por un represor:

El triptófano actúa como correpresor para detener la síntesis de enzimas del operón triptófano. Esto se pone de manifiesto en asociación con una proteína específica, a saber, el represor de triptófano. El represor de triptófano, un homodímero (contiene dos subunidades idénticas) se une con dos moléculas de triptófano y luego se une al operador trp para desactivar la transcripción. Es interesante notar que el represor de triptófano también regula la transcripción del gen (trpR) responsable de su propia síntesis.

Se producen dos ARNm policistrónicos a partir del operón triptófano, uno derivado de los cinco genes estructurales y el otro obtenido de los últimos tres genes. Además de actuar como correpresor para regular el operón triptófano, el triptófano puede inhibir la actividad de la enzima antranilato sintetasa. Esto se conoce como inhibición por retroalimentación y se manifiesta mediante la unión del triptófano en un sitio alostérico de la antranilato sintetasa.

Atenuador como segundo sitio de control para el operón triptófano:

El gen atenuador (trpa) del operón triptófano se encuentra corriente arriba del gen trpE. La atenuación es el segundo nivel de regulación del operón triptófano. La región atenuadora proporciona ARN polimerasa que regula la transcripción. En presencia de triptófano, la transcripción termina prematuramente al final de la región del atenuador. Sin embargo, en ausencia de triptófano, la región atenuadora no tiene ningún efecto sobre la transcripción. Por tanto, se puede sintetizar el ARNm policistrónico de los cinco genes estructurales.

Expresión genética en eucariotas:

Cada célula del organismo superior contiene todo el genoma. Al igual que en los procariotas, la expresión génica en eucariotas está regulada para proporcionar la respuesta adecuada a las necesidades biológicas.

Esto puede ocurrir de las siguientes formas:

I. Expresión de ciertos genes (genes domésticos) en la mayoría de las células.

ii. Activación de genes seleccionados bajo demanda.

iii. Inactivación permanente de varios genes en todos menos algunos tipos.

En el caso de las células procariotas, la mayor parte del ADN está organizado en genes que pueden transcribirse. Por el contrario, en los mamíferos, muy poco del ADN total está organizado en genes y sus secuencias reguladoras asociadas. Se desconoce la función de la mayor parte del ADN extra. La expresión génica eucariota y su regulación son muy complejas. Algunos de los aspectos importantes se describen brevemente.

Estructura de la cromatina y expresión genética:

El ADN de los organismos superiores se pliega y empaqueta ampliamente para formar un complejo proteína-ADN llamado cromatina. La organización estructural del ADN en forma de cromatina juega un papel importante en la expresión de genes eucariotas. De hecho, la estructura de la cromatina proporciona un nivel adicional de control de la expresión génica.

En la Tabla 5.1 se da una lista seleccionada de genes (representados por los productos) junto con los cromosomas respectivos en los que se encuentran.

En general, los genes que se transcriben dentro de una célula en particular están menos condensados ​​y tienen una estructura más abierta. Esto contrasta con los genes que no se transcriben y que forman cromatina altamente condensada.

Acetilación y desacetilación de histonas:

Los segmentos de ADN eucariotas se envuelven alrededor de las proteínas histonas para formar el nucleosoma. La acetilación o desacetilación de histonas es un factor importante para determinar la expresión génica. En general, la acetilación de histonas conduce a la activación de la expresión génica, mientras que la desacetilación invierte el efecto.

La acetilación se produce predominantemente en los residuos de lisina en los extremos amino terminales de las histonas. Esta modificación en las histonas reduce las cargas positivas de los extremos terminales (colas) y disminuye su afinidad de unión al ADN cargado negativamente. En consecuencia, la estructura del nucleosoma se altera para permitir la transcripción.

Metilación de ADN e inactivación de genes:

La citosina en la secuencia CG del ADN se metila para formar 5 & # 8242-metil citosina. La mayor parte de las secuencias CG (aproximadamente el 20%) en el ADN humano existe en forma metilada. En general, la metilación conduce a la pérdida de la actividad transcripcional y, por tanto, a la inactivación de genes. Esto ocurre debido a la unión de proteínas de unión de metil citosina al ADN metilado.

Como resultado, el ADN metilado no se expone ni se une a factores de transcripción. Es interesante notar que la metilación del ADN se correlaciona con la desacetilación de histonas. Esto proporciona un medio doble para la represión de genes. La activación y expresión normal de genes y la inactivación de genes por metilación del ADN se muestran en la figura 5.4.

Potenciadores y expresión génica específica de tejido:

Los potenciadores (o activadores) son elementos de ADN que facilitan o potencian la expresión génica. Los potenciadores proporcionan sitios de unión para proteínas específicas que regulan la transcripción. Facilitan la unión del complejo de transcripción a las regiones promotoras.

Los potenciadores se diferencian de los promotores de dos formas distintas:

1. Los potenciadores pueden estar ubicados a miles de pares de bases lejos del sitio de inicio de la transcripción (los promotores están cerca del sitio de la transcripción).

2. Pueden trabajar en cualquier orientación, es decir, los potenciadores pueden trabajar corriente arriba (5 & # 8242) o corriente abajo (3 & # 8242) del promotor.

Se han identificado varios genes eucariotas que contienen elementos potenciadores en diversas ubicaciones en relación con sus regiones codificantes.

Algunos de los potenciadores poseen la capacidad de promover la transcripción de una manera específica de tejido. Por ejemplo, la expresión génica en células linfoides para la producción de inmunoglobulina & # 8217s (Ig) es promovida por el potenciador asociado con genes de Ig entre las regiones J y C.

Los animales transgénicos se utilizan con frecuencia para el estudio de la expresión específica de tejidos. La evidencia disponible de varios estudios indica que la expresión génica específica de tejido está mediada en gran medida por la participación de potenciadores.

Combinación de elementos de ADN y proteínas en la expresión génica:

La expresión de genes en mamíferos es un proceso complicado con varios estímulos ambientales en un solo gen. La respuesta final del gen, que puede ser positiva o negativa, es provocada por la asociación de elementos y proteínas del ADN.

En la ilustración de la Fig. 5.5, el gen I se activa mediante una combinación de los activadores 1, 2 y 3. El gen II se activa más eficazmente mediante la acción combinada de 1, 3 y 4. El activador 4 no está en contacto directo con ADN, pero forma un puente entre los activadores 1 y 3, y activa el gen II. En cuanto al gen III, se inactiva mediante una combinación de 1, 5 y 3. En este caso, la proteína 5 interfiere con la unión de la proteína 2 con el ADN e inactiva el gen.

Motivos en proteínas y expresión genética:

Un motivo significa literalmente un elemento dominante. Ciertos motivos en las proteínas median la unión de proteínas reguladoras (factores de transcripción) al ADN. El control específico de la transcripción se produce mediante la unión de proteínas reguladoras con alta afinidad a las regiones correctas del ADN. La gran mayoría de las interacciones proteína-ADN específicas se manifiestan mediante cuatro motivos únicos.

Los motivos de aminoácidos enumerados anteriormente se unen con alta afinidad al sitio específico y baja afinidad a otras partes del ADN. Las interacciones motivo-ADN se mantienen mediante enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals.

Motivo de hélice-vuelta-hélice:

El motivo hélice-vuelta-hélice (HTS) tiene aproximadamente 20 aminoácidos, lo que representa una pequeña parte de una proteína grande. HTS es la parte del dominio de la proteína que interactúa específicamente con el ADN (Fig. 5.6A). Ejemplos de proteínas con motivos hélice-vuelta-hélice incluyen represor de lactosa y proteína activadora de catabolito de AMP cíclico (CAP) de E. coli, y varios factores de transcripción importantes para el desarrollo en mamíferos, denominados colectivamente proteínas homeodominio. El término homeodominio se refiere a la porción de la proteína de los factores de transcripción que reconoce el ADN. Las proteínas del homeodominio juegan un papel clave en el desarrollo de los mamíferos.

Motivo de dedo de zinc:

Hace algún tiempo, se reconoció que el factor de transcripción TFIIIA requiere zinc para su actividad. En el análisis, se reveló que cada TFIIIA contiene iones de zinc como un complejo coordinado repetido. Este complejo está formado por los aminoácidos cisteína y cisteína estrechamente espaciados, seguidos por un par histidina-histidina. En algunos casos, His-His se reemplaza por un segundo par Cys-Cys (figura 5.6B).

Los dedos de zinc se unen al surco principal del ADN y se encuentran en la cara del ADN. Esta unión entra en contacto con 5 pb de ADN. Los factores de transcripción del receptor de hormonas esteroides utilizan motivos de dedos de zinc para unirse al ADN.

La aparición de una mutación que da como resultado un cambio de un solo aminoácido del dedo de zinc puede provocar resistencia a la acción de ciertas hormonas sobre la expresión génica. Se ha identificado un dedo de zinc mutado resistente a la acción del calcitriol (forma activa de vitamina D). En última instancia, esto puede resultar en raquitismo (deficiencia de vitamina D).

Motivo de cremallera de leucina:

Las 6 regiones básicas de las proteínas de la cremallera de leucina (bZIP) son ricas en el aminoácido leucina. Se produce una repetición periódica de residuos de leucina en cada séptima posición. Este tipo de estructura repetida permite que dos monómeros o heterodímeros idénticos se unan y formen un complejo dimérico. Este complejo proteína-proteína se asocia e interactúa con el ADN (fig. 5.6C). Buenos ejemplos de proteínas de cremallera de leucina son las proteínas de unión potenciadoras (EBP): fos y jun.

Motivo de hélice-bucle-hélice:

Dos segmentos anfipáticos (literalmente significa una sensación de cercanía) a-helicoidales de proteínas pueden formar un motivo hélice-bucle-hélice y unirse al ADN. La forma dimérica de la proteína se une al ADN (figura 5.6D).

Regulación genética en eucariotas:

Los más importantes se enumeran a continuación:

4. Empalme alternativo de ARNm

5. Transporte de ARNm del núcleo al citoplasma

Amplificación de genes:

En este mecanismo, la expresión de un gen aumenta varias veces. Esto se observa comúnmente durante las etapas de desarrollo de los organismos eucariotas. Por ejemplo, en la mosca de la fruta (Drosophila), se observa la amplificación de los genes que codifican las proteínas de la cáscara de huevo durante el curso de la ovogénesis. La amplificación del gen (ADN) se puede observar con un microscopio electrónico (Fig. 5.7).

También se ha informado de la aparición de amplificación genética en seres humanos. El metotrexato es un fármaco contra el cáncer que inhibe la enzima dihidrofolato reductasa. Las células malignas desarrollan farmacorresistencia a la administración a largo plazo de metotrexato al amplificar los genes que codifican la dihidrofolato reductasa.

Reordenamiento genético:

El cuerpo posee una enorme capacidad para sintetizar una amplia gama de anticuerpos. Se estima que el cuerpo humano puede producir alrededor de 10 mil millones (10) de anticuerpos en respuesta a la estimulación de antígenos. El mecanismo molecular de esta diversidad de anticuerpos no se comprendió durante mucho tiempo. Ahora se explica sobre la base del reordenamiento de genes o la transposición de genes o la recombinación somática del ADN.

La estructura de una molécula tímida de inmunoglobulina típica consta de dos cadenas ligeras (L) y dos pesadas (H). Cada una de estas cadenas (L o H) contiene una variable N-terminal (V) y regiones C-terminal constante (C).

Las regiones V de las inmunoglobulinas & # 8217 son responsables del reconocimiento de antígenos. El fenómeno del reordenamiento de genes puede entenderse a partir del mecanismo de síntesis de cadenas ligeras de inmunoglobulina & # 8217s (Fig. 5.8).

Cada cadena ligera puede ser sintetizada por tres segmentos de ADN distintos, a saber, la variable (VL), la unión (JL) y la constante (CL). El genoma de mamma & shylian contiene aproximadamente 500 VL segmentos, 6 JL segmentos y 20 CL segmentos. Durante el curso de la diferenciación de los linfocitos B, un VL segmento (de los 500) se acerca a JL y CL segmentos. Esto ocurre en el mismo cromosoma.

En aras de la ilustración, 100 th VL, 3º JL y 10 ° CL los segmentos se reordenan en la Fig. 5.8. El ADN reordenado (con VL, JL y CL fragmentos) luego se transcribe para producir un solo ARNm para la síntesis de una cadena ligera específica del anticuerpo. Por innumerables combinaciones de VL, JL y CL segmentos, el sistema inmunológico del cuerpo puede generar millones de moléculas de inmunoglobulina específicas de antígeno. La formación de cadenas pesadas (H) de inmunoglobulina & # 8217s también se produce por reordenamiento de 4 genes distintos: variable (VH), diversidad (D), unión (JH) y constante (CH).

Procesamiento de ARN:

El ARN sintetizado en la transcripción sufre modificaciones que dan como resultado un ARN funcional. Los cambios incluyen empalme intrón-exón, poliadenilación, etc.

Empalme de ARNm alternativo:

Las células eucariotas son capaces de realizar un procesamiento de ARNm alternativo para controlar la expresión génica. Se pueden producir diferentes ARNm mediante empalmes alternativos que codifican diferentes proteínas.

Degradación de ARNm:

La expresión de genes está influenciada indirectamente por la estabilidad del ARNm. Ciertas hormonas regulan la síntesis y degradación de algunos ARNm. Por ejemplo, el estradiol prolonga la vida media del ARNm de vitelogenina desde unas pocas horas hasta aproximadamente 200 horas.

Parece que los extremos de las moléculas de ARNm determinan la estabilidad del ARNm. Un ARNm eucariota típico tiene 5 & # 8242-secuencias no codificantes (5 & # 8242-NCS), una región codificante y un 3 & # 8242-NCS. Todos los ARNm están protegidos en el extremo 5 & # 8242, y la mayoría de ellos tienen una secuencia de poliadenilato en el extremo 3 & # 8242 (Fig. 5.9). La tapa 5 & # 8242 y la cola de poli (A) protegen el ARNm contra el ataque de la exonucleasa. Además, las estructuras de tallo-bucle en las regiones NCS y las regiones ricas en AU en el NCS 3 & # 8242 también proporcionan estabilidad al ARNm.

Métodos para estudiar la expresión / regulación genética:

La expresión génica o la regulación génica generalmente se estudia a nivel transcripcional, es decir, la producción de ARNm a partir del gen.

Los métodos para dilucidar la expresión génica están diseñados para proporcionar información sobre uno o más de los siguientes:

ii. Tamaño de la transcripción (ARNm)

iii. Puntos de inicio y finalización de los genes para producir la transcripción.

iv. Número y posición de intrones en los genes.

v. La actividad del promotor.

Se describen brevemente algunos de los métodos importantes y generales empleados para estudiar la regulación génica.

Southern blot es una técnica novedosa para detectar un fragmento conocido de ADN en la preparación de ADN de un organismo. Esta técnica es particularmente útil para detectar la presencia de un ADN extraño en los organismos modificados genéticamente o para identificar la presencia y el número de copias de genes en el genoma de un organismo. Los detalles de esta técnica se dan en otra parte.

La transferencia Northern detecta específicamente el tamaño y la secuencia del ARNm. El ARNm total se extrae de una suspensión celular o tisular, se separa mediante electroforesis en gel de agarosa y luego se detecta mediante hibridación.

Mapeo de nucleasa SI:

La nucleasa SI es una enzima que puede degradar específicamente los ácidos nucleicos monocatenarios. El mapeo de nucleasa SI se utiliza para determinar el número de intrones presentes en un gen (fig. 5.10).

El ARNm maduro se hibrida con su gen correspondiente (es decir, ADN genómico). La parte del intrón del gen que no se transcribe se extrae en bucle. Este intrón en bucle puede ser digerido específicamente por la nucleasa SI, que degrada el ADN monocatenario. El número y la presencia de intrones se pueden identificar analizando los ADN fragmentados.

Ensayo de protección de nucleasas:

En el ensayo de protección de nucleasa, la transcripción de prueba (ARNm) se hibrida con cantidades excesivas de moléculas de ADN sintetizadas in vitro y marcadas radiactivamente (generalmente obtenidas de genes clonados). Los híbridos recocidos que están marcados se someten a digestión por la nucleasa SI que degrada los ácidos nucleicos monocatenarios. Las moléculas hibridadas tratadas con nucleasa y sin tratar se separan mediante electroforesis en gel de agar y se identifican (Fig. 5.11).

El ensayo de protección de nucleasas es una variante del mapeo SI de nucleasas y proporciona información con respecto a la presencia de intrones, terminaciones transcripcionales y la transcripción de prueba propiamente dicha.

Extensión de imprimación:

El método de extensión del cebador es una técnica confiable para determinar el extremo 5 & # 8242 de las transcripciones. Para este propósito, se usa un cebador oligonucleotídico sintético marcado con 5 & # 8242 que contiene una secuencia de bases complementaria a una pequeña porción del transcrito de prueba.

Se permite que ambos se hibriden y se usa la enzima transcriptasa inversa para extender el cebador hasta que alcanza el extremo 5 & # 8242 del ARNm (Fig. 5.12). Esto da como resultado la síntesis de ADN complementario (ADNc) que representa la distancia entre el extremo 5 & # 8242 del cebador y el extremo 5 & # 8242 del ARNm. El ADNc puede separarse mediante electroforesis y detectarse.

Amplificación rápida de extremos de ADNc (RACE):

Los extremos 5 & # 8242- y 3 & # 8242 del ADN complementario (cDNA) pueden mapearse mediante el uso de la reacción en cadena de la polimerasa. Este método es 5 & # 8242-RACE o 3 & # 8242-RACE dependiendo del final que se mapeará.

Ensayos de reportero:

Los genes informadores son los genes que forman productos proteicos que pueden detectarse sin destruir los tejidos / células. Para dilucidar la expresión de un gen, su promotor se fusiona con un gen informador y luego se introduce en las células.

Pueden identificarse los productos específicos (por ejemplo, luciferasa, β-galactosidasa, cloranfenicol acetiltransferasa) de los genes indicadores. La actividad del gen informador refleja la actividad del gen promotor y, en consecuencia, la expresión del gen.

Los ensayos informadores son muy útiles para el estudio de la expresión génica in vivo en tejidos / células.

Análisis de genes por marcado de T-DNA y transposon:

El marcado de genes implica en general la inserción de un fragmento de ADN reconocible dentro de un gen de modo que se interrumpe la función de un gen y el gen se identifica en virtud del fragmento de ADN insertado. El ADN-T (ADN transferido) es la parte del ADN del plásmido inductor de tumores (plásmido Ti) que se encuentra en la bacteria del suelo Agrobacterium tumefaciens. Los transposones o el ADN-T se pueden utilizar en el marcado y análisis de genes.

El marcado de transposones de un gen se muestra en la figura 5.13. Cuando un transposón en un plásmido se introduce en una célula, se incorpora al ADN y el gen se interrumpe. En consecuencia, la inserción de transposones produce un mutante (A & # 8211). Este mutante puede identificarse por su fenotipo y una biblioteca de genes. Además, el mutante se puede cribar para detectar la presencia de transposón. Al identificar la ubicación de inserción del transposón, se puede identificar la ubicación del gen específico.

Métodos para estudiar las interacciones proteína-proteína:

El funcionamiento del genoma puede evaluarse mediante el estudio del proteoma. Thus, by studying the functions of proteins, it is possible to understand how the genome operates and how a dysfunctional genome activity can result in disease states such as cancer. Proteomics broadly involves the methodology for characterizing the protein content of the cell. This can be done by protein electrophoresis, mass spectrometry etc.

Identification of protein-protein interaction is a recent approach to study proteome. The protein interaction maps can be constructed to understand the relation between the proteome and cellular biochemistry. Phage display and yeast two-hybrid system are commonly used to study protein- protein interactions.

Phage Display:

Phage display is a novel technique to evaluate genome activity with particular reference to identify proteins that interact with one another. It basically involves insertion of a foreign DNA into phage genome, and its expression as fusion product with a phage coat protein (Fig. 5.14A). This is followed by screening of test protein by phage display library (Fig. 5.14B). The technique is briefly described below.

A special type of cloning vector such as a bacteriophage or filamentous bacteriophage (e.g. M13) are used for phage display. A fragment of DNA coding for the test protein is inserted into the vector DNA (adjacent to phage coat protein gene). After transformation of E. coli, this recombinant gene (fused frame of DNA) results in the synthesis of hybrid protein. The new protein is made up of the test protein fused with the phage coat protein. The phage particles produced in the transformed E. coli display the test protein in their coats.

The test protein interaction can be identified by using a phage display library. For this purpose, the test protein is immobilized within a well of a micro-titer tray, and the phage display library added. After several washes, the phages that are retained in the well are those displaying a protein that interacts with the test protein.

Phage-displaying peptides can be isolated, based on their antibody-binding properties, by employing affinity chromatography. Several rounds of affinity chromatography and phage propagation can be used to enrich phages with desired proteins.

Phagemid display:

Phagemid in place of plasmid can also be used for the display of proteins. In fact, special types of phagemid display vectors have been developed for this purpose. Phage and phagemid display can be successfully used for selecting and engineering polypeptides with novel functions.

Yeast Two-Hybrid System:

When two proteins interact with each other, their corresponding genes are known as interacting genes. The yeast two-hybrid system uses a reporter gene to detect the physical interaction of a pair of proteins inside a yeast nucleus.

The two-hybrid method is based on the observation that most of the transcriptional proteins (i.e. the proteins involved in promoting transcription of a gene) contain two distinct domains—DNA binding domain and transcriptional activation domain. When these two domains are physically separated, the protein loses its activity. However, the same protein can be reactivated when the domains are brought together. These proteins can bind to DNA and activate transcription.

The target protein is fused to a DNA-binding domain to form a bait. When this target protein binds to another specifically designed protein namely the prey in the nucleus, they interact, which in turn switches on the expression of the reporter gene (Fig. 5.15). The reporter genes can be detected by growing the yeast on a selective medium.

It is possible to generate the bait and prey fusion proteins by standard recombinant DNA techniques. A single baid protein is frequently used to fish out interacting partners among the collection of prey proteins. A large number of prey proteins can be produced by ligating DNA encoding the activation domain of a transcriptional activator to a misture of DNA-fragments from a cDNA library.

Yeast Three-Hybrid System:

The interactions between protein and RNA molecules can be investigated by using a technique known as yeast three-hybrid system.


4.13: Eukaryotic Gene Regulation - Biology

The genome of higher eukaryotes is very complex. The eukaryotic genome contains DNA many times as compared to the prokaryotic genome. For example -Drosophilahas 5,000-10,000 genes. Human haploid genome seems to have at least 23,000-100,000 genes. In eukaryotes, most of the DNA is non-functional or inactive and are known as excess DNA or repetitive DNA. The diploid organism has two sets of chromosomes. The genome in eukaryotes controls various functions such as growth and division of cells, differentiation, and specialisation of tissues such as muscles, liver, or heart in animals and parenchyma, chlorenchyma, xylem or phloem in plants. As the eukaryotic genome is very large, the gene expression and its regulation become very complex. Therefore, in eukaryotes-

1) Different structural genes present in eukaryotes do not lie adjacent to each other. They are generally found well spaced on the same or different chromosomes.

2) Each structural gene has its own promoter gene.

3) Eukaryotes possess sensor gene which picks up information of any changes in the intracellular environment and presence or absence of hormones, vitamins, chemicals.

4) Eukaryotes have integrator genes for coordinated functioning of structural genes.

5) Eukaryotes have specific genes: enhancer genes and silencer genes which keep or slow down the expression of certain genes respectively.

6) Eukaryotic structural gene has two regions exons and introns. Exons are essential or coding parts while introns are non-essential parts. The non-coding parts or introns are removed by means of nuclease. The exonic regions are joined together. This is also called as splicing.

7) The freshly formed mRNA undergoes several changes in the 5'-3' end. It receives a cap at the 5' end and poly A tail at 3'. Then mRNA is transported through the pore of the nuclear membrane for transportation with the help of ribosomes and tRNA.

Gene expressions in eukaryotes

Significance of gene regulation:

The significances of mechanism of gene regulation is as follows :

a) Gene regulation allows the metabolism of specific chemicals by a particular cell.

b) Gene regulation helps in growth and differentiation causing morphogenesis.

c) It permits the cells to adjust to environment changes.

d) Regulation of gene expression allows for the expression of only those genes which are of immediate need of the cell.

e) Gene regulation helps the production of specific chemicals by specific cells.

Differentiation and development

Differentiation is defined as the full sequence of changes involved in the progressive diversification of cells, tissue, organs, system e.t.c so that a cell becomes specialised to carry out specific function more efficiently.

The process of development involves the division of fertilised eggs into many cells. During early cleavage, the blastomeres are totipotent. This means each embryonic cell is able to develop into and embryo and give rise to all kinds of tissues of an adult organism. As cell division progresses, the blastomeres gradually lose their totipotency. These cells collectively form tissues, organs, system and organ system such as leaf and stem in plant and brain, liver, e.t.c in animals. The whole process by which totipotent unspecialized embryonic cells become specialised and give rise to specific tissues is called differentiation.

Types of differentiation

As differentiation is a cellular event, it occurs within groups of similar cells. It can be of two types:

1) Intracellular differentiation-It is the change within the cells (eg- the maturation of sperm).

2) Intercellular differentiation- It is the change among cells. It involves the progressive divergence of two or more cells .

It is not known what primary events trigger differentiation along a particular pathway. Basically, chemical changes are brought about by the action of an enzyme. Any change in enzyme pattern naturally leads to differentiation. Therefore, the process of differentiation involves gene activity. Different genes act at different times to meet the requirement of the organisms.

Ageing

Ageing can be defined as the progressive deterioration in structure and function of cells, tissues, organs, and organ systems of the organism with the advanced age. The field of developmental biology that deals with the study of ageing is known as gerontology.

The effects of ageing vary widely in different groups. Bacteria, viruses and majority of protozoans are free from ageing. However, none of the multicellular organism lives forever. Even under most favourable conditions (with no accident or disease) every metazoan dies its natural death, though the life span differs widely. While some live only for short periods, other may live for several decades or even the centuries. Some sea anemones are known to have lived for about 78 years, turtles survive up to 150 years.

Genetic basis of ageing

Many theories have been proposed to explain the phenomenon of ageing. According to the genetic theory of ageing, all individuals possess ageing genes in their genome, which determine the rate of ageing and the maximum life span. There is a good deal of evidence to support this view-

1) Annual plants age, despite most suitable environmental conditions

2) Different life spans even in different species of mammals

3) Longevity varies even in different family lines of a single species.

Cáncer

Cancer is a problem associated with differentiation and development. Growth and differentiation are regulated by various growth controlling mechanisms. But in the case of cancer (malignant disease), the cell deviates from the usual growth control mechanism. In other words, the cell loses growth controlling and regulating mechanism. This cell behaves differently from the normal cell. As a result, the cell starts inducing and damaging normal tissue leading to cancer. The cells are called malignant or cancer cells. These cells continue to divide unchecked, resulting in an everlasting number of cancer cells and thus a tumour is developed. Therefore, cancer can be defined as unorganised growth of cells in which the controlling and regulating mechanisms have been disappeared or have been ineffective,

A) Cancer may be caused due to alteration in chromosomes or gene mutations in nuclei of somatic cells.

B) Some changes in the cytoplasm, that results in loss of control of nuclear and cytoplasmic division may cause cancer. This says that the genetic change may not be an essential factor for cancer.

Keshari, Arvind K. y Kamal K. Adhikari. Un libro de texto de biología secundaria superior (clase XII). 1er. Katmandú: Vidyarthi Pustak Bhandar, 2015.

Mehta, Krishna Ram.Principio de biología.2a edición, Katmandú: Asmita, 2068,2069.

Jorden, S.L.principio de biología.2ª edición. Katmandú: publicación del libro Asmita, 2068.2069.

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Cosas para recordar
  • Drosophila has 5,000-10,000 genes. Human haploid genome seems to have at least 23,000-100,000 genes.
  • In eukaryotes, most of the DNA is non-functional or inactive and are known as excess DNA or repetitive DNA. The diploid organism has two sets of chromosomes.
  • Various significances of gene regulation
  • Differentiation is defined as the full sequence of changes involved in the progressive diversification of cells, tissue, organs, system e.t.c so that a cell becomes specialised to carry out specific function more efficiently.
  • As differentiation is a cellular event, it occurs within groups of similar cells.
  • Ageing can be defined as the progressive deterioration in structure and function of cells, tissues, organs, and organ systems of the organism with the advanced age. The field of developmental biology that deals with the study of ageing is known as gerontology.
  • Cancer is a problem associated with differentiation and development. Growth and differentiation are regulated by various growth controlling mechanisms.
  • Incluye todas las relaciones que se establezcan entre las personas.
  • Puede haber más de una comunidad en una sociedad. Comunidad más pequeña que la sociedad.
  • Es una red de relaciones sociales que no se puede ver ni tocar.
  • Los intereses y objetivos comunes no son necesarios para la sociedad.

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