Seminario 4 Regulación de la expresión génica I - Sebastian Giusti

Introducción a la Regulación de la Expresión Génica

Presentación del Docente

• Sebastián Justi, docente de biología molecular y genética, da la bienvenida a los estudiantes y explica el objetivo de las clases virtuales.

• Se enfatiza la importancia de acompañar a los alumnos en los temas teóricos y facilitar la lectura de bibliografía.

Ejemplos de Procesos Fisiológicos

• Se presentan dos ejemplos donde se manifiesta la regulación de la expresión génica: el desarrollo celular y la respuesta ante estímulos agudos.

Desarrollo Celular y Diferenciación

Proceso de Desarrollo

• La cigota se multiplica mitóticamente para formar un organismo adulto mediante interacciones celulares, señalización y migración.

• A lo largo del desarrollo, las células derivadas adquieren especializaciones morfológicas, bioquímicas y funcionales en un proceso llamado diferenciación celular.

Especialización Celular

• Aunque neuronas y hepatocitos comparten el mismo genoma, son morfológica y funcionalmente diferentes debido a distintos patrones de expresión génica.

• Técnicas modernas han demostrado que cada tipo celular expresa diferentes ARN mensajeros específicos; por ejemplo, las neuronas expresan genes relacionados con su función sináptica mientras que los hepatocitos no.

Expresión Génica Diferencial

Genes Housekeeping

• Existen genes que se expresan simultáneamente en ambos tipos celulares (neurona y hepatocito), conocidos como genes housekeeping o constitutivos, esenciales para funciones básicas celulares.

Mecanismos Moleculares

• Se plantea una pregunta clave sobre los mecanismos que permiten la expresión diferencial de genes entre diferentes tipos celulares. Esta será explorada durante la clase.

Respuesta Celular ante Estímulos Agudos

Ejemplo en Glándulas Mamarias

• En mujeres embarazadas, bajo el estímulo hormonal (prolactina), las células secretoras del tejido mamario comienzan a expresar genes como beta caseína y alfa lactalbumina, cruciales para la producción de leche materna.

Cambios en Expresión Génica

• Comparando antes y después del estímulo hormonal se observa un cambio significativo en la expresión génica relacionado con procesos fisiológicos inmediatos.

Concepto de Expresión Génica

Definición Básica

• El genoma humano contiene aproximadamente 30,000 genes; muchos codifican proteínas cuya expresión implica transcripción seguida por traducción para generar productos funcionales.

Productos Funcionales No Proteicos

Mecanismos de Regulación de la Transcripción

Introducción a la Regulación de la Transcripción

• La regulación de la transcripción es crucial para determinar si se produce un transcripto primario a partir del ADN, así como la velocidad y frecuencia de este proceso en genes específicos.

• Se distinguen dos clases principales de mecanismos regulatorios: pretranscripcionales y aquellos que afectan la estabilidad y expresión de los productos funcionales codificados por los genes.

Accesibilidad del ADN y Compactación de Cromatina

• La accesibilidad del ADN a la maquinaria transcripcional está influenciada por el grado de compactación de la cromatina, que varía durante diferentes etapas del ciclo celular.

• Durante la mitosis, el ADN alcanza su máxima compactación; sin embargo, no todos los sitios genómicos tienen el mismo nivel, lo que afecta qué genes son accesibles para ser expresados.

• Las regiones con cromatina "laxa" permiten el acceso a la maquinaria transcripcional, mientras que las áreas con cromatina "cerrada" impiden esta actividad.

Interacción entre ADN y Histonas

• La formación de nucleosomas es fundamental en la estructura de cromatina; cada nucleosoma consiste en un octámero de histonas alrededor del cual se enrolla el ADN.

• Las histonas son ricas en aminoácidos cargados positivamente, lo que les permite interactuar electrostáticamente con el ADN cargado negativamente.

Modificaciones Químicas en Histonas

• Los extremos aminoterminales de las histonas pueden sufrir modificaciones químicas covalentes que impactan su interacción con el ADN y otros nucleosomas.

• Las modificaciones más comunes incluyen acetilaciones (adición de grupos acetilo), metilaciones (grupos metilo), y fosforilaciones (grupos fosfato).

Efecto Funcional de las Modificaciones

• La acetilación generalmente resulta en una pérdida neta de carga positiva en las lisinas, disminuyendo así su atracción hacia el ADN negativo. Esto facilita una mayor accesibilidad para la maquinaria transcripcional.

Mecanismos de Regulación de la Compactación de la Cromatina

Modificaciones Covalentes en Histonas

• La disminución de la fuerza de tracción entre las histonas y el ADN se debe a modificaciones como la metilación, que no altera la carga positiva original de las histonas.

• La metilación en lisinas impide su acetilación, bloqueando así su carga positiva y resultando en una cromatina más compacta.

• La acetilación elimina cargas positivas, reduciendo la afinidad electrostática con el ADN; ambas reacciones (acetilación y metilación) son mutuamente excluyentes.

• Existen enzimas específicas para introducir o remover estas modificaciones: las asil transferasas añaden grupos acetilo, mientras que las desacetilasas los eliminan.

• Este proceso dinámico permite que diferentes sectores de la cromatina presenten diversas modificaciones a lo largo del ciclo celular.

Complejos Remodeladores de Cromatina

• Los complejos remodeladores están compuestos por subunidades proteicas que utilizan ATP para modificar nucleosomas, alterando su posición o estructura.

• Estos complejos pueden desplazar nucleosomas a áreas adyacentes del genoma, facilitando el acceso a segmentos específicos para la maquinaria transcripcional.

• También tienen la capacidad de eliminar subunidades de histonas, aumentando así la accesibilidad del ADN al entorno celular.

• Además, pueden intercambiar tipos específicos de histonas por variantes con diferente afinidad al ADN.

Metilación del ADN

• La metilación del ADN implica agregar un grupo metilo directamente sobre citosinas adyacentes a guaninas en regiones promotoras clave para iniciar transcripción.

• Esta modificación silencia genes al impedir el asentamiento de ARN polimerasa 2 y reclutar enzimas que modifican histonas hacia un estado más compacto.

• Las citosinas metiladas atraen desacetilasas y metilasas que contribuyen al silenciamiento génico mediante cambios estructurales en las histonas cercanas.

• La regulación epigenética permite transmitir patrones de metilación durante divisiones celulares mitóticas mediante enzimas especializadas tras replicar el ADN.

Conclusión sobre Regulaciones Epigenéticas

• Los mecanismos discutidos (modificaciones covalentes, remodeladores y metilación del ADN), regulan cómo se compacta la cromatina y afectan su accesibilidad para transcripción.

Contexto de la Biología Molecular en Embriología

Introducción a la Biología Molecular

• La biología molecular se utiliza en el contexto de la embriología, donde tiene un significado más amplio y está influenciada por regulaciones ambientales que afectan lo genético.

Mecanismos Moleculares de Compactación de Cromatina

• La cromatina laxa, activa para la transcripción, presenta histonas acetiladas y no metiladas, gracias a complejos remodeladores que facilitan su accesibilidad.

• En contraste, la cromatina cerrada tiene histonas desacetiladas y metiladas, lo que bloquea las citosinas del ADN e impide su acetilación.

Diferenciación Celular y Compactación de Cromatina

• Las diferencias en compactación de cromatina entre neuronas y hepatocitos permiten una expresión génica diferencial, afectando así sus especializaciones celulares.

• La compactación local de la cromatina es mediada por mecanismos epigenéticos como modificaciones covalentes de histonas y metilación del ADN.

Regulación de la Transcripción

Acceso a Maquinaria Transcripcional

• Aunque la cromatina esté relajada, esto no garantiza que se produzca transcripción; se requieren mecanismos regulatorios adicionales para iniciar el proceso.

ARN Polimerasa: Función y Estructura

• La ARN polimerasa es esencial para generar ARN utilizando ADN como molde. En humanos, existen diferentes clases con ARN polimerasa 2 encargándose de transcribir genes codificantes.

• La subunidad CTD (carboxy terminal domain) juega un rol regulatorio crucial al ser fosforilada para activar la transcripción.

Reclutamiento al Promotor

• Para que ARN polimerasa 2 acceda al promotor del ADN, es necesario el reclutamiento previo de factores basales que faciliten esta unión.

Análisis de la ARN Polimerasa 2 y su Regulación

Estructura y Función de la ARN Polimerasa 2

• La ARN polimerasa 2 se posiciona en una región promotora del ADN, que es crucial para el inicio de la transcripción. Los promotores son segmentos específicos del ADN cercanos al inicio de la transcripción.

• Se destaca la secuencia TATA como un ejemplo caracterizado dentro de los promotores, aunque existen otras secuencias que también cumplen funciones similares.

Regiones Regulatorias y su Impacto

• Las regiones regulatorias pueden estar distantes del inicio de la transcripción, a miles de pares de bases, pero son esenciales para regular el proceso. Estas regiones incluyen potenciadores (enhancers) y silenciadores (silencers).

• Los potenciadores aumentan la frecuencia del inicio de la transcripción, mientras que los silenciadores disminuyen dicha probabilidad. Esto se logra mediante proteínas específicas que se unen a estas secuencias.

Factores de Transcripción

• Existen dos tipos principales de factores: los factores basales, que son conservados en todas las células, y los factores específicos, que varían entre genes y confieren especificidad a la regulación.

• La interacción entre potenciadores/silenciadores y sus proteínas asociadas puede tener efectos a distancia gracias al plegamiento del ADN dentro de la célula.

Complejo Mediador en el Inicio de Transcripción

• El complejo mediador es fundamental para transmitir señales moleculares desde los factores específicos hacia la ARN polimerasa 2. Este complejo multiproteico facilita el inicio efectivo de la transcripción.

• Los factores específicos no solo forman parte del complejo inicial sino que también pueden reclutar otras proteínas modificadoras o remodeladoras que afectan directamente a las histonas y a la cromatina.

Regulación Epigenética por Factores Específicos

• Los factores específicos pueden atraer enzimas modificadoras como acetilasas para descondensar localmente cromatina, aumentando así accesibilidad para maquinaria transcripcional.

• Estos factores determinan qué genes serán expresados en una célula al regular complejos iniciadores y reclutar remodeladores epigenéticos.

¿Cómo la prolactina afecta la expresión génica?

Mecanismos de acción de la prolactina

• La prolactina induce un cambio en la expresión génica de las células secretoras de la glándula mamaria, activando una cascada de señalización que fosforila un factor específico de transcripción. Este factor, al estar fosforilado, puede migrar al núcleo y participar en el inicio de la transcripción de genes específicos.

Reflexiones sobre conceptos clave

• Se discutió cómo las modificaciones epigenéticas regulan el grado de compactación de la cromatina, lo que determina su accesibilidad para la maquinaria transcripcional. Estas modificaciones son covalentes y afectan a las histonas.

• Los complejos remodeladores de cromatina y la metilación del ADN también juegan un papel crucial en este proceso. Los factores específicos de transcripción pueden reclutar modificadores epigenéticos y enzimas que realizan estas modificaciones en sitios específicos del genoma.

Variabilidad en tipos celulares

• En diferentes tipos celulares, el repertorio variable de factores específicos de transcripción resulta en distintas subregiones del genoma que pueden estar condensadas o relajadas. Esto explica por qué hay variaciones en los patrones epigenéticos entre distintos tipos celulares.