1 Tema 11. Control de la expresión génica en procariontes

2 • regulación transcripcional: contenido 11. Control de la expresión génica en procariontes • regulación transcripcional: - modelos de control: inducible, represible, constitutivo, negativo, positivo, … - el operón lac: inducible negativo y represible positivo - el operón ara: control positivo y negativo por araC - el operón trp: represión y atenuación • operón, regulón y modulón • regulación traduccional • regulación postraduccional

3 regulación transcripcionalNiveles: - transcripción - traducción - postraduccionales regulación transcripcional Promotores: fuertes y débiles subunidad  mRNA corta vida media operón, regulón, modulón

4 el operón lac Figure: 16-01 Lac Operon OverviewA simplified overview of the genes and regulatory units involved in the control of lactose metabolism (not to scale).

5 control de la expresión génicaestructuras reguladores constitutivos inducibles represibles catabolismo de azúcares reparación de daños síntesis de aminoácidos síntesis de nucleótidos

6 modelos de control Negativo Inducibles: lac, ara PositivoRepresibles: trp

7 control negativo Fig. 11-13 a-b, SuzukiControl negativo: el regulador es un REPRESOR

8 control positivo Control positivo: el regulador es un ACTIVADOR

9 resumen

10 lac gal represor + inductor

11 trp arg aporrepresor + correpresor

12 ara mal apoinductor apoinductor + inductorAquí el ‘inductor’ sería el sustrato de la reacción controlada por el operón ara mal apoinductor + inductor

13 inductor aporrepresorAquí el ‘correpresor’ sería el producto de la reacción controlada por el operón ilv cys inductor aporrepresor + correpresor

14 el operón lac: inducible negativo y represible positivoFigure: 16-01 Lac Operon Overview A simplified overview of the genes and regulatory units involved in the control of lactose metabolism (not to scale).

15 el operón lac represor inductor Figure: 16-05a Title:The Wild-type lac Operon Caption: The components of the wild-type lac operon and the response in the absence and the presence of lactose. represor inductor

16 genes estructurales lacFigure: 16-03 The Structural Genes of the lac Operon The structural genes of the lac operon are transcribed into a single polycistronic mRNA, which is translated simultaneously by several ribosomes into the three enzymes encoded by the operon.

17 La lactosa, hidrato de carbono de la leche, está formado por galactosa y glucosaAlolactosa: compuesto relacionado con la lactosa

18 Figure: 16-02 Title: Lactose Conversion to Galactose and Glucose Caption: The catabolic conversion of the disaccharide lactose into its monosaccharide units, galactose and glucose.

19 el operón lac: inducible negativosilvestre sin lactosa Figure: 16-05b Title: The Wild-type lac Operon Caption: The components of the wild-type lac operon and the response in the absence and the presence of lactose.

20 silvestre con lactosa Figure: 16-05c Title: The Wild-type lac OperonCaption: The components of the wild-type lac operon and the response in the absence and the presence of lactose.

21 IPTG Figure: 16-04 IsopropylthiogalactosideThe gratuitous inducer isopropyl-BD-thiogalactoside (IPTG).

22 operón lac ON/OFF Fig. 11-1, Suzuki Figure: 16-03The Structural Genes of the lac Operon The structural genes of the lac operon are transcribed into a single polycistronic mRNA, which is translated simultaneously by several ribosomes into the three enzymes encoded by the operon.

23 Fig. 11-5, Suzuki

24 mutante constitutivo (Oc)Figure: 16-06b The lac Operon in the Absence of Lactose The response of the lac operon in the absence of lactose when a cell bears either the I- or the Oc mutation. cis-dominante cis = ‘al lado de’, actúa en el mismo cromosoma

25 operador del operón lacFig , Suzuki secuencia de bases del operador de la lactosa y ocho cambios de base que dan lugar a un Oc punto = eje de simetría de la secuencia

26 mutante constitutivo (I-)Figure: 16-06a The lac Operon in the Absence of Lactose The response of the lac operon in the absence of lactose when a cell bears either the I- or the Oc mutation. trans-recesiva trans =‘a través de’, actúa sobre todo el genoma celular

27 mutante no inducible (Is e Iq)Figure: 16-07 The lac Operon The response of the lac operon in the presence of lactose in a cell bearing the IS mutation. Trans-dominante

28 merodiploide Oc Fig. 11-8, SuzukiMerodiploide = merocigoto = diploide parcial

29 merodiploide I- Fig. 11-6, Suzuki

30 merodiploide IS Fig. 11-7, Suzuki

31 Figure: 16-T01 A Comparison of Gene Activity (+ or -) in the Presence or Absence of Lactose for Various E. coli Genotypes I actúa en trans actúa en cis! observar la diferencia entre apartados B y C

32 Tabla 11-1, 2 y 3, Suzuki

33 I– Z– Oc Y– Z: constitutivo Y: inducible Is Oc Z– P– Y– Z: no síntesis Y: constitutivo

34 P– I– Z– Oc Y– Z: constitutivo Y: no síntesis Z– P– Is Y– Z: no síntesis Y: no síntesis

35 Fig , Suzuki

36 el operón lac: represión por catabolitosilvestre sin glucosa Figure: 16-08a Catabolite Repression Catabolite repression. (a) In the absence of glucose, cAMP levels increase, resulting in the formation of a CAP-cAMP complex, which binds to the CAP site of the promoter, stimulating transcription. (b) In the presence of glucose, cAMP levels decrease, CAP-cAMP complexes are not formed, and transcription is not stimulated.

37 Fig d-e, Suzuki

38 silvestre con glucosa Figure: 16-08b Catabolite RepressionCatabolite repression. (a) In the absence of glucose, cAMP levels increase, resulting in the formation of a CAP-cAMP complex, which binds to the CAP site of the promoter, stimulating transcription. (b) In the presence of glucose, cAMP levels decrease, CAP-cAMP complexes are not formed, and transcription is not stimulated.

39 - glucosa + lactosa -> SI síntesis + glucosa - lactosa-> NO síntesis Fig a-c, Suzuki otra opción: - gluc y - lac -> NO síntesis de mRNA y la posterior traducción de Beta-gal, permeasa y transacetilasa + glucosa + lactosa -> poca sínt.

40 LacI y CAP unidas a Plac Figure: 16-10c Models of the lac RepressorModels of the lac repressor and its binding to operator sites with DNA, as generated from crystal structure analysis. (a) The repressor monomer; the arrow points to the inducer-binding site. The DNA-binding region is shown in red. (b) The repressor dimer bound to 2 21-base-pair segments of operator DNA (shown in blue). (c) The repressor and CAP (shown in dark blue) bound to the lac DNA. Binding to operator regions O1 and O3 creates a 93-base-pair repression loop of promoter DNA. 1966, Gilbert y Müller-Hill, existencia de LacI como proteína (Jacob y Monod pensaron en algún momento que el represor podía ser un mRNA) 1996 análisi cristalográfico de LacI

41 Cours de Physiologie et de génétique bactériennes, 1957 André Lwoff: era el jefe del lab. trabajó más con fagos, fue el descubridor de la lisogenia Cours de Physiologie et de génétique bactériennes, 1957 Illustration humoristique des cours par une série de dessins de F. Lavallé Légendes de Georges Cohen

42 el operón ara Fig , Suzuki

43 control positivo y negativo por araCFig , Suzuki

44 el operón trp Fig , Suzuki

45 biosíntesis de Trp Fig , Suzuki

46 Figure: 16-11a The Tryptophan Operon (a) The components involved in the regulation of the tryptophan operon. Regulatory conditions are depicted involving either activation or repression of the structural genes.

47 regulación por represiónFigure: 16-11b The Tryptophan Operon (b) In the absence of tryptophan, an inactive repressor is made that cannot bind to the operator (O), thus allowing transcription to proceed.

48 regulación por atenuaciónFig , Suzuki secuencia líder, con el elemento atenuador del operón trp y el comienzo de la secuencia trpE Fig (a), Suzuki estructuras secuendarias propuestas para la región líder trp que causan la terminación de la transcripción en E. coli. Cuatro regiones pueden establecer emparejamientos de bases para formar estructuras en horquilla

49 Fig b-c, Suzuki

50 fago l: un complejo de operonesFig.11-22, Suzuki

51 operón, regulón y modulónregulón SOS Figure: 16-UN01 Problems and Discussion Question 13: The SOS DNA repair genes in E. coli are negatively regulated by the lexA gene product, called the LexA repressor. When a cell sustains extensive damage to its DNA, the LexA repressor is inactivated by the recA gene product, and transcription of the SOS genes is increased dramatically. One of the SOS genes is the uvrA gene. You are studying the function of the uvrA gene product in DNA repair. You isolate a mutant strain that shows constitutive expression of the UvrA protein. You name this mutant strain uvrAC. The simple diagram that follows shows the lexA and uvrA operons. (a) Describe two different mutations that would result in a uvrA constitutive phenotype. Indicate the actual genotypes involved. (b) Outline a series of genetic experiments, using partial diploid strains that would allow you to determine which of the two possible mutations you have isolated.

52 regulón: SOS, HS (choque térmico), S

53 modulón: CAP-cAMP, ppGpp (respuesta restringida)

54 regulación traduccionalpolaridad y acoplamiento de transcripción y traducción RNA antisentido. Ej: genes porinas, nº plásmidos, ... eficiencia de unión del ribosoma a la secuencia Shine-Dalgarno, interruptores ribosómicos 4. preferencia de codones (redundancia del código genético) 5. ribozimas Alf no 6.

55 regulación traduccionalpolaridad y acoplamiento de transcripción y traducción 10 : 5 : 2 Alf no 5.

56 regulación traduccional2. RNA antisentido. Ej: genes porinas, nº plásmidos, ... Alf no 5.

57 regulación traduccional3. interruptores ribosómicos Ej: biosínteis de B12

58 regulación traduccional5. ribozimas glmS de Bacillus subtlis GlcN6P: glucosamina-6-fosfato

59 regulación postraduccional1. proteínas alostéricas Ej: LacI, TrpR 2. retroinhibición Ej: biosíntesis de Trp 3. degradación proteica (señales para proteasas) 3.1. regla amino-terminal. Ej: b-galactosidasa 3.2. hipótesis PEST (Pro, Glu, Ser, Thr) regulación interesante, debida a la larga vida media de las proteínas (comparadas con el mRNA) 1. activación y desactivación de represores (regulación de la función) que son proteínas alostéricas 2.en la biosíntesis de Trp, la 1ª enzima de la ruta es inhibida por Trp 3. Beta-gal vida media va de 2min cuando su aa terminal es Arg a 20h cuando el aa es Met u optros hipótesis PEST: proteínas con regiones ricas en PEST tienden a degradarse en menos de 2h

60 problemas capítulo 2 2ª ed.: 2.15-2.28 (no 2.26) 3ª ed.: 2.17-2.291 h de clase: enero-2010