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BACTERIOLOGÍA – CAPÍTULO NUEVE

MECANISMOS DE REGULACIÓN GENÉTICA

Dr Gene Mayer

 Traducción Dr. en C. Paula Figueroa

 

VA EL CAPÍTULO 10

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DR PAULA FIGUEROA

OBJETIVOS DE ENSEÑANZA
Discutir la estructura y la transcripción de los genes bacterianos.
Describir los mecanismos moleculares que las bacterias usan para regular la actividad genética.
Comparar y contrastar los operones inducible y reprimible.
Describir los mecanismos moleculares involucrados en la represión catabólica y la atenuación.
Discutir las maneras como las bacterias regulan la actividad enzimática.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA

Las bacterias no producen todo el tiempo todas las proteínas que son capaces de elaborar. En lugar de eso, ellas se adaptan a su medio ambiente y sintetizan solo aquellos productos genéticos esenciales para sobrevivir en un medio ambiente en particular.

Por ejemplo, las bacterias no sintetizan las enzimas necesarias para la síntesis del triptofano cuando hay una fuente abundante de triptofano en su medio ambiente. Sin embargo, cuando el triptofano está ausente, las enzimas se sintetizan. De manera similar, solo porque una bacteria lleva un gen de resistencia a un antibiótico, no significa que ese gen se va a expresar. El gen de resistencia solo se puede expresar cuando el antibiótico está presente en el medio ambiente que rodea a la bacteria.

CONCEPTOS CLAVE
Coordinación de la expresión genética.
RNAm policistrónico
Promotor
Operón
Operón inducible
Inductor
Gene estructural
Gene regulador
Represor
Operador
Control negativo
Represión catabólica
proteína CAP
Control positivo
Operón reprimible
 Co-represor
Apo-represor
Atenuación
Región Líder
Inhibición por retroalimentación (Feedback)
Modificación epigenética

   Figura 1  El operón de lactosa

  Figura 2 Transcripción de los genes lac en presencia y ausencia de glucosa

Genes Inducibles - El Modelo del Operon

1. Definición
Los genes inducibles son aquellos en los que la presencia de una sustancia (un inductor) en el medio ambiente, enciende la expresión de uno o más genes (genes estructurales) involucrados en el metabolismo de tal sustancia ejemplos: la lactosa induce la expresión de los genes del operon lac. Un antibiótico induce la expresión de un gen de resistencia.

La inducción es común en las rutas metabólicas que dan como resultado el catabolismo de una sustancia y el inductor es normalmente el sustrato de esa ruta.

2. Operón de Lactosa
El operón de lactosa se ilustra en la Figura 1.

a. Genes estructurales - El operón de lactosa contiene tres genes estructurales que codifican para las enzimas involucradas en el  metabolismo de la lactosa. El gen lac z codifica para la β-galactosidasa, una enzima que convierte la lactose en glucosa y galactosa, el gen lac y que codifica para una permeasa, la cual está involucrada en la incorporación de la lactosa, y el gen lac a, que codifica para una galactosa transacetilasa. Estos genes se transcriben desde un promotor común en un mRNA polícistrónico, el cual es traducido para dar lugar a las tres enzimas.

b. Gen Regulador- La expresión de los genes estructurales no solamente se ve influenciada por la presencia o ausencia del inductor, también está controlada por un gen regulador específico. El gen regulador puede estar cerca o lejos de los genes que están siendo regulados. El gen regulador codifica para una proteína específica, un producto denominado REPRESOR.

c. Operador - El represor actúa mediante la unión con una región específica del DNA llamada el operador, la cual está adyacente a los genes estructurales que se están regulando. Los genes estructurales junto con la región operadora y el promotor se conocen como un OPERÓN. Sin embargo, la unión del represor con el operador se previene por el inductor y el inductor puede también remover el  represor que ya se haya unido al operador. No obstante, en presencia del inductor el represor se inactiva y no se une al operador, dando como resultado la transcripción de los genes estructurales. En contraste, en ausencia del inductor, el represor si está activo y se une al operador, lo cual da como resultado la inhibición de la transcripción de los genes estructurales. Este tipo de control se conoce como CONTROL NEGATIVO, ya que la función del producto del gen regulador (el represor) es apagar la transcripción de los genes estructurales.

d. Inductor – La transcripción de los genes lac está influenciada por la presencia o ausencia de un inductor (lactosa u otros β-galactósidos) (Figura 2).

Ej.	+ inductor	Expresión
	- inductor	No hay expresión

CHIME
  Haga click en la imagen a la izquierda para ver una estructura molecular rotatoria del represor lac unido al DNA del operón lac. Requiere Netscape y la conexión a Chime. Baje Chime aquí)

 

Figura 4   Efecto de la glucose en la expresión de las proteínas codificadas por el operón lac



  Figura 5 Efecto de la glucosa en la expresión de las proteínas codificadas por el operón lac

3. Represión Catabólica (Efecto de la Glucosa)

Muchos operones inducibles no solamente están controlados por sus respectivos inductores y genes reguladores, sino que también se ven controlados por el nivel de glucosa en el medio ambiente. La capacidad de la glucosa en el control de la expresión de un número de diferentes operones inducibles se le llama REPRESIÓN CATABÓLICA. La cual se ilustra en la Figura 3.

La represión catabólica se observa generalmente en aquellos operones que están involucrados en la degradación de los componentes que se emplean como fuentes de energía. Dado que la glucosa es la fuente preferida en las bacterias, la capacidad de la glucosa para regular la expresión de otros operones, asegura que las bacterias utilizarán glucosa antes que cualquier otra fuente de carbono como fuente de energía.

Mecanismo
En las bacterias existe una relación inversa entre los niveles de glucosa y los de AMP cíclico (AMPc). Cuando los niveles de glucosa son bajos, los niveles de AMPc son altos y viceversa. Esta interrelación existe porque el transporte de glucosa al interior de la célula inhibe a la enzima adenilato ciclasa que es la que produce el AMPc. En las bacterias el AMPc se une a una proteína de unión con AMPc llamada CAP o CRP. El complejo AMPc-CAP y no la proteína CAP por sí sola, es capaz de unirse a un sitio en los promotores de los operones sensibles a la represión catabólica. La unión con el complejo hace al promotor más eficiente, por lo tanto se llevarán a cabo más procesos de iniciación de la transcripción de ese promotor, como se ilustra en las Figuras 4 y 5. Debido a que el papel del complejo CAP-AMPc es encender la transcripción, este tipo de control se considera como CONTROL POSITIVO. Las consecuencias de este tipo de control son que, para que se logre la expresión máxima de un operón sensible a represión catabólica, la glucosa necesariamente debe estar ausente en el medio ambiente bacteriano y el inductor del operón deberá estar presente. Si ambos están presentes el operón no se expresará a su nivel máximo hasta que la glucosa sea metabolizada completamente. Obviamente, no hay expresión del operón, es decir esta no ocurre a menos que el inductor se encuentre presente.

  Figura 7  El efecto del triptofano sobre la expresión del operón trp

Genes Reprimibles - El Modelo del Operón.

1. Definición
Los genes reprimibles son aquellos en los cuales la presencia de una sustancia (un co-represor) en el medio ambiente, apaga la expresión de uno o más genes (genes estructurales) involucrados en el metabolismo de una sustancia.

Ejemplo, el triptofano reprime la expresión de los genes trp.

La represión es común en las rutas metabólicas que dan como resultado la biosíntesis de una substancia y el co-represor normalmente es el producto final de la ruta que está siendo regulada.

2. Operón del triptofano
El operón para triptofano se ilustra en la Figura 6.

a. Genes estructurales – El operón para el triptofano contiene cinco genes estructurales que codifican para las enzimas involucradas en la síntesis del triptofano. Estos genes se transcriben desde un promotor común dando lugar a un RNA mensajero (mRNA) policistrónico, el cual se traduce dando lugar a las cinco enzimas del operón.

b. Gen Regulador- La expresión de los genes estructurales no solamente se ve influenciada por la presencia o ausencia del co-represor, es también controlada por un gen regulador específico. El gen regulador puede estar cercano o lejano a los genes que están siendo regulados. Los genes reguladores codifican para un producto protéico específico llamado el  REPRESOR (a veces también se le conoce como el apo-represor). Cuando el represor se sintetiza es inactivo. Sin embargo, se puede activar al formar un complejo con el co-represor (por ejemplo: el triptofano)

c. Operador – El complejo represor/co-repressor actúa uniéndose a  la región específica del DNA llamada operador el cual es una secuencia adyascente a los genes estructurales que se están regulando. Los genes estructurales junto con la región del operador y el promotor se le conoce como el OPERÓN. Por lo tanto, en presencia del co-represor, el represor se activa y se une al operador, dando como resultado la represión de la transcripción de los genes estructurales. En contraste, en ausencia del co-represor, el represor es inactivo y por tanto no es capaz de unirse al operador, lo cual da como resultado la transcripción de los genes estructurales. A este tipo de control se le conoce como CONTROL NEGATIVO, ya que la función del producto del gen regulador (represor) es apagar la transcripción de los genes estructurales.

d. Co-represor – La transcripción de los genes del triptofano está  influenciada por la presencia o ausencia de un co-represor (triptofano) (Figura 7).

ej.	+ co-represor	no hay expresión
	- co-represor	expresión

 

  Figura 9  Formación de estructuras tallo-lupa

3. Atenuación

En muchos operones reprimibles la transcripción que se inicia en el promotor puede terminarse prematuramente en la region líder, que es la que precede al primer gen estructural. (ej: la polimerasa termina la  transcripción antes de que se empiece a transcribir el primer gen del operón. Este fenómeno se conoce como ATENUACION; la terminación prematura de la transcripción. Aunque la atenuación se observa en un número de operones, el mecanismo se conoce y se entiende mejor en aquellos operones que son reprimibles y que están involucrados en la síntesis de los aminoácidos. En estos casos la atenuación se regula mediante la disponibilidad del tRNA aminoacilado correspondiente al aminoácido en cuestión.

Mecanismo (Ver la Figura 8 )

Aunque la transcripción se inicia al nivel del promotor, realmente esta empieza antes del inicio del marco de lectura del primer gen estructural y en esta región previa se forma un transcrito corto y se conoce como región líder. Esta región líder contiene una señal de inicio y otra de alto (paro) para la síntesis de proteínas. Ya que las bacterias no tienen membrana nuclear, la transcripción y la transducción pueden ocurrir simultáneamente. Por tanto se puede estar formando un péptido corto, al mismo tiempo que la RNA polimerasa está transcribiendo la región líder. Este péptido de prueba contiene varios residuos de triptofano a la mitad del mismo. Por lo tanto, si existe suficiente cantidad de triptofanil-t-RNA para traducir el péptido de prueba, el péptido entero estará formado y el ribosoma alcanzará la señal de alto. Por otra parte, si no hay suficiente triptofanil-t-RNA para traducir el péptido, el ribosoma se arrestará en los dos codones para el triptofano antes de alcanzar la señal de alto.

La secuencia en el mRNA líder contiene cuatro regiones, las cuales tienen secuencias complementarias entre sí (Figura 9). Por lo tanto, varias diferentes estructuras de tallo y lupa se pueden formar. La región 1 solamente puede formar pares de bases con la región 2; la region 2 puede formar pares de base ya sea con la región 1 o con la región 3; la región 3 puede formar pares de bases con las regiones 2 o 4; y la región 4 solamente puede formar pares de bases con la región 3. Por lo tanto tres posibles estructuras de tallo/lupa pueden formarse en el RNA.

región 1: región 2

región 2: región 3

región 3: región 4

Una de las posibles estructuras (la región 3 que forma pares de bases con la región 4) genera una señal para la RNA polimerasa para que ella termine la transcripción (ej. para atenuar la transcripción). Sin embargo la formación de una estructura de tallo y lupa puede ser que anule la formación de otras. Si la región 2 forma pares de bases con la región 1 no estará disponible para parearse con la región 3. De manera similar, si la  región 3 forma pares de bases con la región 2 no estará disponible para formar pares de bases con la región 4.

La capacidad de los ribosomas para traducir el péptido de prueba, afectará la formación de las diferentes estructuras de tallo y lupa Figura 10. Si el  ribosoma alcanza la señal de alto de la traducción, ésta estará cubriendo la región 2 y por tanto la región 2 no estará disponible para la formación de  pares de bases con otras regiones. Esto permite la generación de la señal para la terminación de la transcripción, porque la región 3  estará disponible para parearse con la región 4. Por lo tanto, cuando existe suficiente triptofanil-t-RNA para traducir el péptido de prueba ocurrirá una atenuación y los genes estructurales no se transcribirán. En contraste, cuando existe una cantidad insuficiente de triptofanil-t-RNA para traducir el péptido de prueba, entonces la atenuación sí ocurrirá. Esto es porque el ribosoma se detendrá en los dos codones para triptofano de la región 1, permitiendo así que la región 2 forme pares de bases con la región 3 previniendo así la formación de la señal de atenuación (ej. la región 3 se parearía con la región 4). Por lo tanto, los genes estructurales se transcribirán.

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.

Las bacterias también tienen formas de regular las actividades de sus enzimas.

Inhibición por retroalimentación
Las actividades de las enzimas bacterianas frecuentemente están sujetas a la regulación por retroalimentación conocida como inhibición sujeta a retroalimentación (feedback). Normalmente, es el producto final de la ruta metabólica el que actúa como inhibidor de la primera enzima de la misma. Es el paso en el cual se lleva a cabo la regulación de la ruta metabólica.

Modificación epigenética
Las actividades de las enzimas bacterianas también se regulan mediante modificaciones covalentes de las enzimas. Tales modificaciones se llaman MODIFICACIONES EPIGENÉTICAS. Ejemplos. La adenilación de la sintetasa de glutamina, la fosforilación de la sintetasa de glicógeno.

Normalmente estas modificaciones son reversibles de manera que las actividades de las enzimas pueden ser encendidas y apagadas.