Expresion Diferencial de Genes PDF

Mecanismos de diferenciación celular – expresión diferencial Carolina Pardo Departamento de Biología Facultad de Ciencias Naturales Universidad del Rosario El núcleo de cada célula somática tiene los mismos cromosomas – por ende los mismos genes – equivalencia genómica. Equivalencia genómica La...

Mecanismos de diferenciación celular – expresión diferencial Carolina Pardo Departamento de Biología Facultad de Ciencias Naturales Universidad del Rosario El núcleo de cada célula somática tiene los mismos cromosomas – por ende los mismos genes – equivalencia genómica. Equivalencia genómica La comprobación de la equivalencia genómica se empezó a dar desde los años 30 con Drosophila, en los 70’s con mamíferos y en los 2000’s la confirmación definitiva se da con la clonación de Dolly. Equivalencia genómica Núcleo de una célula somática, sin importar que esté diferenciada, es suficiente y contiene todos los genes necesarios para desencadenar el desarrollo de un nuevo organismo Equivalencia genómica Una célula somática no muta o pierde genes en su proceso de diferenciación. Por tanto, los núcleo de todas las células somáticas de un mismo individuos son equivalentes. Si todas las células del cuerpo tienen los mismos genes, ¿cómo y por qué hay diferenciación? • ¿Por qué la insulina sólo se produce en células pancreáticas? • ¿Por qué la hemoglobina en glóbulos rojos? Expresión de genes ¿# genes? ¿# proteínas? ~20 mil genes ~100 mil proteínas Expresión diferencial de genes Diferenciación celular se logra por expresión diferencial de genes: donde cada célula es diferente dependiendo de los genes que tenga activos o ‘expresados’ (combinación única) à Diferentes proteínas (productos). postulados básicos: 1. El genoma todas las células somáticas diferenciadas es igual y se establece en la fertilización. 2. Los genes no expresados por una célula retienen el potencial de expresarse (no se destruyen o mutan). 3. Una célula sólo expresa un pequeño porcentaje de su genoma y la porción del RNA que sintetiza es único para su tipo celular. La expresión diferencial de genes puede regularse en cuatro niveles: 1. Transcripción diferencial de genes: regular qué genes producen nRNA (nuclear RNA). 2. Procesamiento selectivo de nRNA: regular cuál de los nRNA entra al citoplasma y se convierte en mRNA. 3. Traducción selectiva del mRNA: regular cuál de los mRNA en el citoplasma se traduce en proteína. 4. Modificación diferencial de proteína: regular qué proteínas se quedan y/o funcionan en la célula. Dogma central Anatomía de un gen 1 Intrones y exones Procariotas vs. eucariotas Anatomía de un gen 2 Promotor – unión de la RNApol II – inicia tc Algunos caja TATA – sitio de unión de TATA binding protein – estabiliza unión de RNApol II ¿Archaea – Procariotas* - Eucariotas? *Pribnow Anatomía de un gen 3 Sitio de inicio de la transcripción (CAP sequence) Anatomía de un gen 3 Sitio de inicio de la transcripción (CAP sequence) Nucleótido modificado en el 5’ una vez éste se transcribe guanina Anatomía de un gen ~50bp 4 Región no traducida del 5’ (5’ untranslated region = 5’ UTR) – o Secuencia líder – 50 pb entre inicio de la tc e inicio de la traducción - Hace parte del mRNA pero no de la proteína. Su secuencia determina la velocidad a la que se dará la traducción Anatomía de un gen 5 Sitio de inicio de la traducción – codon ATG Anatomía de un gen 6 Sitio de terminación de la traducción – codon TAA - disociación de ribosoma Recluta factores de disociación Anatomía de un gen 7 3’ UTR (AATAAA) – necesaria para poliadenilación Transcrita pero no traducida. ¿Para qué se necesita polyA? Anatomía de un gen 8 Secuencia de terminación de la transcripción = ~1Kb después de sitio AATTAAA Control de la expresión génica 1. Evitar la transcripción - modular (físicamente) el acceso de la maquinaria de transcripción a los genes Modulación por proteínas - histonas cromatina En eucariotas, el ADN está organizado en un complejo de proteína + ADN (cromatina = compuesto de histonas). Modulación por proteínas - histonas ADN se ‘enrolla’ sobre octámeros – H2 – H4 Modulación por proteínas - histonas H2 – H4 tienen “colas” Modulación por proteínas - histonas Obvio, son colas de AA = porque son proteínas! Modulación por proteínas - histonas Modificaciones en las colas de las histonas son críticas porque facilitan o reprimen la expresión de genes. Represión y activación: modificación de las colitas de las histonas H2, H3 y H4 con residuos metil (CH3) o acetil (COCH3). Acetilación de histonas: ‘relaja’ las histonas, activando transcripción. – Histonas acetyltransferasas: agregan grupos acetyl a las histonas H2, H3 y H4, desestabilizando el nucleosoma y haciéndolo más eucromático (activa tc). – Histonas deacetylasas: remueven grupos acetyl de las histonas, estabilizando el nucleosoma y haciéndolo más heterocromático (previniendo tc). Metilación de histonas: en general reprime transcripción. – Histonas metyltransferasas: agregan grupos metil a las histonas, haciendo en nucleosoma más heterocromático (reprimiendo tc). Dependiendo del AA metilado, la histona metilada o la presencia de otros grupos metil o acetil puede activar tc. Por ejemplo: efecto depende de la posición de la Lisina modificada H3meK27 Lisinas 4, 38 y 79 de cola H3 metiladas: activación Lisinas 9 y 27 de cola H3 metiladas: represión Modulación por secuencia - Elementos regulatorios cis (CREs) Son secuencias regulatorias a cualquier extremo del gen (5’ o 3’), incluso dentro del gen mismo o muy lejos de él – Promotores, enhancers y silencers. – Controlan cuándo, cómo y dónde se transcribe un gen. – Cuando estas regiones regulatorias están en el mismo cromosoma que el gen que están regulando (sin importar la distancia) se llaman cis regulatory regions (CREs) De su presencia depende que se reclute o no maquinaria de tc (otra forma de modular físicamente). Elementos regulatorios cis (CREs) Promotores: – Sitio de unión de la RNApol II para iniciar la tc. – Son ricos en islas CpG (GC) a las que se unen factores de transcripción basales que forman un ‘sillón’ que recluta la RNApol II y la posiciona adecuadamente para iniciar la tc. – La RNApol II no se puede unir al promotor por sí sola à necesita de estos TF basales. GCGCCGCGCG RNApol Low High PROMOTORES SON SUFICIENTES PARA INICIAR LA TRANSCRIPCIÓN PERO SU ACTIVIDAD BASAL ES POCA NECESITAN APOYO! Elementos regulatorios cis (CREs) Enhancers: • Regiones cortas (50-1000 bp) • Reclutan proteínas (TF activadores) aumentando la transcripción de un gen (incluso 100X). • No necesariamente en proximidad inmediata al gen que controlan. • Entran en contacto con RNApol+gen vía loops mediadores. Elementos regulatorios cis (CREs) Silencers: antagonistas de enhancers. Reprimen transcripción reclutando/uniéndose a TF represores. Cambiar conformación del complejo de TC Bloquear la unión de RNApol y TF activadores Los enhancers y silencers pueden actuar como módulos independientes, que pueden actuar en diferentes combinaciones, generando múltiples opciones de resultados Sp1 Sp2 GEN AGUACATE GEN JUGO Sp3 Sp5 Sp4 Mismo gen variación entre especies Optimización - más funciones del mismo gen en un individuo (o especie) Variación entre especies Presencia/ausencia en diferentes especies confiere capacidad de ‘encender’ o ‘apagar’ un gen en uno o varios tejidos (reclutar diferencialmente) Patas Ojos Corazón Especie 1 Gen X Patas Corazón Especie 2 Gen X Patas Especie 3 Gen X Ojos Especie 4 Corazón Gen X Optimización en una misma especie En un mismo individuo todas las células tienen los mismos CREs, pero no necesariamente los mismos TF – enciende diferencialmente al mismo gen en diferentes tejidos Pax6 Córnea Lentes Retina Tubo neural Páncreas Optimización en una misma especie brain enhancer spine enhancer Un mismo gen (sonic) es expresdo en el cerebro, espina dorsal y dedos de un embrión de ratón. Cada uno de estos ‘dominios de expresión’ se enciende o apaga independientemente ya que en cada ‘tejido’ hay diferentes TF que se unen a sus respectivos enhancers. coding region digit enhancer Control de la expresión genética 2. Transcripción diferencial – ya se transcribió, vamos a controlar la cantidad ESTRATEGIAS 1.Promotores con alto o bajo contenido de CpG 2.Metilación de DNA Transcripción diferencial 1. Promotores con alto o bajo contenido de CpG Promotores éGC - en genes que controlan desarrollo Default RNApol II está estabilizada Represión por metilación de histonas Transcripción diferencial 1. Promotores con alto o bajo contenido de CpG Promotores êGC - En genes propios de células maduras. Requiere TF Default Represión por metilación de ADN (no histona) Transcripción diferencial 2. Metilación de ADN 1948 Una vez el ADN se replica, algunas citosinas son metiladas enzimáticamente • 5% de las C en mamíferos están metiladas. • 14 de las C en A. thaliana están metiladas. • 2.3% de las C en E. coli están metiladas. Transcripción diferencial 2. Metilación de ADN En general una C se metila sólo si está al lado de una G ¿Qué se caracteriza por ser rico en CG? Transcripción diferencial 2. Metilación de ADN EN GENERAL, metilación en ciertas C inactiva transcripción, estabilizando nucleosoma y evitando la unión de TF. • Promotores metilados – no transcripción. • Estados de metilación pueden cambiar durante el desarrollo. Transcripción diferencial 2. Metilación de ADN Dos mecanismos mediante los cuales la metilación de ADN reprime expresión de genes. a. Bloquea físicamente la unión de los TF a los enhancers. Transcripción diferencial 2. Metilación de ADN b. Reclutar proteínas que facilitan la metilación o deacetilación de histonas, estabilizando al nucleosomas. Control de la expresión genética 3. Procesamiento diferencial de mRNA – ya se transcribió ahora controlar cómo se procesa Procesamiento diferencial de RNA 1. Splicing alternativo Splicisoma corta el nRNA y el mRNA se ensambla en diferentes combinaciones de exones para que un mismo gen pueda producir múltiples transcritos. Cada transcrito se llamará isoforma Procesamiento diferencial de RNA 1. Splicing alternativo Dscam Adhesión de membrana en neuronas 115 exones 38 mil transcritos Miura, 2013. Cell Control de la expresión genética 4. Control de la traducción – ya se transcribió ahora controlar qué se traduce ESTRATEGIAS 1. Longevidad diferencial de mRNA 2. mRNA del oocito 3. microRNA 4.Localización citoplasmática Control de traducción 1. Longevidad diferencial de mRNA • Entre más persista un mRNA más proteína se puede traducir a partir de él. mRNA caseína • La estabilidad de un mensajero depende de la longitud de su cola PolyA, por ende, depende de la longitud de su 3’UTR. Control de traducción 2. mRNA del oocito • El oocito (huevo) almacena mRNAs que serán usados apenas se complete la fertilización (contribuyentes maternales o mRNA maternales) – deben permanecer inactivos si no hay fertilización. • Estrategia: no tener polyA completo – CPEB fosforilado vs. no fosforilado Control de traducción 3. microRNA • RNAs de 21 o 22 nt, hechos de precursores más largos. • Forman hairpins con mRNAs complementarios. • Desencadenan degradación – RNA de interferencia. Control de traducción 4. Localización citoplasmática algunos mRNA sólo son traducidos si se mueven a una zona del citoplasma donde estén proteínas que los ‘anclen’ algunos mRNA serán degradados a menos que se mueven a una zona del citoplasma donde hayan proteínas que los protejan Transporte activo por el citoesqueleto – microtúbulos (carreteras) – usando proteínas motoras como kinesinas o las dineínas (carros).