Este documento describe los mecanismos de regulación de la expresión génica en organismos eucariotas. La expresión génica está regulada a través de modificaciones en la cromatina, procesamiento del RNA, iniciación de la traducción y procesamiento de proteínas. Factores como la acetilación de histonas, metilación del DNA y procesamiento alternativo del RNA influyen en la expresión de genes específicos en diferentes tipos celulares.

1. LECTURE PRESENTATIONS
For CAMPBELL BIOLOGY, NINTH EDITION
Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson
Regulación de la expresión génica en eucariontes
Regulation of Gene Expression
http://grade-11-biology-bethune.wikispaces.com/file/view/dna-music.gif/272242764/188x218/dna-music.gif
Lectures by
Erin Barley
Traducción libre porKathleenCastañeda S.
América Fitzpatrick
Enero 2013.
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2. Conduciendo la Orquesta Genética
• Los procariontes y eucariontes modifican la
expresión génica en respuesta a los cambios
ambientales.
• En los organismos eucariontes multicelulares, la
expresión génica regula el desarrollo y es
responsible de los diferentes tipos celulares.
• Las moléculas de RNA juegan muchos roles en la
regulación de la expresión génica en eucariontes.
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3. La expresión génica en eucariontes está
regulada en muchos estados.
• Todos los organismos deben regular qué genes se
expresan en un tiempo determinado.
• En los organismos multicelulares la regulación de
la expresión génica es esencial para la
especialización de las células.
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4. Figure 18.6 Signal
NUCLEUS
Chromatin
Chromatin modification:
DNA unpacking involving
histone acetylation and
DNA demethylation
DNA
Gene available
for transcription
Gene
Transcription
RNA Exon
Primary transcript
Intron
RNA processing
Tail
Cap mRNA in nucleus
Transport to cytoplasm
CYTOPLASM
mRNA in cytoplasm
Degradation Translation
of mRNA
Polypeptide
Protein processing, such
as cleavage and
chemical modification
Active protein
Degradation
of protein
Transport to cellular
destination
Cellular function (such
as enzymatic activity,
structural support)

5. Figure 18.6a
Signal
NUCLEUS
Chromatin
Chromatin modification:
DNA unpacking involving
histone acetylation and
DNA demethylation
DNA
Gene available
for transcription
Gene
Transcription
RNA Exon
Primary transcript
Intron
RNA processing
Tail
Cap mRNA in nucleus
Transport to cytoplasm
CYTOPLASM

6. Figure 18.6b
CYTOPLASM
mRNA in cytoplasm
Degradation Translation
of mRNA
Polypeptide
Protein processing, such
as cleavage and
chemical modification
Active protein
Degradation
of protein
Transport to cellular
destination
Cellular function (such
as enzymatic activity,
structural support)

7. Regulación de la estructura de la cromatina
• Los genes con alto grado de compactación en la
heterocromatina, usualmente no se expresan.
• Las modificaciones químicas de las histonas y de
la cromatina tienen gran influencia en la estructura
y expresión génica.
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8. Modificaciones de las histonas
• En la acetilación de las histonas, los grupos
acetilo se unen a las lisinas cargadas
positivamente en las colas de las histonas.
• Esto relaja la estructura de la cromatina,
promoviendo así la iniciación de la transcripción.
• La adición de grupos metilo (metilación) puede
condensar la cromatina, la adición de grupos
fosfato (fosforilación) próximos a un aminoácido
metilado puede aflojar la cromatina
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9. Figure 18.7
Histone
tails
DNA
Amino acids double
available helix
for chemical
modification
Nucleosome
(end view)
(a) Histone tails protrude outward from a nucleosome
Unacetylated histones Acetylated histones
(b) Acetylation of histone tails promotes loose chromatin
structure that permits transcription

10. • La hipótesis “código de histonas” propone que las
combinaciones específicas de las modificaciones,
así como el orden en que se producen, ayudan a
determinar la configuración de la cromatina y e
incfluencían la transcripción
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11. Metilación del DNA
• Metilación del DNA, la adición de grupos metilo a
ciertas bases en el DNA, está asociada con la
reducción de la transcripción en algunas especies.
• La metilación del DNA puede provocar a largo
plazo la inactivación de genes en la diferenciación
celular.
• En la impronta genómica, la metilación regula la
expresión de cualquiera de los alelos maternos y
paternos de ciertos genes en el inicio del
desarrollo.
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12. Herencia epigenética
• Aunque las modificaciones de la cromatina no
alteran la secuencia de ADN, estas modificaciones
pueden ser transmitidas a futuras generaciones de
células.
• La herencia de rasgos transmitidos por mecanismos
que no están directamente relacionados con la
secuencia de nucleótidos se denomina herencia
epigenética
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13. Regulación de la iniciación de la
trancripción
• Las enzimas modificadoras de la cromatina
proporcionan un control inicial de la expresión
génica haciendo una región de DNA más o menos
accesible a la maquinaria de la transcripción
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14. Organización de un típico gen eucarionte
• Asociados con la mayoría de los genes
eucariontes existen múltiples elementos de
control, segmentos de DNA no codificantes que
sirven como sitios de unión para factores de
transcripción ayudan a regular la transcripción.
• Los elementos de control y los factores de
transcripción, son críticos para la regulación
precisa de la expresión de genes en diferentes
tipos celulares
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15. Figure 18.8-3
Enhancer Proximal Poly-A
(distal control control Transcription signal Transcription
elements) elements start site sequence termination
region
DNA Exon Intron Exon Intron Exon
Upstream Downstream
Promoter Transcription Poly-A
signal
Primary RNA Exon Intron Exon Intron Exon Cleaved
transcript 5ʹ′ 3ʹ′ end of
(pre-mRNA) primary
RNA processing
transcript
Intron RNA
Coding segment
mRNA G P P P AAA ⋅⋅⋅ AAA 3ʹ′
Start Stop
5ʹ′ Cap 5ʹ′ UTR codon codon 3ʹ′ UTR Poly-A
tail
UTR untranslated region

16. El papel de los Factores de Transcripción
• Para iniciar la transcripción, la RNA polimerasa
eucarionte requiere de la ayuda de las proteínas
denominadas factores de transcripción
• Los factores de transcripción son esenciales para
la transcripción de todos los genes que codifican
proteínas
• En eucariontes, los altos niveles de transcripción
de ciertos genes dependen de la interacción de
los elementos de control con factores de
transcripción específicos
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17. Enhancers Factores de Transcripción
específicos
• Los elementos proximales de control están
situados cerca del promotor
• Los elementos distales de control, algunas
agrupaciones de los cuales son llamados
potenciadores (enhancers), pueden estar muy
lejos de un gen o incluso localizados en un intrón.
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18. • Un activador es una proteína que se une a un
potenciador y estimula la transcripción de un gen.
• Los activadores tienen dos dominios, uno que se
une al DNA y un segundo que activa la
transcripción
• La unión de los activadores facilita una secuencia
de interacciones proteína-proteína que dan como
resultado la transcripción de un gen dado
Animation: Initiation of Transcription
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19. Figure 18.9
Activation
domain
DNA-binding
domain
DNA

20. • Algunos factores de transcripción funcionan como
represores, inhibiendo la expresión de un gen
particular mediante una variedad de métodos.
• Algunos activadores y represores actúan
indirectamente al influir en la estructura de la
cromatina para promover o silenciar la
transcripción
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21. Figure 18.10-3
Activators Promoter
Gene
DNA
Distal control
Enhancer element TATA box
General
transcription
factors
DNA-
bending
protein
Group of mediator proteins
RNA
polymerase II
RNA
polymerase II
Transcription
initiation complex RNA synthesis

22. Control combinatorial de la activación génica
• Una combinación particular de elementos de
control puede activar la transcripción sólo cuando
las proteínas activadoras apropiadas están
presentes.

23. Figure 18.11 Enhancer Promoter
Control
elements Albumin gene
Crystallin
gene
LIVER CELL LENS CELL
NUCLEUS NUCLEUS
Available Available
activators activators
Albumin gene
not expressed
Albumin gene
expressed
Crystallin gene
not expressed
Crystallin gene
expressed
(a) Liver cell (b) Lens cell

24. Figure 18.11a
Enhancer Promoter
Control LIVER CELL
elements Albumin gene NUCLEUS
Available
Crystallin activators
gene
Albumin gene
expressed
Crystallin gene
not expressed
(a) Liver cell

25. Figure 18.11b
Enhancer Promoter
Control LENS CELL
elements Albumin gene NUCLEUS
Available
Crystallin activators
gene
Albumin gene
not expressed
Crystallin gene
expressed
(b) Lens cell

26. Control coordinado de los genes en
eucariontes
• A diferencia de los genes del operón en
procariontes, cada uno de los genes co-
expresados en ecurationtes tienen un promotor y
elementos de control.
• Estos genes pueden estar dispersos en
cromosomas diferentes, pero cada uno tiene la
misma combinación de elementos de control
• Las copias de los activadores reconocen
elementos de control específicos y promovueven
la transcripción simultánea de los genes
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27. Arquitectura nuclear y expresión génica
• Los bucles de cromatina se extienden desde los
cromosomas individuales hacia sitios específicos
en el núcleo
• Los bucles de diferentes cromosomas pueden
congregarse en sitios particulares, algunos de los
cuales son ricos en factores de transcripción y
RNA polimerasas
• Éstas, pueden ser áreas especializadas para una
función común
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28. Figure 18.12
Chromosomes in the
interphase nucleus Chromosome
territory
10 µm
Chromatin Transcription
loop factory

29. Figure 18.12a
Chromosomes in the
interphase nucleus
10 µm

30. Mecanismos de regulación
Post-Transcripcional
• Los mecanismos de regulación pueden operar en
varias etapas después de la transcripción.
• Tales mecanismos permiten a la célula ajustar
rápidamente la expresión génica en respuesta a
cambios ambientales.
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31. Procesamiento del RNA
• En el splicing alternativo del RNA las
alternativas de empalme del RNA, llevan a que
diferentes moléculas de RNAm se puedan
producir a partir del mismo transcrito primario,
dependiendo de qué segmentos de ARN son
tratados como exones y cuáles como intrones
Animation: RNA Processing
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32. Figure 18.13
Exons
DNA 1 2 3 4 5
Troponin T gene
Primary
RNA 1 2 3 4 5
transcript
RNA splicing
mRNA 1 2 3 5 or 1 2 4 5

33. Degradación del mRNA
• El lapso de vida de las moléculas de RNAm en el
citoplasma son un factor clave para determinar la
síntesis de proteínas
• El mRNA de los eucariontes tiene mayor duración
que el de los procariontes.
• Las secuencias de nucleótidos que influyen en la
vida útil del ARNm en eucariotas residen en la
región no traducida (UTR untranslated region) en
el extremo 3 ʹ′ de la molécula
Animation: mRNA Degradation
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34. Iniciación de la Traducción
• La iniciación de la traducción de los mRNAs
puede ser bloqueada por proteínas reguladoras
que se unen a secuencias o estructuras del
mRNA.
• Alternativamente, la traducción de todos los
mRNAs en una célula puede ser regulada
simultáneamente.
Animation: Blocking Translation
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35. Iniciación de la Traducción
• Por ejemplo, los factores de
iniciación de la traducción
se activan simultáneamente
en un óvulo después de la a
fertilización
Animation: Blocking Translation
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36. Procesamiento y degradación de las
proteínas
• Después de la traducción, diversos tipos de
procesamiento de proteínas, incluyendo la
escisión y la adición de grupos químicos, están
sujetos a control.
• Los proteasomas son complejos gigantes de
proteínas que se unen a moléculas de proteína y
las degradan.
Animation: Protein Degradation
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37. Figure 18.14
Proteasome
Ubiquitin and ubiquitin
to be recycled
Proteasome
Protein to Ubiquitinated Protein
be degraded protein fragments
Protein entering (peptides)
a proteasome
La ubiquitina es una pequeña proteína reguladora que ha sido
encontrada en la mayoría de los tejidos de los organismos
eucariotas. Una de sus muchas funciones es dirigir el reciclaje de
proteínas (wikipedia 2013).

38. Los RNAs no codificantes desempeñan
múltiples funciones en el control de la
expresión de los genes
• Sólo una pequeña fracción de DNA codifica para las
proteínas, y una fracción muy pequeña del DNA no
codificante para proteínas, se compone de genes de
RNA para RNAr y RNAt
• Una cantidad significativa del genoma puede ser
transcrito en RNAs no codificantes
• Los RNAs no codificantes regulan la expresión génica
en dos puntos: la traducción del RNAm y la
configuración de la cromatina
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39. Effects on mRNAs by MicroRNAs and
Small Interfering RNAs
• MicroRNAs (miRNAs) son pequeñas moléculas
de cadena sencilla de RNA que pueden unirse a
mRNA.
• Éstos pueden degradar el RNAm o bloquear su
traducción
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40. Figure 18.15
Hairpin
miRNA Hydrogen
bond
Dicer
5ʹ′ 3ʹ′
(a) Primary miRNA transcript miRNA miRNA-
protein
complex
Hairpin=Horquillas son un
tipo común de estructura
secundaria en moléculas
de ARN.
http://www.nature.com/scitable/definition/hairpin-
loop-mrna-314
mRNA degraded Translation blocked
(b) Generation and function of miRNAs

41. • El fenómeno de la inhibición de la expresión
génica mediante moléculas de RNA se denomina
interferencia del RNA (RNA interference, RNAi)
• El siRNAs y el miRNAs son similares pero se
forman a partir de diferentes precursores de RNA
El nombre siRNA son las siglas en inglés de small interfering RNA, en español
ARN pequeño de interferencia o ARN de silenciamiento. Es un tipo de ARN
interferente con una longitud de 20 a 25 nucleótidos que es altamente específico
para la secuencia de nucleótidos de su ARN mensajero diana, interfiriendo por
ello con la expresión del gen respectivo (wiki, 2013).
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