El documento describe varios mecanismos de regulación genética en bacterias, incluyendo regulación por subunidades sigma alternativas, regulación del inicio de transcripción por proteínas reguladoras, regulación por atenuación de la transcripción, y sistemas de regulación de dos componentes. También discute conceptos como mutaciones, tipos de variaciones bacterianas, y clasificación de operones bacterianos según su expresión.

1. Carlos Salameh Borrero
Regulación de la expresión génica
Introducción
Mecanismos de regulación genética
Regulación por subunidades sigma alternativas
Regulación del inicio de transcripción por proteínas reguladoras
Regulación por atenuación de la transcripción
Sistemas de regulación de dos componentes
Introducción
Las variaciones bacterianas son cambios moleculares y eventualmente fenotípicos que se
producen en las bacterias por causas genéticas.
Se pueden distinguir dos grandes grupos de variaciones que pueden experimentar las
bacterias:
Variaciones por adaptación al medio: son cambios moleculares y fenotípicos que ocurren
sin modificación del material hereditario (sin variación del genotipo), debidos a diversos
mecanismos de regulación de la expresión de los genes.
Variaciones genotípicas: Se deben a alteraciones en el genotipo y son siempre hereditarias.
Mutaciones: Son cambios bruscos en el genotipo que se transmiten a las generaciones
siguientes
Tansferencia de material genético entre bacterias: Son variaciones hereditarias debidas a
intercambio de material genético entre una bacteria donadora y otra receptora. Los
fenómenos de Transformación, Conjugación y Transducción son responsables de esta
transferencia.
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MICROBIOLOGÍA

2. Carlos Salameh Borrero
Mecanismos de regulación genética
Desde el punto de vista de la regulación genética, los operones bacterianos se pueden
clasificar como:
Operones de expresión constitutiva: aquellos que se transcriben permanentemente,
independientemente de las condiciones ambientales). Por ejemplo, operones para las
ADN- y ARN-polimerasas, operones para las proteínas de las cadenas transportadoras
de electrones, operones para las proteínas ribosómicas, etc.
Operones cuya expresión está regulada en función de las condiciones ambientales.
Dentro de esta categoría, se distinguen a su vez, operones de expresión inducible y
operones de expresión reprimible. En general, la Inducción permite el ajuste rápido para
la utilización (catabolismo) de ciertos sustratos disponibles, mientras que la Represión
permite el ajuste de la síntesis (anabolismo) de una sustancia que interviene como
intermediario metabólico.
• Nivel transcripcional y sobre el ARNm
A nivel del inicio de la transcripción.
Sustitución del factor s de la ARN-polimerasa
Por interacción de proteínas regulatorias sobre secuencias de ADN cercanas al
promotor (por control positivo o negativo):
Fenómenos de inducción génica
Fenómenos de represión génica
Terminación prematura de la transcripción: fenómenos de atenuación de la
transcripción.
Procesamiento de ARN (casos muy raros en procariotas)
• Nivel traduccional
Regulación de la síntesis de las proteínas ribosómicas
Regulación por ARN antisentido, que interfiere con la traducción del ARNm
• Nivel post-traduccional (No son puramente mecanismos de regulación genética)
Degradación de proteínas y modificación covalente de proteínas (p. ej., fosforilación)
Regulación alostérica por retroalimentación (feed-back) de la actividad de las
proteínas enzimáticas.
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• Sistemas globales de regulación
Cuando varios operones están regulados coordinadamente por un mismo tipo de
estímulos, constituyen una red de regulación que se suele denominar con el nombre de
regulón (p. ej., el regulón de los operones spo de la esporulación en las especies del género
Bacillus).
Casi todos los productos de genes bacterianos están regulados en al menos uno de estos
niveles, y a menudo lo están en varios niveles al mismo tiempo.
Regulación por subunidades ø alternativas:
Se trata de una estrategia muy directa y sencilla, en la que la subunidad ø estándar de la
célula vegetativa normal se ve desplazada y sustituida por otro tipo de ø diferentes
(codificado por un gen distinto). La holoenzima de la ARN polimerasa con la nueva s
reconoce ahora e inicia la transcripción a partir de un tipo distinto de promotor. Esto hace
que se transcriban operones que hasta entonces permanecían “silenciosos” (sin expresión).
La ARN polimerasa bacteriana reconoce un típico factor s para la transcripción de la
mayoría de los operones, sin embargo, la expresión de determinados operones puede
regularse, dependiendo de las condiciones ambientales, simplemente cambiando el factor
ø.
Uno de los casos mejor estudiados se da en las especies del género Bacillus, en el proceso
de esporulación:
Durante el crecimiento vegetativo, B. subtilis posee una holoenzima típica å2 ßß’+ø43 (=øA),
que reconoce los promotores “estándar” de los operones vegetativos. Al iniciarse la
esporulación, se sintetiza en la pre-espora un nuevo s, llamada øF, que desplaza
parcialmente a øA (vegetativo). Ahora, la holoenzima reconoce los promotores de algunos
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operones spo (que estaban inactivos durante el crecimiento vegetativo), que codifican
funciones requeridas durante las primeras fases de la esporulación. Uno de los genes que
ahora se expresa corresponde a otra subunidad ø (øG) distinto de los dos citadas, y que
permite a la polimerasa transcribir en la pre-espora una nueva oleada de operones spo,
más tardíos. En una fase más avanzada de la esporulación, se expresan en la célula madre
otros genes spo debido a la activación de un nuevo ø (øK). Cada nueva holoenzima
reconoce un tipo distinto y característico de promotor (con secuencias de nucleótidos
peculiares), que no puede ser reconocido por las otras versiones de la ARN polimerasa
dotadas de subunidades ø.
Regulación del inicio de transcripción por proteínas reguladoras:
Los sistemas de represión enzimática e inducción enzimática (control negativo), y el sistema
de represión catabólica (control positivo), son ejemplos típicos de este mecanismo de
regulación (ver lección 10).
Regulación por atenuación de la transcripción:
La atenuación es un mecanismo de control que se da en ciertos operones de rutas
biosintéticas (sobre todo de aminoácidos), por el cual una onda de transcripción recién
iniciada puede terminar prematuramente en una zona denominada atenuador, antes de
alcanzar al primer gen estructural de ese operón. A nivel de ADN, el atenuador está situado
entre el promotor y el inicio del primer gen estructural, dentro de la porción que a nivel de
ARN representa la secuencia líder. A diferencia de los mecanismos de regulación anteriores,
la atenuación no depende de proteínas reguladoras.
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La atenuación se produce por un control ejercido por la traducción, que a su vez responde
al nivel intracelular del ARNt cargado con el aminoácido de la ruta biosintética en cuestión:
• Si existe suficiente nivel de Trp-ARNt, habrá atenuación de la transcripción
• Si no hay suficiente Trp-ARNt, no habrá atenuación, y por lo tanto la transcripción
continuará hasta el final.
La presencia o ausencia del Trp-ARNt concreto determina si el ribosoma puede traducir, o
no, una zona temprana del ARNm (dentro de la porción del líder): si el ribosoma puede
traducir esa zona (porque hay suficiente Trp-ARNt), el avance del ribosoma detrás de la
ARN polimerasa impide ciertos emparejamientos intracatenarios dentro del ARNm naciente,
pero permite otros emparejamientos alternativos de modo que se forma una estructura
secundaria de tipo terminador simple (independiente de ). Por lo tanto la ARN-polimerasa
se atranca en esta horquilla y finalmente se separa, deteniéndose así la transcripción antes
de que la onda de transcripción haya alcanzado al primer gen estructural.
En la secuencia líder, que tiene 162 bases, hay una corta fracción que puede traducirse
(ORF). Se pueden distinguir 4 regiones con capacidad para formar una estructura
secundaria típica, con horquillas entre 1:2, 2:3 y 3:4. En la región 1 hay 2 codones seguidos
que codifican para Trp. La horquilla
3:4 tiene el mismo efecto que la
proteína (terminadora de la
transcripción).
La traducción comienza de forma
consecutiva a la transcripción, de
manera que se pueden dar las
circunstancias que se visualizan en el
esquema que se presenta a
continuación:
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Sistemas de regulación de dos componentes:
Los sistemas de regulación anteriores se ponen en marcha cuando un estímulo ambiental
químico, normalmente una pequeña molécula relacionada con el metabolismo (efector),
entra en la célula e interacciona con una proteína reguladora, que a su vez se une (o deja de
unirse) con una secuencia de ADN al comienzo del operón. Pero hace relativamente pocos
años se descubrió que las bacterias poseen también numerosos sistemas en los que la
señal ambiental no entra a la célula, sino que es detectada por un “sensor” a nivel de
membrana, el cual “reemite” (transduce) el estímulo hacia una proteína citoplásmica, la cual
a su vez interacciona con secuencias determinadas al comienzo del operón, para regularlo,
generando así la respuesta adaptativa correspondiente a la señal ambiental. Como en la
mayor parte de los casos el sistema funciona con dos proteínas (la sensora y la reguladora),
a este tipo de sistemas se los conoce con el nombre de sistemas de regulación de dos
componentes. Los distintos sensores, a pesar de que cada uno detecta un estímulo
diferente, se parecen entre sí en al menos parte de su secuencia, y lo mismo ocurre con los
reguladores de respuesta, por lo que se habla de dos familias de proteínas (cada una con
un probable origen evolutivo común):
1.Familia de histidín-proteín-quinasas (HPK): Este tipo de proteínas son las sensoras
de algún tipo de estímulo ambiental. Muchas de ellas son autofosforilables, pero su función
esencial es la de fosforilar al correspondiente segundo miembro de la pareja (el regulador).
Los distintos sensores suelen tener en común su porción carboxiterminal, denominada
dominio transmisor (que incluye la histidina fosforilable). Los sensores suelen ser proteínas
integrales de membrana citoplásmica. Cada sensor tiene un dominio aminoterminal
característico, inmerso en el espacio periplásmico, y de este modo “detectan” algún
estímulo procedente del ambiente. Al hacerlo, parece que cambian de conformación, de
modo que el dominio transmisor intracitoplásmico se autofosforila y luego fosforila al
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correspondiente regulador de respuesta.
2.Familia de reguladores de respuesta (RR): cada regulador de respuesta, tras ser
fosforilado en cierto aspártico por su correspondiente HPK, ejerce algún efecto regulatorio.
Normalmente, los RR fosforilados actúan como activadores de la transcripción de ciertos
operones. Los distintos reguladores comparten un mismo tipo de dominio aminoterminal,
denominado dominio receptor, que incluye el aspártico que recibe el fosfato del sensor
correspondiente.
Los sistemas de dos componentes son muy abundantes en bacterias. Por ejemplo, en E.
coli se han descubierto unos 50, entre los cuales se pueden citar:
• Sistema Ntr de utilización de fuentes de nitrógeno, que responde ante los niveles de
amonio, y que permite el uso de fuentes alternativas de nitrógeno.
• Sistema de respuesta ante osmolaridad: el aumento de presión osmótica es detectado
por la HPK sensora llamada EnvZ, que fosforila al regulador OmpR. A su vez, este
regulador controla las proporciones relativas de dos porinas, OmpC y OmpF, haciendo
que predomine la porina de poro más pequeño (OmpC).
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Mutación
Introducción
Mutaciones
Mutaciones puntuales
Mutaciones por cambio de secuencia
Delecciones
Inversiones y translocaciones
Mutaciones polares
Agentes mutagénicos
Reversibilidad de las mutaciones
Efecto de la mutación sobre el genotipo
Introducción
Genotipo: Información genética contenida en el cromosoma y los plásmidos.
Fenotipo: Conjunto de caracteres observables en un individuo.
Tipos de Variaciones
Modificaciones en la expresión del genotipo o Modificaciones de la Actividad Enzimática:
Dependen de determinadas presiones ambientales y no son hereditarias. Son
variaciones por adaptación al medio
Modificaciones del genotipo: Se heredan de generación en generación
• Mutaciones
• Variaciones ligadas a transferencia de material genético
Transformación (y Transfección)
Conjugación (y Sexducción)
Transducción (Generalizada y Especializada).
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Mutaciones
Desde un punto de vista fenotípico, una mutación es la aparición brusca y espontánea en
un individuo, de una variación que se transmite hereditariamente a la descendencia.
Desde el punto de vista genético y atendiendo al concepto de gen, una mutación es
cualquier alteración en la secuencia de bases de un segmento de ADN relacionado con la
transcripción.
Por término medio, un gen consta de unos 1000 pb (pares de bases), lo que significa que
un gen puede existir en una multitud de formas diferentes como consecuencia de cambios
en la secuencia de nucleótidos.
Alelos: Son las diferentes formas en que puede encontrarse la secuencia de bases de
un gen.
Alelo Silvestre: Es la forma en que se encuentra la secuencia de bases del gen en el
organismo aislado de un hábitat natural.
Alelo Mutante: Es cualquier variación con respecto al alelo silvestre, que se produce en
la secuencia de bases del gen.
Tipos de Mutaciones
• Mutaciones Puntuales.
• Mutaciones por cambio de secuencia (Frame-Shift).
• Delecciones.
• Inversiones y Translocaciones.
• Mutaciones Polares.
Mutaciones puntuales:
Una mutación puntual en un determinado gen tiene como consecuencia la alteración de un
triplete o codón en el ARNm transcrito.
El código genético es altamente degenerado. De los 20 aminoácidos proteinogénicos, solo
2 (Met y Trp) son codificados por un único triplete. 9 son codificados por 2 tripletes, 1 es
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codificado por 3 tripletes, 5 son codificados por 4 tripletes y 3 son codificados por 6
tripletes.
Este hecho origina una serie de consecuencias que pueden producirse como resultado de
Mutaciones Puntuales:
• Una mutación en cualquiera de las bases de un codón, podría no tener consecuencia
alguna, ya que podría seguir incorporándose el mismo aminoácido en el péptido. Esta
mutación sería una Mutación Silenciosa.
• Puede ser que la mutación puntual origine la incorporación de un aminoácido diferente.
Si el nuevo aminoácido no altera la estructura tridimensional de la proteína, la mutación
también sería Silenciosa.
• Si el nuevo aminoácido altera el centro activo de una enzima, por ejemplo, la mutación
originaría una inactivación total o parcial de la enzima.
• Si el nuevo aminoácido altera la estabilidad estructural de la proteína, haciéndola
sensible a agentes ambientales (T oC, pH, etc.), se trataría de Mutaciones
Condicionales.
• Si el cambio de base da lugar a un triplete sin sentido (UAG, UAA, UGA), se produce la
terminación y liberación prematura de la cadena peptídica: Mutación Terminadora.
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Mutaciones por cambio de secuencia:
Son originadas por la pérdida o inserción de un nucleótido (o pequeño número de
nucleótidos) dentro de un gen.
Dado que el ARNm se lee por grupos de 3 bases (tripletes o codones), el cambio de
secuencia solo se produce si se pierde o inserta un número de nucleótidos diferentes a 3 o
múltiplo de 3.
La pérdida o ganancia de nucleótidos trae consigo un cambio total en el sentido del
mensaje a partir del primer nucleótido perdido o ganado, con la consiguiente síntesis de
una proteína inactiva, o la terminación prematura, si aparece un triplete sin sentido.
Delecciones:
Son originadas por la pérdida de cientos o miles de nucleótidos.
Determinan una alteración total de la proteína resultante.
Si afectan a dos genes contiguos, se originan las denominadas Mutaciones Pleiotrópicas,
que dan lugar a más de un cambio fenotípico. Por ejemplo, al obtener mutantes de
Escherichia coli resistentes al fago T1, se obtienen mutantes que también requieren
triptófano.
Se producen como consecuencia de la formación y escisión de bucles intracatenarios en
zonas de homología entre las dos cadenas.
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Inversiones y Translocaciones:
La Inversión es un cambio en la orientación de un segmento de ADN, mientras que la
Translocación es el movimiento de un segmento de ADN a otro sitio del genoma.
Son bastante frecuentes y están originadas por la transposición intracatenaria de
Secuencias de Inserción y Transposones.
Las Secuencias de Inserción (IS) y los Transposones (Tn) son elementos genéticos móviles
que tienen la capacidad de transponerse a diferentes sitios del genoma bacteriano.
Mutaciones polares:
Las mutaciones polares son consecuencia de la inserción de un Transposón dentro de un
gen.
Se denominan polares porque impiden la transcripción no solo del gen donde se inserta el
transposón, sino de todos aquellos que están situados después del punto de inserción.
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Agentes mutagénicos
Es un agente físico, químico o biológico que altera o cambia la información genética
(usualmente ADN) de un organismo y ello incrementa la frecuencia de mutaciones por
encima del nivel natural.
Agentes Físicos
Temperatura
Radiaciones
Ultravioleta
Ionizantes
Agentes Químicos
Análogos de Bases (1)
5-BromoUracilo
2-AminoPurina
Agentes Intercalantes (1)
Derivados de la Acridina
Bromuro de Etidio
Agentes Alquilantes (2)
Mostazas Nitrogenadas
Metano-Sulfonato de Etilo o Metilo
Nitrosoguanidina
Agentes que alteran o eliminan bases (2)
Acido Nitroso
Hidroxilamina
(1) Se asocian o se incorporan al ADN (2) Reaccionan con el ADN
Reversibilidad de las mutaciones
Una propiedad de las mutaciones es que los cambios fenotípicos que producen se
transmiten hereditariamente a la descendencia, es decir, son permanentes.
Sin embargo, esto no quiere decir que los cambios en el fenotipo sean irreversibles, ya que
una nueva mutación podría restaurar el fenotipo primitivo mediante dos clases de procesos
diferentes:
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Reversión: Una segunda mutación restaura el genotipo inicial.
Supresión Génica: Una segunda mutación suprime los efectos de la primera pero no
restaura el genotipo inicial.
La Supresión Génica puede ser Directa, cuando la segunda mutación corrige el
producto del gen mutado, el cual recobra su actividad.
- Si la mutación supresora tiene lugar en el mismo gen que la original, se trata de
una Supresión Génica Directa Intragénica.
- Cuando la mutación supresora ocurre en otro gen diferente al que sufrió la
mutación original, se denomina Supresión Génica Directa Intergénica.
La Supresión Génica puede ser también Indirecta, cuando las consecuencias de la
primera mutación son anuladas sin que exista una corrección del producto del gen
mutado.
Efecto de la mutación sobre el fenotipo
Desde el punto de vista genético, el número de mutaciones que se puede producir en un
genoma bacteriano, es prácticamente ilimitado. Muchas de estas mutaciones son
Silenciosas, mientras que el resto origina alteraciones del fenotipo más o menos profundas
Mutaciones Letales: Producen alteraciones en procesos indispensables para la vida de
las bacterias. Se producen, por tanto en genes cuyos productos primarios son
imprescindibles para la vida de la célula en todas las condiciones de crecimiento
Mutaciones No Letales: Afectan a caracteres no indispensables para la célula:
• Caracteres morfológicos celulares.
• Caracteres morfológicos coloniales.
• Requerimientos nutricionales.
• Resistencia a drogas y fagos.
Mutaciones Letales Condicionadas: Son mutaciones letales que se expresan solamente
bajo determinadas condiciones ambientales. Las condiciones en las que se expresa la
mutación se denominan “No Permisivas”, ya que no permiten el desarrollo de la célula.
Un claro ejemplo de este tipo de Mutación Letal Condicionada es el de los Mutantes
Termosensibles, que portan una modificación en una proteína que es activa por debajo
de una determinada temperatura y se inactiva por encima de ese valor.
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