DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR

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BIOLOGÍA MOLECULAR

Licenciatura en Quimica

Especialidad: Química Médica

 

Tema 11. Regulación de la expresión en bacterias: el operón.

 

1. Concepto de Operón

• Conjunto de genes controlados por un único promotor

• La función de los genes suele estar relacionada

• Se transcribe como un único mensajero

• RNA policistrónico

• Traducción independiente de cada uno de los cistrones
  
  

• No todas las rutas bioquímicas están activadas simultáneamente: Adaptación al entorno nutricional

• Ejemplo: Rutas de degradación de Hidratos de Carbono. Inducción por nutriente

• Ejemplo: Rutas de biosíntesis de aminoácidos. Represión por nutriente
  
  
  

3. Genes reguladores.

• Pueden ejercer un control negativo (represores) o positivo (activadores)

• Represores.
  

  • Mecanismo: su unión al DNA impide la actuación de la RNA polimerasa

  • Sitios de unión al DNA: Operadores

  • Regulación de la actividad del represor: Efectores

    • Inductores

    • Correpresores
      
      

• Activadores

  • Mecanismo: su unión al DNA mejora la actividad de la RNA polimerasa

  • Sitios de unión al DNA: Sitio de activación

  • Regulación de la actividad del activador: Efectores
    

• Activa promotores de varios operones en ausencia de glucosa

• Los promotores no tienen gran actividad intrínseca debido a alteraciones en las secuencias -10 y -35.

• La actividad inductora de CAP depende de su asociación a AMPc

• Estructura de CAP
  

• Dímero de dos subunidades de 22.5 kDa

• Monómero: dominio de unión al DNA + región activadora de la transcripción

• Sitio de Unión al DNA. (visualización tridimensional. necesario Cn3d 4.1)

  • Repeticiones invertidas del motivo TGTGA

  • Localización del sitio de unión en varios promotores

• Mecanismo molecular de activación de la expresión

  • Interacción con RNA polimerasa.

• Evidencia: Deleciones en la subunidad a de la polimerasa impiden la activación por CAP

• Curvatura del DNA.

• Evidencia: La inducción de una curvatura de 70º en el DNA en ausencia de CAP activa 10 veces la eficiencia del promotor

• Significado fisiológico

• El operon Lac contiene información para expresar genes que permiten la utilización de lactosa como fuente de carbono

• Estas enzimas sólo son útiles cuando la bacteria dispone de lactosa

• Ruta metabólica de utilización de la lactosa

• Proteínas cuya expresión se induce en presencia de lactosa

• Las enzimas necesarias se encuentran bajo la regulación de un único promotor

• La regulación depende de una proteína represora: Represor Lac (animación)
  

  • Codificado por el gen Lac I:

    • Unidad de transcripción independiente (regulada por su propio promotor)

    • El gen está localizado junto al operón lac en el genoma (no es necesario que sea así)

    • Expresión constitutiva (no regulada) del gen

  • Producto del gen Lac I: represor Lac

    • Producto difusible por el interior de la bacteria

    • Estructura: Tetrámero de subunidades idénticas

    • 38 kDa cada subunidad

    • Cantidad: 10 tetrámeros por célula
      

  • Funcionamiento del represor

    • La unión del represor Lac al operador impide que la RNA polimerasa inicie la transcripción del operon

    • El sitio de unión se sitúa justo en la zona de inicio de la transcripción.
      

  • Activación por el inductor:

    • La unión de la lactosa o análogos estructurales al represor modifica su estructura y disminuye su afinidad por el operador.

      
      

• Bases moleculares de la unión del represor al operador.

  • Estructura de los monómeros: 3 dominios

    • Cabecera: estructura

    • Núcleo

    • dominio de oligomerización

  • Estructura del operador:

    • Localización: -5 a +21

    • 2 repeticiones invertidas

    • Las repeticiones no son perfectas

    • El estudio de mutaciones revela que la parte izquierda posee mas afinidad por el represor

  • Unión represor-operador

    • La unión al DNA se realiza con la “cabecera” mediante el motivo hélice-vuelta-hélice

    • Ejemplo interacción motivo hélice-vuelta-hélice con el DNA (pagina web Autor: Angel Herráez; Estructura en PDF)

    • La cabecera puede unirse al operador en ausencia del resto de la molécula, pero su afinidad es varios órdenes de magnitud inferior

    • Causa: La existencia de dos regiones de unión en el operador permite la unión simultánea de 2 cabeceras del tetrámero

    • La afinidad de la unión viene determinada por el mayor o menor grado de conservación de la secuencia del operador respecto de la secuencia consenso de unión

  • Unión del inductor al represor

    • Produce un cambio conformacional en el tetrámero que impide la unión simultánea de dos monómeros al operador

  • ¿Porqué un tetrámero? (visualización tridimensional. necesario Cn3d 4.1)

    • Existen otros dos sitios de unión más débiles en posiciones -410 y +83

    • Posible formación de un loop en el DNA

    • Efectos de la eliminación de las secuencias en -410 y en +83