Biología (08) · Unidad 7 — La expresión de la información genética
La regulación génica en eucariontes
Todas las células de un organismo tienen el mismo genoma; lo que las diferencia es qué genes expresan. Un eucarionte puede controlar la expresión en varios niveles: abriendo o cerrando la cromatina, con factores de transcripción que encienden genes, eligiendo cómo procesar el ARN, cuánto dura el mensajero, cuánto se traduce y qué le pasa a la proteína. Las bacterias usan sobre todo operones.
La explicación
El problema: el mismo libro, recetas distintas
Una neurona y una célula del hígado vienen del mismo cigoto y tienen el mismo ADN. Sin embargo, una fabrica neurotransmisores y la otra albúmina. No es que les falten genes: cada una expresa un subconjunto distinto. Expresar un gen es usarlo: transcribirlo y, si es un gen de proteína, traducirlo.
Algunos genes se expresan en todas las células porque hacen falta para vivir (los de las enzimas de la glucólisis, los de las proteínas de los ribosomas): se llaman genes constitutivos o de mantenimiento. Los demás se encienden sólo en ciertos tipos celulares o en ciertos momentos, y eso es lo que hace distinta a cada célula.
Los niveles de control
Entre el gen y la proteína que funciona hay muchos pasos, y en cada uno la célula puede subir o bajar el volumen:
2. La transcripción: si la ARN polimerasa se engancha y cuántas veces copia el gen. Es el control más importante.
3. El procesamiento del ARN: qué exones quedan (empalme alternativo, tema 7.3).
4. El transporte: si el ARNm maduro sale del núcleo.
5. La estabilidad del ARNm: cuánto dura en el citoplasma antes de degradarse.
6. La traducción: cuántas veces se lee ese mensajero.
7. Después de la traducción: si la proteína se modifica, se activa, se corta o se destruye.
La cromatina: abierta o cerrada
El ADN de un eucarionte está enrollado sobre histonas, proteínas básicas (cargadas positivamente, ricas en lisina y arginina) que se pegan al ADN, que es ácido. Cada vuelta de ADN sobre un grupo de ocho histonas forma un nucleosoma (tema 6.5). Además hay proteínas no histónicas: enzimas, proteínas de andamiaje y los factores de transcripción.
Eucromatina: más laxa. Ahí están los genes que se pueden transcribir.
Dos marcas químicas mueven la cromatina de un estado al otro:
Metilar el ADN (en citosinas, sobre todo en los pares CG cerca de los promotores) tiende a cerrar la cromatina y a silenciar el gen. La metilación del ADN se copia cuando la célula se divide (la hebra nueva se metila en los mismos lugares que la vieja), y el estado de la cromatina tiende a rearmarse igual en las hijas: por eso una célula de hígado da células de hígado.
La transcripción: interruptores y perillas
La ARN polimerasa II, sola, no reconoce a qué gen ir. Necesita los factores de transcripción generales en el promotor, y además factores específicos que se pegan a secuencias reguladoras, a veces lejos del gen:
Silenciadores: donde se pegan represores, que la bajan.
Combinaciones: cada gen tiene varias secuencias reguladoras, y lo que cuenta es la combinación de factores que tiene cada célula. Una célula de hígado tiene los activadores del gen de la albúmina; una neurona, no.
Muchas señales externas actúan así. Una hormona esteroide, como el cortisol, entra a la célula, se une a un receptor del citoplasma, y el complejo entra al núcleo y funciona como factor de transcripción.
ADN repetitivo
Buena parte del genoma eucarionte son secuencias repetidas. Las altamente repetitivas (tramos cortos repetidos miles de veces, como el ADN satélite) están en los centrómeros y los telómeros y casi no se transcriben. Las moderadamente repetitivas incluyen genes que se necesitan en muchas copias, como los del ARN ribosomal y los de las histonas, y elementos que pueden moverse por el genoma (transposones). La mayoría de los genes de proteínas, en cambio, están en una sola copia.
En las bacterias: el operón
Las procariotas regulan sobre todo la transcripción, con operones: varios genes de una misma tarea, uno detrás del otro, bajo un mismo promotor y un mismo interruptor, el operador. En el operón lactosa de E. coli, si no hay lactosa, un represor se pega al operador y tapa el paso a la polimerasa. Si hay lactosa, un derivado de ella se une al represor, lo despega, y se transcriben las enzimas que la digieren. Si además hay glucosa, que la bacteria prefiere, la transcripción queda baja. En los eucariontes los operones son una rareza.
Una célula del hígado fabrica albúmina y una neurona no, aunque las dos tienen el gen de la albúmina. Ordená, de lo más general a lo más fino, las razones por las que en la neurona ese gen no da proteína, y decí en qué nivel de control está cada una.
El planteo: ir por los niveles, empezando por el primero: ¿la polimerasa puede siquiera llegar al gen?
2. Faltan los activadores (nivel de la transcripción). Aunque la región estuviera abierta, el gen necesita factores de transcripción específicos del hígado pegados a sus potenciadores. La neurona no los fabrica. Sin ellos, la ARN polimerasa II no se ubica en el promotor.
3. Sin transcripción, no hay nada más que regular. No hay pre-ARNm que procesar, ni mensajero que traducir. Los niveles siguientes no entran en juego para este gen.
En el hígado, todo al revés: la región está abierta (histonas acetiladas), los activadores hepáticos están pegados al potenciador, la polimerasa transcribe, el ARNm se procesa, sale y se traduce en ribosomas del RER (la albúmina se secreta: tema 7.6).
Por qué se ordena así: la cromatina es el primer filtro, porque decide si el gen es accesible; los factores de transcripción deciden si un gen accesible se copia y cuánto.
Dónde se pierde el punto: en decir que la neurona «perdió» el gen, o en dar como razón una mutación. El gen está y está intacto: está apagado.
En una mujer, cada célula tiene un cromosoma X condensado (corpúsculo de Barr), pero no siempre el mismo: en unas células es el X que vino de la madre y en otras el del padre. ¿Qué tipo de regulación es? ¿Qué consecuencia tiene para un gen del X que tiene dos alelos distintos?
Es regulación en el nivel de la cromatina. Un cromosoma X entero se condensa como heterocromatina al principio del desarrollo y sus genes, casi todos, dejan de transcribirse. La elección del X que se apaga es al azar en cada célula del embrión, y después se mantiene en todas sus descendientes.
La consecuencia: si una mujer tiene dos alelos distintos de un gen del X, en algunas zonas del cuerpo se expresa uno y en otras el otro. El cuerpo es un mosaico. El ejemplo clásico son las gatas «carey»: el gen de un color de pelaje está en el X, y las manchas negras y naranjas son parches de células con uno u otro X activo.
La cuenta: corpúsculos de Barr = cantidad de X − 1. Una célula XXY tiene uno; una XXX, dos.
Dónde se pierde el punto: en pensar que el X inactivo se pierde o se borra. Sigue ahí, con todos sus genes; está condensado, y en los gametos de la mujer vuelve a activarse.
Dónde se cae la mayoría
- Explicar las diferencias entre células con «distinto ADN». El ADN es el mismo; cambia qué genes se expresan.
- Creer que la heterocromatina se transcribe. Está demasiado condensada: la polimerasa no llega.
- Invertir el efecto de las marcas. Acetilar histonas abre la cromatina y favorece la transcripción; metilar el ADN la cierra y silencia.
- Pensar que la regulación es sólo «encender o apagar» la transcripción. En los eucariontes hay control también en el procesamiento, la estabilidad del ARNm, la traducción y después.
- Decir que el represor del operón lactosa se une cuando hay lactosa. Es al revés: la lactosa lo despega.
Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.
Practicar La regulación génica en eucariontes →Dónde entra este tema en el parcial
- Segundo parcial — La caseína de la vaca10 puntos · resuelto paso a paso
Los otros temas de la unidad 7
La expresión de la información genética