Control de la expresión génica en procariontes.

Hay distintos niveles en los cuales se pueden regular la expresión génica, pero generalmente, y esto es válido tanto para los procariontes como para los eucariontes, el principal mecanismo para regular la transcripción o la expresión de un gen es regulando la iniciación de la transcripción (si empieza o no la transcripción de ese gen).

• Iniciación de la transcripción→ principal mecanismo para controlar la producción de la proteína codificada en una célula.
• Expresión génica en procariontes→ regulada según los cambios en los medios nutricional y físico.

Frente a cambios en el medio, cambios en los nutrientes, se va a expresar o no determinada proteína.

Las bacterias sólo sintetizan las proteínas de su proteoma requeridas para sobrevivir en condiciones determinadas → ahorro de energía!!!

Dado que los genes que forman parte del operón tienen un único sitio de inicio de la transcripción, podemos decir que esos genes están regulados de manera coordinada: o se transcriben todos o ninguno. Este sistema de operón está, además, regulado por proteínas adicionales que pueden ser proteínas represoras o proteínas activadoras de la transcripción.

Regulación de la transcripción a partir del operón lac de E. coli.

El operón lac codifica las enzimas requeridas para la degradación de lactosa. Las bacterias pueden utilizar la degradación de los hidratos de carbono para obtener energía.
La glucosa es la principal fuente de energía si está presente en el medio. Pero la lactosa también es un azúcar que alternativamente puede servir como medio para obtener energía.

En el operón lac están codificadas todas las enzimas que intervienen en esa vía metabólica, pero en la figura se representa únicamente la primera enzima de esa vía metabólica que es la lacZ.
El operón tiene otras secuencias importantes: tiene una secuencia promotora que donde se va a unir la ARNpol (sitio reconocido por la ARNpol para comenzar la transcripción). Además tiene otras dos regiones reguladoras: una que se esquematiza en amarillo que es la secuencia operador y la otra que se esquematiza en verde que es el sitio CAP (CAP: proteína activadora de catabolito). El sitio operador va a permitir la unión de una proteína represora, mientras que el sitio CAP va a permitir la unión de una proteína activadora. De esta manera se va a regular la transcripción de este operón. En este caso la enzima que transcribe este ARNm es la polimerasa asociada a una subunidad que la σ70(Pol-σ70, polimerasa bacteriana asociada a esta subunidad), que cataliza la transcripción cuando las secuencias reguladoras se encuentran próximas al promotor.

Podemos tener distintas condiciones:

(a) Presencia de glucosa y ausencia de lactosa:

Si hay ausencia de lactosa no tiene sentido que la célula sintetice las proteínas que degradan lactosa, con lo cual lo que sucede en esta situación es que la proteína represora (que se denomina represor lac), posee una conformación tal que se une con alta afinidad al sitio operador: la ARNpol no puede unirse al operador y comenzar la transcripción del gen, en consecuencia no hay transcripción del ARNm.

(b) Presencia de glucosa y lactosa:

Cuando los dos azúcares se encuentran presentes en el medio, preferentemente se usa glucosa, pero al haber lactosa, la lactora se une a la proteína represora y cambia su conformación perdiendo así afinidad por el sitio operador, entonces la ARNpol-σ70 se une al promotor y puede transcribir, pero en este caso el nivel de transcripción es mínimo.

(c) Presencia de lactosa y ausencia de glucosa:

Cuando disminuye el nivel de glucosa en estas células, aumenta la producción de AMPc (molécula segundo mensajero intracelular), que cuando hay glucosa está reducido.
En esta situación hay lactosa en el medio por lo tanto la lactosa se une a la molécula represora que cambia su conformación y se disocia del sitio operador permitiendo que la ARNpol-σ70 se una al promotor y transcriba. Pero además, al haber un nivel aumentado de AMPc, este AMPc tiene la capacidad de unirse a la CAP modificando la conformación de CAP con lo cual, en esta conformación particular, esta proteína puede unirse al sitio CAP, estimulando la transcripción mediada por la ARNpol-σ70. En este caso el nivel de transcripción es máximo.



Los distintos promotores que se encuentran en las células eucariontes o procariontes son bastante similares entre sí aunque la secuencia de cada uno de ellos varía, y de acuerdo a esa secuencia, variará la frecuencia con la cual se inicia la transcripción. Es decir, según el promotor varía la velocidad de transcripción, de modo tal que si el promotor es un promotor débil, tendrá una baja velocidad de transcripción, que es el caso del operón lac. Es por esto que si no hay un activador, la ARNpol-σ70transcribe a una baja velocidad. Sin embargo, en presencia de un activador, ese promotor puede aumentar la velocidad de transcripción de modo tal que la transcripción es máxima.
Hay promotores fuertes que sin la presencia de una proteína activadora ya tiene una alta velocidad de transcripción.

Este esquema representa la ARNpol bacteriana. Se representan las dos subunidades más importantes (β) y las dos subunidades α; estas subunidades pueden interactuar también con otras subunidades especiales, en este caso una subunidad que se denomina σ o factor σ, en el caso del operón lac, la polimerasa se llama ARNpol asociada a σ70.
La ARNpol se asocia a la subunidad σ70 cuando este operón está regulado por represores y activadores que se unen al ADN cerca de la región donde se une la polimerasa, o sea, cerca del promotor. Sin embargo, hay otro factor σ, que es el factor σ54, que es un factor que se asocia a la ARNpol cuando los sitios activadores o represores se encuentran alejados del sitio de inicio (promotor): se necesita otro tipo de subunidad para que se pueda llevar a cabo la transcripción.


Un ejemplo de reguladores de esta polimerasa asociada a la subunidad σ54 es la proteína NtrC o proteína C reguladora de nitrógeno. Este sistema que se ilustra a continuación corresponde al gen que codifica para glutamina sintasa (glnA) en los procariontes. A diferencia del operón lac, la ARNpol está asociada al factor σ54, porque los sitios reguladores, en este caso son sitios amplificadores o que estimulan la transcripción, se encuentran lejos del sitio promotor (sitio de inicio).

 Esta proteína NtrC tiene capacidad de unirse al sitio amplificador pero en esta conformación es inactiva. Para activarla existe otra proteína reguladora que es la proteína NtrB que tiene actividad de cinasa, que lo hace es fosforilar a NtrC y de esa manera activarla.
Cuando NtrC es fosforilada y se activa se produce un cambio conformacional que favorece la interacción de este amplificador con la ARNpol-σ54 : el ADN se dobla para justamente lograr que esta proteína activadora interactúe directamente con la ARNpol-σ54.
Esta manera de regular la expresión de este gen o genes que codifican para las enzimas que se necesitan para la síntesis de glutamina es muy similar a lo que ocurre en los eucariontes, donde en general, los sitios para los activadores y represores están alejados del promotor, y la estructura que se forma es similar a esta.

Microfotografía electrónica de un fragmento de restricción de ADN con un dímero de NtrC fosforilado unido a la región amplificadora, cerca de un extremo, y la ARNpol-σ54 unida al promotor glnA cerca del otro extremo.

Microfotografía electrónica del mismo preparado de fragmentos que muestra los dímeros de NtrC y la polimerasa σ54 unidos entre sí con el ADN interpuesto formando un bucle entre ambos.