Microbiología (Español)

cada célula nucleada en un organismo multicelular contiene copias del mismo ADN. Del mismo modo, todas las células en dos cultivos bacterianos puros inoculados de la misma colonia inicial contienen el mismo ADN, con la excepción de los cambios que surgen de mutaciones espontáneas., Si cada célula en un organismo multicelular tiene el mismo ADN, entonces ¿cómo es que las células en diferentes partes del cuerpo del organismo exhiben características diferentes? Del mismo modo, ¿cómo es que las mismas células bacterianas dentro de dos cultivos puros expuestos a diferentes condiciones ambientales pueden exhibir diferentes fenotipos? En ambos casos, cada célula genéticamente idéntica no enciende, o expresa, el mismo conjunto de genes. Solo se expresa un subconjunto de proteínas en una célula en un momento dado.,

El ADN genómico contiene tanto genes estructurales, que codifican productos que sirven como estructuras celulares o enzimas, como genes reguladores, que codifican productos que regulan la expresión génica. La expresión de un gen es un proceso altamente regulado. Mientras que la regulación de la expresión génica en organismos multicelulares permite la diferenciación celular, en organismos unicelulares como los procariotas, asegura principalmente que los recursos de una célula no se desperdicien haciendo proteínas que la célula no necesita en ese momento.,

dilucidar los mecanismos que controlan la expresión génica es importante para la comprensión de la salud humana. Las fallas en este proceso en los seres humanos conducen al desarrollo de cáncer y otras enfermedades. La comprensión de la interacción entre la expresión génica de un patógeno y la de su huésped humano es importante para la comprensión de una enfermedad infecciosa particular. La regulación génica implica una compleja red de interacciones dentro de una célula dada entre las señales del entorno de la célula, las moléculas de señalización dentro de la célula y el ADN de la célula., Estas interacciones conducen a la expresión de algunos genes y la supresión de otros, dependiendo de las circunstancias.

procariotas y eucariotas comparten algunas similitudes en sus mecanismos para regular la expresión génica; sin embargo, la expresión génica en eucariotas es más complicada debido a la separación temporal y espacial entre los procesos de transcripción y traducción., Por lo tanto, aunque la mayor parte de la regulación de la expresión génica ocurre a través del control transcripcional en procariotas, la regulación de la expresión génica en eucariotas ocurre a nivel transcripcional y post-transcripcional (después de que se haya hecho la transcripción primaria).

regulación génica procariótica

en bacterias y arqueas, las proteínas estructurales con funciones relacionadas suelen codificarse juntas dentro del genoma en un bloque llamado operón y se transcriben juntas bajo el control de un solo promotor, dando lugar a la formación de una transcripción policistrónica (Figura 1)., De esta manera, la regulación de la transcripción de todos los genes estructurales que codifican las enzimas que catalizan los muchos pasos en una sola vía bioquímica se puede controlar simultáneamente, porque se necesitarán todos al mismo tiempo o no se necesitará ninguno. Por ejemplo, en E. coli, todos los genes estructurales que codifican las enzimas necesarias para usar la lactosa como fuente de energía se encuentran uno al lado del otro en el operón de lactosa (o lac) bajo el control de un solo promotor, el promotor lac., Los científicos franceses François Jacob (1920-2013) y Jacques Monod en el Instituto Pasteur fueron los primeros en mostrar la organización de los genes bacterianos en operones, a través de sus estudios sobre el operón lac de E. coli. Por este trabajo, ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1965. Aunque los genes eucariotas no están organizados en operones, los operones procariotas son excelentes modelos para aprender sobre la regulación génica en general. Hay algunos grupos de genes en eucariotas que funcionan de manera similar a los operones., Muchos de los principios se pueden aplicar a los sistemas eucariotas y contribuyen a nuestra comprensión de los cambios en la expresión génica en los eucariotas que pueden resultar en cambios patológicos como el cáncer.

la Figura 1. En procariotas, los genes estructurales de función relacionada a menudo se organizan juntos en el genoma y se transcriben juntos bajo el control de un solo promotor. La región reguladora del operador incluye tanto al promotor como al operador. Si un represor se une al operador, entonces los genes estructurales no serán transcritos., Alternativamente, los activadores pueden unirse a la región reguladora, mejorando la transcripción.

cada operón incluye secuencias de ADN que influyen en su propia transcripción; estos se encuentran en una región llamada región reguladora. La región reguladora incluye el promotor y la región que rodea al promotor, a la que los factores de transcripción, proteínas codificadas por genes reguladores, pueden unirse. Los factores de transcripción influyen en la Unión de la ARN polimerasa al promotor y permiten que su progresión transcriba genes estructurales., Un represor es un factor de transcripción que suprime la transcripción de un gen en respuesta a un estímulo externo mediante la unión a una secuencia de ADN dentro de la región reguladora llamada operador, que se encuentra entre el sitio de unión a la ARN polimerasa del promotor y el sitio de inicio transcripcional del primer gen estructural. La Unión represora bloquea físicamente la ARN polimerasa de la transcripción de genes estructurales., Por el contrario, un activador es un factor de transcripción que aumenta la transcripción de un gen en respuesta a un estímulo externo al facilitar la Unión de la ARN polimerasa al promotor. Un inductor, un tercer tipo de molécula reguladora, es una molécula pequeña que activa o reprime la transcripción al interactuar con un represor o un activador.

en procariotas, hay ejemplos de operones cuyos productos genéticos se requieren de manera bastante consistente y cuya expresión, por lo tanto, no está regulada., Tales operones se expresan constitutivamente, lo que significa que se transcriben y traducen continuamente para proporcionar a la célula niveles intermedios constantes de los productos proteicos. Tales genes codifican enzimas involucradas en las funciones domésticas requeridas para el mantenimiento celular, incluyendo la replicación, reparación y expresión del ADN, así como enzimas involucradas en el metabolismo Central. En contraste, hay otros operones procarióticos que se expresan solo cuando es necesario y están regulados por represores, Activadores e inductores.,

regulación por represión

Los operones procarióticos son comúnmente controlados por la Unión de represores a regiones operadoras, impidiendo así la transcripción de los genes estructurales. Estos operones se clasifican como operones represibles o inducibles. Los operones represibles, como el operón triptófano (TRP), típicamente contienen genes que codifican enzimas requeridas para una vía biosintética., Mientras el producto de la vía, como el triptófano, continúe siendo requerido por la célula, un operón represible continuará siendo expresado. Sin embargo, cuando el producto de la vía biosintética comienza a acumularse en la célula, eliminando la necesidad de que la célula continúe haciendo más, la expresión del operón se reprime. Por el contrario, los operones inducibles, como el operón lac de E. coli, a menudo contienen genes que codifican enzimas en una vía involucrada en el metabolismo de un sustrato específico como la lactosa., Estas enzimas solo se requieren cuando ese sustrato está disponible, por lo que la expresión de los operones se induce típicamente solo en presencia del sustrato.

el operón trp: un operón Represible

E. coli puede sintetizar triptófano utilizando enzimas que están codificadas por cinco genes estructurales ubicados uno al lado del otro en el operón trp (Figura 2). Cuando el triptófano ambiental es bajo, el operón se enciende. Esto significa que se inicia la transcripción, se expresan los genes y se sintetiza el triptófano., Sin embargo, si el triptófano está presente en el ambiente, el operón trp se apaga. La transcripción no ocurre y el triptófano no se sintetiza.

Cuando el triptófano no está presente en la célula, el represor por sí mismo no se une al operador; por lo tanto, el operón está activo y el triptófano se sintetiza. Sin embargo, cuando el triptófano se acumula en la célula, dos moléculas de triptófano se unen a la molécula represora trp, Que Cambia su forma, lo que le permite unirse al operador trp., Esta unión de la forma activa del represor trp al operador bloquea la ARN polimerasa de transcribir los genes estructurales, deteniendo la expresión del operón. Por lo tanto, el producto real de la vía biosintética controlada por el operón regula la expresión del operón.

la Figura 2. Los cinco genes estructurales necesarios para sintetizar el triptófano en E. coli se encuentran uno al lado del otro en el operón trp. Cuando el triptófano está ausente, la proteína represora no se une al operador, y los genes se transcriben., Cuando el triptófano es abundante, el triptófano se une a la proteína represora en la secuencia del operador. Esto impide físicamente que la ARN polimerasa transcriba los genes de biosíntesis del triptófano.

el operón lac: un operón Inducible

el operón lac es un ejemplo de un operón inducible que también está sujeto a activación en ausencia de glucosa (Figura 3)., El Lac operon codifica tres genes estructurales necesarios para adquirir y procesar el disacárido lactosa del medio ambiente, descomponiéndolo en los azúcares simples glucosa y galactosa. Para que se exprese el operón lac, debe estar presente lactosa. Esto tiene sentido para la célula porque sería un desperdicio energético crear las enzimas para procesar la lactosa si la lactosa no estuviera disponible.

en ausencia de lactosa, el represor lac se une a la región operadora del operón lac, impidiendo físicamente que la ARN polimerasa transcriba los genes estructurales., Sin embargo, cuando la lactosa está presente, la lactosa dentro de la célula se convierte en alolactosa. La alolactosa sirve como una molécula inductora, que se une al represor y cambia su forma para que ya no pueda unirse al ADN del operador. La eliminación del represor en presencia de lactosa permite que la ARN polimerasa se mueva a través de la región del operador y comience la transcripción de los genes estructurales de lac.

la Figura 3. Los tres genes estructurales que se necesitan para degradar la lactosa en E. coli se encuentran uno al lado del otro en el operón lac., Cuando la lactosa está ausente, la proteína represora se une al operador, bloqueando físicamente la ARN polimerasa de transcribir los genes estructurales de lac. Cuando la lactosa está disponible, una molécula de lactosa se une a la proteína represora, evitando que el represor se una a la secuencia del operador, y los genes se transcriben.

El Operón lac: Activación por Catabolito de la Proteína Activadora

la Figura 4. Cuando se cultiva en presencia de dos sustratos, E. coli utiliza el sustrato preferido (en este caso glucosa) hasta que se agota., Luego, se expresan las enzimas necesarias para el metabolismo del segundo sustrato y se reanuda el crecimiento, aunque a un ritmo más lento.

las Bacterias suelen tener la capacidad de utilizar una variedad de sustratos como fuentes de carbono. Sin embargo, debido a que la glucosa es generalmente preferible a otros sustratos, las bacterias tienen mecanismos para garantizar que los sustratos alternativos solo se utilicen cuando la glucosa se ha agotado. Además, las bacterias tienen mecanismos para asegurar que los genes que codifican enzimas para el uso de sustratos alternativos se expresan solo cuando el sustrato alternativo está disponible., En la década de 1940, Jacques Monod fue el PRIMERO en demostrar la preferencia por ciertos sustratos sobre otros a través de sus estudios del crecimiento de E. coli cuando se cultiva en presencia de dos sustratos diferentes simultáneamente. Tales estudios generaron curvas de crecimiento diauxicas, como la mostrada en la Figura 4. Aunque el sustrato preferido glucosa se utiliza primero, E. coli crece rápidamente y las enzimas para el metabolismo de la lactosa están ausentes. Sin embargo, una vez que los niveles de glucosa se agotan, las tasas de crecimiento se ralentizan, induciendo la expresión de las enzimas necesarias para el metabolismo del segundo sustrato, la lactosa., Observe cómo la tasa de crecimiento de la lactosa es más lenta, como lo indica la menor pendiente de la curva de crecimiento.

la capacidad de cambiar del uso de glucosa a otro sustrato como la lactosa es una consecuencia de la actividad de una enzima llamada enzima IIa (Eiia). Cuando los niveles de glucosa caen, las células producen menos ATP del catabolismo (véase catabolismo de carbohidratos), y EIIA se fosforila., La eiia fosforilada activa la adenilil ciclasa, una enzima que convierte parte del ATP restante en AMP cíclico (cAMP), un derivado cíclico de AMP e importante molécula de señalización involucrada en el metabolismo de la glucosa y la energía en E. coli. Como resultado, los niveles del campamento comienzan a aumentar en la celda (Figura 5).

la Figura 5. Cuando los niveles de ATP disminuyen debido al agotamiento de la glucosa, parte del ATP restante se convierte en cAMP por la adenilil ciclasa. Por lo tanto, el aumento de los niveles de cAMP indica depleción de glucosa.,

el operón lac también juega un papel en este cambio de usar glucosa a usar lactosa. Cuando la glucosa es escasa, la acumulación de cAMP causada por el aumento de la actividad de la adenilil ciclasa se une a la proteína activadora de catabolitos (CAP), también conocida como proteína receptora de cAMP (CRP). El complejo se une a la región promotora del operón lac (Figura 6). En las regiones reguladoras de estos operones, un sitio de unión CAP se encuentra aguas arriba del sitio de unión de la ARN polimerasa en el promotor., La Unión del complejo CAP-cAMP a este sitio Aumenta la capacidad de unión de la ARN polimerasa a la región promotora para iniciar la transcripción de los genes estructurales. Por lo tanto, en el caso del operón lac, para que se produzca la transcripción, la lactosa debe estar presente (eliminando la proteína represora lac) y los niveles de glucosa deben agotarse (permitiendo la Unión de una proteína activadora). Cuando los niveles de glucosa son altos, hay represión catabolita de operones que codifican enzimas para el metabolismo de sustratos alternativos., Debido a los bajos niveles de campamento bajo estas Condiciones, hay una cantidad insuficiente del complejo CAP-cAMP para activar la transcripción de estos operones. Ver Tabla 1 para un resumen de la regulación del Lac operon.

la Figura 6. (a) en presencia de cAMP, CAP se une a los promotores de operones, como el operón lac, que codifican genes para Enzimas para el uso de sustratos alternativos. (b) para que se exprese el operón lac, debe haber activación por cAMP-CAP, así como la eliminación del represor lac del operador.,

respuestas globales de procariotas

en procariotas, también hay varios niveles más altos de regulación génica que tienen la capacidad de controlar la transcripción de muchos operones relacionados simultáneamente en respuesta a una señal ambiental., Un grupo de operones controlados simultáneamente se llama regulon.

alarmas

al detectar estrés inminente, los procariotas alteran la expresión de una amplia variedad de operones para responder en coordinación. Lo hacen a través de la producción de alarmas, que son pequeños derivados de nucleótidos intracelulares. Las alarmas cambian qué genes se expresan y estimulan la expresión de genes específicos de respuesta al estrés. El uso de alarmas para alterar la expresión génica en respuesta al estrés parece ser importante en bacterias patógenas., Al encontrarse con mecanismos de defensa del huésped y otras condiciones duras durante la infección, muchos operones que codifican genes de virulencia se regulan al alza en respuesta a la señalización de alarmone. El conocimiento de estas respuestas es clave para poder comprender completamente el proceso de infección de muchos patógenos y para el desarrollo de terapias para contrarrestar este proceso.,

Alternate σ Factors

dado que la subunidad σ de la ARN polimerasa bacteriana confiere especificidad en cuanto a qué promotores deben transcribirse, alterar el factor σ utilizado es otra forma para que las bacterias cambien rápida y globalmente qué regulones se transcriben en un momento dado. El factor σ reconoce secuencias dentro de un promotor bacteriano, por lo que diferentes factores σ reconocerán secuencias promotoras ligeramente diferentes., De esta manera, cuando la célula detecta condiciones ambientales específicas, puede responder cambiando qué factor σ expresa, degradando el viejo y produciendo uno nuevo para transcribir los operones que codifican genes cuyos productos serán útiles bajo la nueva condición ambiental. Por ejemplo, en bacterias esporuladoras de los géneros Bacillus y Clostridium (que incluyen muchos patógenos), un grupo de factores σ controla la expresión de los muchos genes necesarios para la esporulación en respuesta a las señales estimuladoras de la esporulación.,

métodos adicionales de regulación en bacterias: atenuación y Riboswitches

aunque la mayoría de la expresión génica se regula a nivel de iniciación de la transcripción en procariotas, también hay mecanismos para controlar tanto la finalización de la transcripción como la traducción simultáneamente., Desde su descubrimiento, se ha demostrado que estos mecanismos controlan la finalización de la transcripción y traducción de muchos operones procarióticos. Debido a que estos mecanismos vinculan la regulación de la transcripción y la traducción directamente, son específicos de los procariotas, porque estos procesos están físicamente separados en los eucariotas.

uno de estos sistemas reguladores es la atenuación, por lo que las estructuras de bucle madre secundarias formadas dentro del extremo 5′ de un ARNm que se transcribe determinan si la transcripción para completar la síntesis de este ARNm se producirá y si este ARNm se utilizará para la traducción., Más allá del mecanismo de represión transcripcional ya discutido, la atenuación también controla la expresión del operón trp en E. coli (Figura 7). La región reguladora del operón TRP contiene una secuencia líder llamada trpL entre el operador y el primer gen estructural, que tiene cuatro tramos de ARN que pueden emparejarse entre sí en diferentes combinaciones. Cuando se forma un bucle de tallo terminador, la transcripción termina, liberando ARN polimerasa del ARNm., Sin embargo, cuando se forma un bucle madre antiterminador, esto evita la formación del bucle madre terminador, por lo que la ARN polimerasa puede transcribir los genes estructurales.

la Figura 7. Haga clic para ver una imagen más grande. Cuando el triptófano es abundante, la traducción del péptido líder corto codificado por trpL procede, el bucle terminador entre las regiones 3 y 4 se forma, y la transcripción termina., Cuando los niveles de triptófano se agotan, la traducción del péptido líder corto se detiene en la Región 1, lo que permite que las regiones 2 y 3 formen un bucle antiterminador, y la ARN polimerasa puede transcribir los genes estructurales del operón trp.

un mecanismo relacionado de regulación concurrente de transcripción y traducción en procariotas es el uso de un riboswitch, una pequeña región de ARN no codificante que se encuentra dentro del extremo 5′ de algunas moléculas de ARNm procariotas (Figura 8). Un riboswitch puede unirse a una pequeña molécula intracelular para estabilizar ciertas estructuras secundarias de la molécula de ARNm., La Unión de la molécula pequeña determina qué forma la estructura del tallo-bucle, influyendo así en la finalización de la síntesis de ARNm y la síntesis de proteínas.

la Figura 8. Haga clic para ampliar la imagen. Los Riboswitches que se encuentran dentro de las moléculas procarióticas de ARNm pueden unirse a pequeñas moléculas intracelulares, estabilizando ciertas estructuras de ARN, influyendo en la finalización de la síntesis de la molécula de ARNm en sí (izquierda) o la proteína hecha usando ese ARNm (derecha).,

otros factores que afectan la expresión génica en procariotas y eucariotas

aunque el enfoque en nuestra discusión del control transcripcional utilizó operones procarióticos como ejemplos, el control transcripcional eucariótico es similar en muchos aspectos. Como en procariotas, la transcripción eucariótica puede ser controlada a través de la Unión de factores de transcripción incluyendo represores y activadores., Curiosamente, la transcripción eucariótica puede ser influenciada por la Unión de proteínas a regiones del ADN, llamadas potenciadores, bastante lejos del gen, a través del bucle de ADN facilitado entre el potenciador y el promotor (Figura 9). En general, la regulación de la transcripción es una forma altamente efectiva de controlar la expresión génica tanto en procariotas como en eucariotas. Sin embargo, el control de la expresión génica en eucariotas en respuesta a las tensiones ambientales y celulares se puede lograr de maneras adicionales sin la Unión de los factores de transcripción a las regiones reguladoras.,

la Figura 9. En eucariotas, un potenciador es una secuencia de ADN que promueve la transcripción. Cada potenciador se compone de secuencias cortas de ADN llamadas elementos de control distales. Los activadores Unidos a los elementos de control distales interactúan con las proteínas mediadoras y los factores de transcripción. Dos genes diferentes pueden tener el mismo promotor pero diferentes elementos de control distal, lo que permite la expresión génica diferencial.,

control del nivel de ADN

en eucariotas, las moléculas de ADN o histonas asociadas pueden modificarse químicamente de tal manera que influyan en la transcripción; esto se denomina regulación epigenética. Se ha demostrado que la metilación de ciertos nucleótidos de citosina en el ADN en respuesta a factores ambientales influye en el uso de dicho ADN para la transcripción, con la metilación del ADN que se correlaciona comúnmente con niveles bajos de expresión génica., Además, en respuesta a factores ambientales, las proteínas de histona para empaquetar el ADN también pueden ser modificadas químicamente de múltiples maneras, incluyendo acetilación y desacetilación, influyendo en el estado de empaque del ADN y afectando así la disponibilidad de ADN vagamente enrollado para la transcripción. Estas modificaciones químicas a veces pueden mantenerse a través de múltiples rondas de división celular, haciendo que al menos algunos de estos cambios epigenéticos sean heredables.

piénselo

1. ¿Cuáles son las dos formas en que las bacterias pueden influir en la transcripción de múltiples operones diferentes simultáneamente en respuesta a una condición ambiental particular?
2. la siguiente figura es del trabajo original de Monod sobre el crecimiento diauxico que muestra el crecimiento de E. coli en la presencia simultánea de xilosa y glucosa como las únicas fuentes de carbono. Explicar lo que está sucediendo en los puntos A-D con respecto a la fuente de carbono que se utiliza para el crecimiento, y explicar si el operón de uso de xilosa se está expresando (y por qué)., Tenga en cuenta que la expresión de las enzimas necesarias para el uso de xilosa se regula de manera similar a la expresión de las enzimas necesarias para el uso de lactosa.