Regulación de genes para el uso de lactosa. Represor lac , proteína activadora de catabolito y AMPc.

Puntos más importantes:

  • El operón lac de E. coli contiene los genes involucrados en el metabolismo de la lactosa. Se expresa solamente cuando la lactosa está presente y la glucosa está ausente.
  • Dos reguladores "encienden" y "apagan" el operón en respuesta a los niveles de lactosa y de glucosa: el represor lac y la proteína activadora por catabolito (CAP).
  • El represor lac actúa como un sensor de la lactosa. Normalmente bloquea la transcripción del operón, pero deja de actuar como represor cuando la lactosa está presente. El represor lac detecta la lactosa indirectamente, a través de su isómero alolactosa.
  • Proteína activadora de catabolitos (CAP) actúa como un sensor de la glucosa. Activa la transcripción del operón, pero solamente cuando los niveles de glucosa son bajos. CAP detecta la glucosa indirectamente, a través de la molécula de “señal de hambre” AMPc.

Introducción

Lactosa: ¡es lo que hay para la cena! Aunque eso puede no sonar delicioso para nosotros (la lactosa es el azúcar principal en la leche y probablemente no quieras comerla sola), la lactosa puede ser una comida excelente para la bacteria E. coli. Sin embargo, solo engullirán la lactosa cuando otros azúcares mejores, como la glucosa, no están disponibles.
Con eso como contexto, ¿qué es exactamente el operón lac? El operón lac es un operón o grupo de genes con un solo promotor (transcrito como un solo ARNm). Los genes en el operón codifican las proteínas que permiten que las bacterias utilicen la lactosa como fuente de energía.

¿Que es lo activa al operón lac?

La bacteria E. coli puede descomponer la lactosa, pero no es su alimento preferido. Si la glucosa está presente, la preferirán por mucho. La glucosa requiere pocos pasos y menos energía para descomponerse que la lactosa. Sin embargo, si la lactosa es el único azúcar disponible, E. coli no dudará y la utilizará como fuente de energía.
Para utilizar la lactosa, las bacterias deben expresar los genes del operón lac, que codifica enzimas claves para el consumo y el metabolismo de la lactosa. Para ser tan eficiente como sea posible, E. coli debe expresar el operón lac solamente cuando se cumplan dos condiciones:
  • La lactosa está disponible y
  • La glucosa no está disponible
¿Cómo se detectan los niveles de lactosa y de glucosa y cómo los cambios en los niveles afectan la transcripción del operón lac? Dos proteínas reguladoras están involucradas:
  • Una, el represor lac, actúa como un sensor de lactosa.
  • La otra, la proteína activadora por catabolito (CAP), actúa como un sensor de glucosa.
Estas proteínas se fijan al ADN del operón lac y regulan su transcripción con base en los niveles de lactosa y de glucosa. Veamos cómo funciona esto.

Estructura del operón lac

El operón lac contiene tres genes: lacZ, lacY y lacA. Estos genes se transcriben como un solo ARNm, bajo el control de un promotor.
Los genes en el operón lac especifican las proteínas que ayudan a la célula a utilizar la lactosa. El gen lacZ codifica una enzima que divide la lactosa en monosacáridos (azúcares de una sola unidad) que pueden formar parte de la glucólisis. De forma similar, lacY codifica un transportador integrado en la membrana que ayuda a llevar la lactosa dentro de la célula.
El gen lacZ codifica una enzima llamada β-galactosidasa, que es responsable de dividir la lactosa (un disacárido) en glucosa y galactosa fáciles de usar (monosacáridos).
El gen lacY codifica una proteína de membrana llamada lactosa permeasa, que es una “bomba” transmembrana que permite que la célula importe la lactosa.
El gen lacA codifica una enzima conocida como transacetilasa, que pega un grupo químico particular a moléculas objetivo. No es claro si esta enzima realmente juega un papel en la descomposición de la lactosa. (¡Extraño, pero cierto!)
Además de los tres genes, el operón lac también contiene un número de secuencias de ADN reguladoras. Estas son las regiones del ADN a las que se pueden unir proteínas reguladoras particulares, lo que controla la transcripción del operón.
Estructura del operón lac. El ADN del operón lac contiene (de izquierda a derecha): el sitio de unión de CAP, el promotor (sitio de unión de la ARN polimerasa), el operador (que se traslapa con el promotor), el gen lacZ, el gen lacY y el gen lacA. Cuando la proteína activadora CAP se une a una molécula llamada AMPc (como se describe más adelante), se pega al sitio de unión de CAP y promueve la unión de la ARN polimerasa al promotor. La proteína represora lac se pega al operador y bloquea la unión de la ARN polimerasa al promotor y la transcripción del operón.
_Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._
  • El promotor es el sitio de unión de la ARN polimerasa, la enzima que realiza la transcripción.
  • El operador es un sitio regulador negativo al que se une la proteína represor lac. El operador se traslapa con el promotor y cuando se le ha unido el represor lac, la ARN polimerasa no puede unirse al promotor y comenzar la transcripción.
  • El sitio de unión de CAP es un sitio regulador positivo al que se une la proteína activadora de catabolitos (CAP). Cuando se une CAP a este sitio, promueve la transcripción al ayudar a la ARN polimerasa a unirse al promotor.
Miremos más de cerca al represor lac y CAP, y sus papeles en la regulación del operón lac.

El represor lac

El represor lac es una proteína que reprime (inhibe) la transcripción del operón lac. Lo hace al unirse al operador, que se traslapa parcialmente con el promotor. Cuando está unido, el represor lac bloquea el camino de la ARN polimerasa y evita que transcriba el operón.
El gen que codifica el represor lac se nombra lacI y está bajo el control de su propio promotor. El gen lacI se encuentra cerca del operón lac, pero no es una parte del operón y se expresa por separado. lacI se transcribe continuamente, así que su producto proteico –el represor lac– siempre está presente.
Cuando la lactosa no está disponible, el represor lac se une firmemente al operador, y así evita la transcripción por la ARN polimerasa. Sin embargo, cuando la lactosa está presente, el represor lac pierde su capacidad de unirse al ADN. Se separa del operador, y despeja el camino para que la ARN polimerasa transcriba el operón.
Panel superior: sin lactosa. Cuando no hay lactosa, el represor lac se une firmemente al operador. Bloquea el camino de la ARN polimerasa, lo que previene la transcripción.
Panel inferior: con lactosa. La alolactosa (lactosa reorganizada) se une al represor lac y hace que suelte al operador. La ARN polimerasa ahora puede transcribir el operón.
_Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._
Este cambio en el represor lac lo causa la pequeña molécula alolactosa, un isómero (versión reorganizada) de la lactosa. Cuando se dispone de lactosa, algunas moléculas se convertirán en alolactosa dentro de la célula. La alolactosa se une al represor lac y hace que cambie de forma para que ya no pueda unirse al ADN.
La alolactosa es un ejemplo de un inductor, una molécula pequeña que acciona la expresión de un gen o de un operón. El operón lac se considera un operón inducible porque generalmente está apagado (reprimido), pero se puede encender en presencia del inductor alolactosa.

Proteína activadora de catabolitos (CAP)

Cuando la lactosa está presente, el represor lac pierde su capacidad de unirse al ADN. Esto deja libre el camino para que la ARN polimerasa se una al promotor y se transcriba el operón lac. Eso suena como el final de la historia, ¿verdad?
Pues…no exactamente. Resulta que la ARN polimerasa sola no se une muy bien al promotor del operón lac. Puede que haga algunos transcritos, pero no hará mucho más a menos que consiga ayuda adicional de la proteína activadora de catabolitos (CAP). CAP se une a una región del ADN justo antes del promotor del operón lac y ayuda a que la ARN polimerasa se una al promotor, lo que promueve altos niveles de transcripción.
Como el represor lac, CAP es codificado por un gen regulador que se encuentra en el cromosoma bacteriano. El gen para CAP no es parte (ni está cerca) del operón lac.
El gen de CAP se expresa de forma constitutiva o constante. Esto significa que la proteína CAP siempre está disponible en la célula para unirse a AMPc y “reportar” los niveles de glucosa al operón lac y otros genes y operones objetivos.
Panel superior: glucosa baja. Cuando los niveles de glucosa son bajos, se produce AMPc. AMPc se une a CAP, lo que le permite unirse al ADN. CAP ayuda que la ARN polimerasa se una al promotor, y da por resultado altos niveles de transcripción.
Panel inferior: glucosa alta. Cuando los niveles de glucosa son altos, no se hace AMPc. CAP no se puede unir al ADN sin AMPc, así que la transcripción ocurre solamente en un nivel bajo.
_Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._
CAP no siempre es activa (capaz de unirse al ADN). Su actividad la regula una molécula pequeña llamada AMP cíclico (AMPc). AMPc es una “señal de hambre” que fabrica E. coli cuando los niveles de glucosa son bajos. AMPc se une a CAP, cambia su forma y la hace capaz de unirse al ADN y promover la transcripción. Sin AMPc, CAP no puede unirse al ADN y es inactiva.
Cuando la glucosa se transporta hacia la célula, el proceso de transporte inhibe la síntesis de AMPc. Así, cuando hay mucha glucosa y está entrando a la célula, no puede hacerse mucho AMPc. Sin embargo, si poco o nada de glucosa está disponible para el transporte hacia la célula, la síntesis de AMPc ya no será inhibida y los niveles de AMPc incrementarán.
Como resultado:
  • Glucosa alta \rightarrow AMPc bajo
  • Glucosa baja \rightarrow AMPc alto
CAP solamente está activa cuando los niveles de glucosa son bajos (los niveles de AMPc son altos). Así, el operón lac solo puede transcribirse en altos niveles cuando no hay glucosa. Esta estrategia asegura que las bacterias solamente enciendan el operón lac y empiecen a usar la lactosa después de que hayan utilizado toda la fuente de energía preferida (glucosa).

Entonces, ¿cuándo se activa realmente el operón lac?

El operón lac se expresará en niveles altos si se cumplen dos condiciones:
  • La glucosa no debe estar disponible: cuando la glucosa no está disponible, AMPc se une a CAP, lo que permite que CAP pueda unirse al ADN. Al estar unida CAP, ayuda a que la ARN polimerasa se pegue al promotor del operón lac.
  • La lactosa debe estar disponible: si la lactosa está disponible, el represor lac será liberado del operador (por unión de la alolactosa). Esto permite que la ARN polimerasa avance sobre el ADN y transcriba el operón.
Estos dos eventos en combinación –la unión del activador y la liberación del represor– permiten que la ARN polimerasa se una fuertemente al promotor y le dé una trayectoria clara para la transcripción. Juntos llevan a una fuerte transcripción del operón lac y a la producción de las enzimas necesarias para la utilización de la lactosa.

Armar el rompecabezas

Ahora que hemos visto todas las partes del operón lac en acción, juntemos lo que hemos aprendido para ver cómo reacciona el operón a una variedad de diferentes condiciones (presencia o ausencia de glucosa y de lactosa).
  • Glucosa presente, lactosa ausente: no ocurre la transcripción del operón lac. Eso es porque el represor lac permanece unido al operador y previene la transcripción por la ARN polimerasa. Además, los niveles de AMPc son bajos porque los niveles de glucosa son altos, así que CAP está inactiva y no puede unirse al ADN.
    Glucosa presente, lactosa ausente: no ocurre transcripción del operón lac. Eso es porque el represor lac permanece unido al operador y previene la transcripción por la ARN polimerasa. Además, los niveles de AMPc son bajos porque los niveles de glucosa son altos, así que CAP está inactiva y no puede unirse al ADN.
    _Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._
  • Glucosa presente, lactosa presente: se da la transcripción del operón lac a un nivel bajo. El represor lac es liberado del operador porque el inductor (alolactosa) está presente. Los niveles de AMPc, sin embargo, son bajos porque hay glucosa. Entonces, CAP permanece inactiva y no puede unirse al ADN, así que la transcripción solo ocurre a un nivel bajo o pobre.
    Glucosa presente, lactosa presente: ocurre transcripción de nivel bajo del operón lac. El represor lac es liberado del operador porque el inductor (alolactosa) está presente. Los niveles de AMPc, sin embargo, son bajos porque la glucosa está presente. Entonces, CAP permanece inactiva y no puede unirse al ADN, así que la transcripción solo ocurre en un nivel bajo o pobre.
    _Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._
  • Glucosa ausente, lactosa ausente: no ocurre transcripción del operón lac. Los niveles de AMPc son altos porque los niveles de glucosa son bajos, así que CAP está activa y estará unida al ADN. Sin embargo, el represor lac también estará unido al operador (debido a la ausencia de alolactosa), y actúa como barrera a la ARN polimerasa y previene la transcripción.
    Glucosa ausente, lactosa ausente: no ocurre transcripción del operón lac. Los niveles de AMPc son altos porque los niveles de glucosa son bajos, así que CAP está activa y estará unida al ADN. Sin embargo, el represor lac también estará unido al operador (debido a la ausencia de alolactosa), por lo que actúa como barrera a la ARN polimerasa y previene la transcripción.
    _Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._
  • Glucosa ausente, lactosa presente: ocurre una fuerte transcripción del operón lac. El represor lac es liberado del operador porque el inductor (alolactosa) está presente. Los niveles de AMPc son altos porque no hay glucosa, así que CAP está activa y unida al ADN. CAP ayuda a que la ARN polimerasa se una al promotor, lo que permite altos niveles de transcripción.
    Glucosa ausente, lactosa presente: ocurre una fuerte transcripción del operón lac. El represor lac es liberado del operador porque el inductor (alolactosa) está presente. Los niveles de AMPc son altos porque no hay glucosa, así que CAP está activa y unida al ADN. CAP ayuda a la ARN polimerasa a fijarse al promotor, lo que permite altos niveles de transcripción.
    _Imagen modificada de "Regulación génica procariota: Figura 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._

Resumen de las respuesta del operón lac

GlucosaLactosaSe une CAPSe une el represorNivel de transcripción
+--+Sin transcripción
++--Nivel bajo de transcripción
--++Sin transcripción
-++-Transcripción fuerte
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias:

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., y Stryer, L. (2002). Prokaryotic DNA-binding proteins bind specifically to regulatory sites in operons (Proteínas de unión al ADN procariótico se unen específicamente a sitios de regulación de operones). En Biochemistry (5a ed., section 31.1). New York, NY: W. H. Freeman. Consultado en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/.
Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protien) at the right time and place (Regulación génica: cómo hacer solo ARN [y proteína] en el lugar y momento correcto). En BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (pp. 9-13).
Inducer (Inductor). (11 de agosto de 2015). Consultado el sábado 16 de abril en Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Inducer.
Kovach, T. K. (26 de febrero de 2014). Jacob-Monod: The lac operon (Jacob-Manod: el operón lac). En Gene control. Consultado en https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/gene-control/v/jacob-monod-the-lac-operon.
OpenStax College, Biología. (29 de septiembre de 2015). Prokaryotic gene regulation (Regulación génica procarionte). en OpenStax CNX. Consultado en http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription (Las bacterias a menudo responden al cambio ambiental mediante la regulación de la transcripción). En Campbell biology (10a ed., pp. 361-365). San Francisco, CA: Pearson.
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