Los primeros modelos utilizados para comprender la expresión génica se basan en el operón lac . Las ideas, al principio, son bastante directas, pero por supuesto, hay una gran complejidad involucrada ya que los genes se regulan entre sí y responden colectivamente al entorno celular (tanto interna como externamente).
Este modelo se basa en el metabolismo de la lactosa en E. Coli . Se reconoció que E. Coli no produjo las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa mientras la lactosa no estaba disponible o una fuente de energía preferida estaba disponible. Esto es de esperarse: la producción de enzimas, sin duda, requiere energía y recursos y, si la célula no la necesita, poder apagarla es bueno. Entonces, además de tener solo una región de codificación, la mayoría de los genes también tendrán regiones asociadas que controlarán su expresión; colectivamente conocido como un operón.
La idea básica es la siguiente:
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Primero, la estructura del operón,
La región amarilla codifica una proteína represora. Cuando los niveles de lactosa son bajos, la proteína represora se une a un sitio de unión complementario en el operador y cubrirá parte del operador y el promotor. En este estado, la ARN polimerasa tendrá su progreso impedido por la proteína unida (como un obstáculo masivo) y será incapaz de transcribir los genes estructurales, por lo que no se produce ARNm y las proteínas codificadas no se sintetizarán.
La proteína represora también tiene su propio sitio de unión complementario a la molécula de lactosa. Entonces, cuando la lactosa está presente, se unirá a la proteína represora y la liberará de su sitio de unión en el operón. Esto permite que la ARN polimerasa se una y transcriba los genes estructurales, produciendo las enzimas lactosa que permitirán que la célula metabolice la lactosa.
En efecto, la expresión de este gen responde a los niveles de lactosa en la célula. Por supuesto, esto está muy simplificado y los modelos más complejos también están activos, es decir, se conocen otras estructuras de operón que involucran algunos otros componentes. Sin embargo, la idea básica es esta; que los genes estructurales no se sientan solos sino que están acompañados por genes reguladores que codifican los represores apropiados o funcionan como sitios de unión para la ARN polimerasa y los represores.
En un organismo, especialmente uno donde hay muchos tipos de células especializadas, muchas regiones de ADN interactuarán entre sí, afectando la expresión de genes de acuerdo a lo que la célula está expuesta, permitiendo que varios tipos de células se diferencien y permitan cada tipo para responder adecuadamente a los estímulos a los que está expuesto. Las células de la piel, por ejemplo, deben ser capaces de responder de manera apropiada cuando inciden niveles más altos de radiación UV, generalmente regulando al alza la producción de melanina. Esta respuesta no es tan útil en las células musculares donde, aunque los mismos genes están presentes (cada célula tiene material genético idéntico, recuerde), no necesitarán producir melanina en absoluto.
Entonces, espero haber arrojado un poco de luz sobre la expresión génica con este pequeño curso acelerado en el operón lac . Si está interesado, sugeriría buscar primero el operón lac , antes de continuar para buscar la expresión del color de los ojos o el color del cabello, por ejemplo (fenotipos cuya expresión se basa en muchos genes que interactúan, así como variantes genéticas, alelos).
EDITAR:
Bien, entonces William Halmeck ha comentado amablemente corregir un par de cosas y agregar un par de cosas, ¡lo cual es bueno!
En primer lugar, mi definición de operón no es del todo precisa. Un operón “es un grupo de genes asociados con una ruta metabólica particular (que están) regulados y transcritos juntos”. Estos son evidentemente comunes en los procariotas pero poco frecuentes en los eucariotas.
Entonces, lo siguiente es la regulación y expresión de genes eucariotas. Evidentemente, esto es un poco más complejo y los genes se regulan y transcriben por separado, lo que implica lo que se conoce como procesamiento de ARN, donde los extremos de las cadenas de ARN se pueden eliminar y unir, permitiendo que se forme una gama más diversa de polipéptidos a partir de relativamente menos genes. Esto está completamente ausente en los procariotas.
Otro modelo de operón simple que se usa para enseñar la regulación génica que involucra proteínas represoras es el operón trp .
Entonces, ¡gracias a William por todo eso!
