Regulação da expressão gênica em procariotos e eucariotos

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Regulação da expressão gênica em procariotos e eucariotos

  1. 1. Regulação da expressão gênica em procariotos Priscila Rodrigues de Souza
  2. 2. Existe um balanço entre a quantidade e tipos de produtos sintetizados (taxa de síntese) e aquantidade e tipos de produtos gênicos degradados (taxa de degradação).Em bactérias, a regulação gênica mantém a flexibilidade interna, ligando e desligando genes emresposta a mudanças ambientais. Em organismos eucarióticos multicelulares, a regulação gênicacausa a diferenciação celular, em que todas as células contêm a mesma informação genética, masapenas um subgrupo de genes é expresso em cada tipo de célula.Genes e elementos regulatóriosAo considerarmos a regulação gênica tanto em procariotos quanto em eucariotos, devemos distinguirentre as sequências de DNA que são transcritas e as sequências de DNA que regulam a expressãode outras sequências.Os genes estruturais codificam proteínas que são utilizadas no metabolismo ou biossíntese, ou quetem um papel estrutural na célula. Os genes regulatórios são genes cujo produto, RNA ou ptns,interagem com outras sequências e afetam a transcrição ou tradução dessas sequências. Em muitoscasos, os produtos de genes regulatórios são proteínas de ligação ao DNA. Encontraremos tambémelementos regulatórios que são sequências de DNA que não são transcritas, mais tem um papel naregulação de genes. Os elementos regulatórios são comuns tanto em bactérias quanto em em célulaseucarióticas, e grande parte da regulação gênica ocorrem pela ação de ptns produzidas por genesregulatórios que reconhecem elementos regulatórios e ligam-se à eles.Níveis da regulação gênicaA expressão gênica pode ser controlada em qualquer um dos vários pontos ao longo da via moleculardo DNA até a proteína, incluindo a estrutura do gene, transcrição,processamento do mRNA,estabilidade do RNA, tradução e modificações pós traducionais.Regulação da Expressão Gênica em ProcariotosMuitos genes bacterianos que têm funções correlatas são aglomerados e estão sob o controle de umúnico promotor. Esses genes em geral são transcritos juntos em um único mRNA. Um grupo de genesestruturais que são trancritos juntos é chamado de um óperon. O óperon regula a expressão dosgenes estruturais controlando a transcrição, que, nas bactérias, é geralmente o nível mais importantede regulação gênica.Princípio da economia – expressão apenas de genes essenciais ao estado fisiológico atual da célula(p.ex., expressão de enzimas necessárias para metabolização de açucares somente quando estesestão disponíveis no meio).
  3. 3. Estrutura do ÓperonÉ constituído por um grupo de genes ordenados lado a lado que codificam enzimas que trabalhamnuma via metabólica integrada, controladas por um único promotor.Um gene regulador ajuda a controlar a transcrição de genes estruturais do óperon. Embora ele afete ofuncionamento do óperon, o gene regulador não é considerado parte do óperon. O gene regulador temseu próprio promotor que é transcrito em um curto mRNA , que é traduzido em uma pequena proteína.Essa proteína pode se ligar a uma região do DNA chamada de operador, e afeta a ocorrência datranscrição.Controle positivo e negativo: óperons repressíveis e induzíveisNo controle negativo, uma proteína regulatória, chamada de repressor, liga-se ao DNA, inibindo atranscrição.No controle positivo, a proteína regulatória é um ativador, estimulando a transcrição.Os óperons também podem ser induzíveis ou repressíveis. Os óperons induzíveis são aqueles nosquais a transcrição está normalmente desligada(não está ocorrendo); algo deve acontecer parainduzir a transcrição, ou ligá-la. Os óperons repressíveis são aqueles nos quais a transcrição estánormalmente ligada (está ocorrendo); algo deve ocorrer para reprimir a transcrição, ou desligá-la.Óperons induzíveis negativosEm um óperon com controle negativo no sítio operador, a proteína regulatória é um repressor: aliagação da proteína reguladora ao operador inibe a transcrição. Em um opero induzível negativo, atranscrição e tradução do gene regulador produzem um repressor ativo que prontamente se liga aooperador. Como o operador se superpõe ao sítio promotor, a ligação dessa proteína ao operadorbloqueia fisicamente a ligação da RNA pol ao promotor e impede a transcrição.A transcrição é ligada quando uma pequena molécula, um indutor, liga-se ao repressor. A ligação doindutor altera a forma do repressor, impedindo-o de se ligar ao DNA. Quando o indutor está ausente, o
  4. 4. repressor liga-se ao operador e os genes estruturais são transcritos. Geralmente o indutor é umsubstrato, que quando presente, induz a síntese de enzimas que participarão de sua metabolizaçãoas enzimas só são sintetizadas apenas quando seu substrato estiver presenteÓperons repressíveis negativosAlguns óperons com controle negativo são repressíveis, significando que a transcrição ocorrenormalmente e deve ser desligada, ou repremida. A proteína reguladora nesse tipo de óperon tambémé um repressor mas é produzida em uma forma inativa que não pode por si só ligar-se ao operador.Como nenhum repressor está ligado ao operador, a RNA pol prontamente liga-se ao promotor eocorre a transcrição dos genes estruturais. Para desligar a transcrição uma pequena moléculachamada correpressor liga-se ao repressor e o torna apto a se ligar ao operador. Os óperonsrepressíveis geralmente controlam proteínas que fazem biossíntese de moléculas tais comoaminoácidos. Geralmente o produto de uma via metabólica é o correpressor, pois os óperons sãonormalmente desligados quando há quantidades adequadas dos produtos.
  5. 5. Controlole PositivoCom o controle positivo, uma proteína regulatória é um ativador: ela se liga ao DNA(geralmente em outro sítioque não o operador) e estimula a transcrição. O controle positivo pode ser induzível ou repressível. Em umóperon induzível positivo, a transcrição está normalmente desligada, pois a proteína reguladora(um ativador) éproduzida em uma forma inativa. A transcrição ocorre quando um indutor se liga à proteína regulatória(ativador),tornando o regulador ativo. Logicamente =, o indutor deve ser ser o precursor da reação controlada pelo óperonde modo que as enzimas necessárias só sejam sintetizadas quando um substrato para essa reação estiverpresente.Um óperon positivo também pode ser repressível; a transcrição normalmente ocorre e tem que ser reprimida.Nesse caso a proteína reguladora é produzida em uma forma que prontamente se liga ao DNA e estimula atranscrição. A transcrição é inibida quando uma molécula torna-se ligada ao ativador e torna-o incapaz de seligar ao DNA, de modo que a transcrição não é mais estimulada.
  6. 6. O Óperon lac de E.coliA lactose é um dos principais carboidratos encontrados no leite; pode ser metabolizado pela bactéria E. coli, quereside no tubo digestivo dos mamíferos. O óperon lac é um exemplo de um óperon induzível negativo. Asenzimas de metabolização da galactose: β-galactosidase, permease e transacetilase são codifcadas por genesadjacentes no óperon lac de E. coli e têm um promotor comum( claro, é um óperon, dãããã...). quando agalactose está presente, parte dela é convertida em alolactose, que se liga ao repressor e faz com que este sejaliberado do DNA. Na presença de lactose, então, o repressor é inativado, a ligação da RNA pol não é maisbloqueada pelo repressor, e ocorre transcrição do genes estruturais do óperon e produção das enzimas quemetabolizarão a lactose.
  7. 7. O Óperon trp de E. coliO óperon de triptofano(trp) em E. coli, que controla a biossíntese do aminoácido triptofano, é um exmplo deóperon repressível negativo. O óperon trp contêm cinco genes estruturais que produzem os componentes de trêsenzimas. Essas enzimas convertem corismato em triptofano. Quando os níveis de triptofano estão baixos, a RNApol liga-se ao promotor e transcreve os cinco genes estruturais em um único mRNA, que é então é traduzido emenzimas que converte o corismato em triptofano. A alguma distância do óperon trp, encontra-se o generegulador, que codifica um repressor, que sozinho não pode ligar-se ao operador. O triptofano liga-se aorepressor , causando uma mudança conformacional no repressor, o que o torna capaz de se ligar no sítiooperador. Quando o operador está ligado ao repressor, a RNA pol não pode ser ligar ao promotor e os genesestruturais do óperon não são transcritos. Assim quando os níveis de trp estão baixos, a transcrição do óperontrp ocorre e mais trp é sintetizado. Quando os níveis de trp estão altons, a transcrição do óperon é inibida e asíntese de trp não ocorre.
  8. 8. Regulação gênica em eucariotos O chamado RNA de interferência (RNAi) foi descoberto em petúnias, relativamente por acaso. Acabou sendodescrito, com o passar dos anos, como uma importante maquinaria de regulação da expressão gênica em células animais, vegetais e de fungos.
  9. 9. Em organismos eucarióticos multicelulares, a regulação gênica causa a diferenciação celular, em quetodas as células contêm a mesma informação genética, mas apenas um subgrupo de genes éexpresso em cada tipo de célula.Regulações temporais: eucariotos ligam e desligam seus genes em diferentes estágios dodesenvolvimento, de acordo com as exigências particulares de cada estágio do ciclo de vida.Em eucariotos há genes que: • Já funcionaram, e que atualmente não funcionam mais; • Estão em funcionamento; • Ainda irão funcionar; e • Nunca funcionarão num determinado tipo celular. Hormônios, fatores de crescimento, e outras moléculas regulatórias: causam mudanças na expressão gênica de células localizadas à distância. Alguns genes respondem a estímulos externos (ambientais, olfativos, audiovisuais, etc.) – alguns genes de plantas só se expressam na presença de luz. Ritmos biológicos: determinados por regulação de genes através ciclos de expressão determinados por estímulos (ciclo circadiano).
  10. 10. Mudanças na estrutura da cromatina afetam a expressão dos genesUm tipo de controle gênico nas células eucarióticas é feito pela modificação da estrutura do gene.nonúcleo, as proteínas histonas associam-se para formar octâmeros, ao redor dos quais o DNAhelicoidal enrola-se para criar a cromatina. De um modo geral, essa estrutura da cromatina reprime aexpressão gênica. Para que um gene seja transcrito, os fatores de transcrição, ativadores e RNA poldevem se ligar ao DNA. Por isso a estrutura da cromatina muda antes da transcrição, para que o DNAseja mais acessível à maquinaria de transcrição.Modificações de histonasUm tipo de modificação de histona é a adição de grupos metila às caudas das proteínas histonas.Essas modificações podem causar ativação ou repressão da transcrição, dependendo dosaminoácidos em particular na cauda de histona que são metilados.Outro tipo de modificação é a acetilação, que é a adição de grupos acetila(CH3CO) a proteínashistonas pelas enzimas acetiltransferases. A acetilação das histonas geralmente ativam a transcrição.
  11. 11. Remodelamento da cromatinaAlguns fatores de transcrição e outras proteínas regulatórias alteram a estrutura da cromatina semalterar diretamente a estrutura química das histonas. Essas proteínas são chamadas de complexosde remodelamento de cromatina. Elas se ligam diretamente a sítios particulares no DNA ereposicionam os nucleossomos, permitindo que os fatores de transcrição se liguem a promotores einiciem a transcrição.Metilação do DNA (adição de radicais metil (-CH3))Outra mudança na estrutura da cromatina associada à transcrição é a metilação de bases citosina,que produzem 5-metilcitosina. A metilação da citosina no DNA é uma forma distinta da metilação deproteínas histonas, já mencionada. O DNA intensamente metilado está associado à repressão datranscrição, enquanto o DNA transcricionalmente ativo é geralmente não metilado.A metilação do DNA é mais comum em bases citosina adjacentes a guaninas(CpG), assim duascitosinas metiladas ficam diagonalmente opostas uma à outra em filamentos opostos: ... GC... ...CG...Quando os genes não estão sendo transcritos, as regiões ricas em sequências CpG estão em geralmetiladas,mas os grupos metila são removidos antes do início da transcrição. A metilação tambémestá associada à repressão gênica em longo prazo tal como no cromossomo X inativado de fêmeas demamíferos.
  12. 12. Regulação do início da transcrição por fatores de transcrição e proteínas ativadorastranscricionais.As proteínas ativadoras transcricionais estimulam e estabilizam o aparato de transcrição basal nopromotor cerne. Os ativadores podem interagir diretamente com o aparato de transcrição basal ouindiretamente, por meio das proteínas coativadoras. Alguns ativadores e coativadores, bem comofatores gerais de transcrição, também têm atividade de acetiltransferases e assim estimulam atranscrição. As ptns ativadoras ligam-se a sequências consenso no promotor regulador(ouacentuador*) fazendo contato com uma proteína que faz parte do aparato de transcrição basalchamada mediador, para regular a taxa de transcrição .Algumas proteínas regulatórias atuam como repressores, inibindo a transcrição. Esses repressoresligam-se a sequências no promotor regulador ou a sequências distantes chamadas silenciadores; ossilenciadores, assim como os acentuadores*, independem de posição e orientação. Esses repressorespodem competir com ativadores por sítios de ligação ao DNA: quando um sítio é ocupado por umativador, a transcrição é ativada, mas se o repressor ocupa esse sítio, não há ativação.Alternativamente, um repressor pode se ligar a sítios perto de um sítio ativador e impedir que oativador faça contato com o aparato de transcrição basal. Um terceiro mecanismo, é a interferênciadireta com a montagem do aparato de transcrição basal, bloqueando assim, o início da transcrição.* proteínas ativadoras se ligam a acentuadores, que são elementos regulatórios que estão distante dos genescuja transcrição ele estimula.Mecanismos de regulação gênica por RNA de interferência(siRNA)A expressão de vários genes eucarióticos é controlada pelo RNA de interferência, também conhecidocomo RNA de silenciamento e silenciamento gênico pós-transcricional.Pequenos RNA de interferência e microRNA regulam a expressão gênica por pelo menos 4mecanismos distintos: 1-clivagem do mRNA; 2-inibição da tradução; 3-silenciamento transcricional ou4- degradação do mRNA.Clivagem do mRNA
  13. 13. Um complexo proteico chamado RISC que contém um siRNA (e alguns que contêm um miRNA)fazem par com moléculas de mRNA e cortam o mRNA próximo à metade do siRNA ligado. Essaclivagem às vezes é chamada de “slicer activity”. Após a clivagem, o mRNA é mais degradado. Assim,a presença de siRNA e Mirna aumenta a taxa na qual os mRNA são quebrados e diminui a quantidadede proteínas produzida.Inibição da traduçãoAlguns miRNA regulam genes inibindo a tradução de seus mRNA complementares. O mecanismoexato pelo qual os miRNA reprimem a tradução ainda não é conhecido, mas algumas pesquisassugerem que ele pode inibir tanto a etapa de iniciação da tradução e etapas após o início datradução,tais como as etapas que causam término prematuro. Muitos mRNA têm sítios de ligação aoMirna, e a tradução é mais eficientemente inibida quando vários miRNA estão ligados ao mRNA.
  14. 14. Silenciamento transcricionalOutros siRNA silenciam a transcrição alterando a estrutura da cromatina. Esses siRNA combinam-secom proteínas para formar um complexo chamado RITS(de silenciamento transcricinal de RNA), que éanálogo ao RISC. O componente siRNA de um RITS então se liga à sua sequência complementar noDNA ou na molécula de RNA no processo de reprimir a transcrição atraindo enzimas me metilam acauda das proteínas histonas. A adição de grupos metila às histonas faz com que elas se liguem aoDNA mais fortemente, restringindo o acesso de proteínas e enzimas necessárias para fazer atranscrição.O controle do desenvolvimento por RNA de interferênciaGrande parte do desenvolvimento dos eucariontes multicelulares é regulação gênica; genes diferentessão ligados e desligados em épocas específicas. As pesquisas agora demonstram que as moléculasde miRNA são fatores fundamentais no controle do desenvolvimento de plantas, animais e humanos.Controle da expressão durante o início do desenvolvimento:Nenhum mRNA é produzido durante os estágios iniciais do desenvolvimento .As funções celulares sãoespecificadas pelo mRNA materno sintetizado durante a maturação do ovócito primário.Os mRNAs maternos armazenados nos ovócitos sob uma forma inativa (caudas poli-A curtas),após afertilização, os mRNA são ativados pela poliadenilação citoplasmática.Genes homeóticos: genes que expressam fatores de trasncrição determinantes do plano corporalbásico do organismo em desenvolvimento. Os produtos dos genes homeóticos ativam outros genesque codificam as características específicas de cada seguimento do plano corporal, como por exemploos olhos , que normalmente surgem no plano da cabeça. Mutações nos genes homeóticos fazem comque partes do corpo apareçam nos segmentos errados.

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