REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICAJosé Natan

Joselma Lacerda

Laynne Leal

Lissandra Traesel

INTRODUÇÃO Apenas uma fração dos 4.000 genes de um genoma

bacteriano típico ou dos 100.000 genes estimados do genoma humano é expressa em um dado tempo.

- Produtos gênicos - grandes ou pequenas quantidades.

As necessidade para um certo produto gênico se alteram com o tempo.

A regulação da expressão gênica é essencial para célula fazer o melhor uso da energia disponível.

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

A regulação da iniciação da transcrição são os mais bem documentados e mais comuns.

O lugar mais eficiente para regulação é o início da via.

O controle da iniciação da transcrição permite a regulação sincronizada dos genes múltiplos que codificam produtos com atividades interdependentes.

PRINCÍPIOS DA REGULAÇÃO GÊNICA

Expressão gênica constitutiva – expressos em níveis constantes em quase todas as células.

Ex: Genes do ciclo do ácido cítrico

Expressão gênica regulada - ou em resposta a sinais moleculares.

Indução Repressão

Ex: Reparo do DNA Triptofano

A RNA POLIMERASE LIGA-SE AO DNA NOS PROMOTORES

A regulação da iniciação da transcrição frequentemente impõe alterações em como a RNA polimerase interage com o promotor.

Na ausência de proteínas reguladoras, diferenças nas sequencias de dois promotores podem afetar a frequência da iniciação da transcrição.

Mutações que se afastam da sequência consenso a função promotora.

Mutações que se aproximam da sequência consenso a função promotora.

A INICIAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO É REGULADA POR PROTEÍNAS QUE SE LIGAM

AOS PROMOTORES OU PRÓXIMO A ELES

Fatores de especificidade Repressores Ativadores

A subunidade σ da holoenzima da RNA polimerase da E. coli é um fator de especificidade que medeia o reconhecimento e a ligação ao promotor.

A maioria dos promotores da E. coli é reconhecida pela subunidade σ70

estresse térmico

Subunidades σ70 substituídas por outro fator de especificidade σ32

RNA polimerase

Direcionada a um conjunto de promotores especializados com uma sequencia consenso diferente

Promotores controlam a expressão de um conjunto de genes que codificam a resposta ao choque térmico

Repressores ligam-se a sítios específicos do DNA (operadores)

Bloqueia

Ligação da RNA polimerase

Efetor

REGULAÇÃO NEGATIVA

+ repressor = mudança conformacional

Aumento ou diminuição da transcrição

Ativadores ligam-se ao DNA

Aumenta

Atividade da RNA polimerase em um promotor

REGULAÇÃO POSITIVA

Influenciando a taxa de transcrição em um promotor

Moléculas sinalizadores aumentam ou diminuem a transcrição, dependendo de como elas afetam o ativador

A MAIORIA DOS GENES PROCARIÓTICOS SÃO REGULADOS EM UNIDADES CHAMADAS DE OPERONS

François Jacob e Jaques Monod (1960)- estudos da regulação do metabolismo da lactose na E. coli, que pode usar a lactose como fonte única de carbono.

A maioria dos mRNAs procarióticos é policistrônico e o promotor único que inicia a transcrição do agregado é o sítio de regulação para expressão de todos os genes.

Grupamento de genes + promotor + sequencias reguladoras operon

O OPERON LAC ESTÁ SUJEITO À REGULAÇÃO NEGATIVA

Estudo de mutantes do operon lac

Ausência da lactose – genes do operon lac reprimidos Mutações no operador ou no gene I – síntese

constitutiva de produtos gênicos Gene I codifica proteína repressora – repressor Lac

O OPERON LAC ESTÁ SUJEITO À REGULAÇÃO NEGATIVA

O repressor Lac liga-se mais fortemente ao operador

principal O1. Possui 2 sítios de ligação secundários O2 e

O3 (pseudo-operadores).

O gene I é transcrito a partir do seu próprio promotor P1, independentemente dos genes do operon lac.

Para reprimir o operon, o repressor Lac liga-se ao operador principal e um dos sítios secundários, fazendo uma alça.

O OPERON LAC ESTÁ SUJEITO À REGULAÇÃO NEGATIVA

Quando as células são providas com lactose, o operon lac é induzido.

Sinal + repressor Lac mudança conformacional

Dissociação do repressor do operador

Isopropiltiogalactosídeo (IPTG) é um indutor efetivo e não metabolizável do operon lac.

Proteínas reguladoras possuem domínios discretos de ligação ao DNA

Proteínas reguladoras ligam-se a sequências específicas do DNA.

- Afinidade 104 a 106 vezes maior

A maioria das proteínas reguladoras possuem domínios discretos de ligação do DNA, contendo sub estruturas que interagem íntima e especificamente com o DNA.

Reconhecer as características da superfície do DNA

Proteínas reguladoras possuem domínios discretos de ligação ao DNA

A maioria dos grupos químicos que diferem entre as quatro bases e permitem a discriminação entre os pares de bases são os grupos doadores e aceptores de ponte de hidrogênio, e a maioria dos contatos proteínas-DNA que transmitem especificidade são pontes de hidrogênio.

Proteínas reguladoras possuem domínios discretos de ligação ao DNA

Uma proteína pode reconhecer cada par de base de maneiras múltiplas, levando à conclusão que não existe nenhum código simples aminoácido-base.

REGULAÇÃO DA

EXPRESSÃO GÊNICA EM

PROCARIOTOS

E. coli

Condições nutricionais

Genes

Ativação Repressão

OPERON mRNA policistrônico

PROTEÍNAS

mRNA Policistrônico

Genes constitutivo

s

Genes que são constantemente

expressos

Genes induzíveis

Genes cuja expressão varia

de acordo com as condições da

célula

Organização na Forma de Operons

TerminadorPromotor/operador Regiões Codificadoras

OPERON

E. coliRNA MENSAGEIROPOLICISTRÔNICO

25

Controle por ativadores e repressores

• Indução• Repressão

CONTROLEPOSITIVO

Ativador ligado facilita a

transcrição

• Indução• Repressão

CONTROLE NEGATIVO

Repressor ligado inibe a

transcrição

26

Indução

REGULAÇÃO NEGATIVARepressor ligado inibe a transcrição

REPRESSOR INATIVO

indutor

28

Repressão

REGULAÇÃO NEGATIVARepressor ligado inibe a transcrição

REPRESSOR INATIVO

Co-repressor

29

Indução

REGULAÇÃO POSITIVAAtivador ligado facilita a transcrição

ATIVADOR INATIVADO

INDUTOR

30

Repressão

REGULAÇÃO POSITIVAAtivador ligado facilita a transcrição

ATIVADOR INATIVADO

Co-repressor

31

Operon da Lactose

Regulação

Gênica em

E.coli

32

PERMEASE

TRANSACETILASE

-GALACTOSIDADE

Operon da Lactose - Enzimas

34

A lactose induz a síntese de enzimas envolvidas no seu próprio metabolismo

PERMEASE

CITOPLASMA

PERIPLASMA

Enzimas

35

Transporta lactose

Enzimas

-Galactosidase36

Clivagem da lactose

Regulação do Operon lac

CONTROLE

NEGATIVO

REPRESSOR

CONTROLE POSITIVO

COMPLEXO CAP:cAMP

37

38

Controle positivo do operon lac

Glicose

AMPc

CAP Proteína ativadora de catabólito

42

SITIOS DE CONTROL

E

GENES ESTRUTURAIS

GENE REGULAD

OR

O CONTROLE DO OPERON DA ARABINOSE

ENZIMAS ENVOLVIDAS NO METABOLISMO DA ARABINOSE

RIBULOSE - QUINASEARABINOSE – ISOMERASE

RIBULOSE – 5 – FOSFATO - ISOMERASE

OPERON

BAD

44

trpR P\O trpE trpD trpC trpB trpA ter

Repressor Triptofano+

Regulação do Operon do Triptofano

47

Controle da tradução de operons de proteínas ribossômicas

50

RESPOSTA ESTRIGENTE

Regulação da expressão gênica em eucariotos

Iniciação da transcrição

Regulação da expressão gênica

Estado transcricional basal atividade dos promotores e o mecanismo trancricional in vivo na ausência de proteínas reguladoras.

Eucariotos ausência de proteínas reguladoras

promotores inativos

Características que distinguem a regulação da expressão gênica dos eucariotos e das bactérias:

• O acesso aos promotores eucariotos é restringido pela estrutura da cromatina;

• Os pontos positivos reguladores predominam todos os sistemas;

• As células eucarióticas possuem proteínas reguladoras multiméricas maiores a mais complexas do que as bactérias;

• A transcrição no núcleo eucarioto é separada da tradução no citoplasma, em espaço e tempo;

A cromatina transcricionalmente ativa é estruturalmente distinta da cromatina inativa

Heterocromatina

• 10% da cromatina mais condensada

Eucromatina

• Restante menos condensada

Eucromativa ativa, em parte mais relaxada

A cromativa transcricionalmente ativa tende a ser deficiente em histona H1, a qual se liga ao DNA, e é enriquecida com histonas variantes H3.3 e H2AZ.

Heterocromatina inativa.

Cada histona central possui dois domínios estruturais:

Um domínio central está envolvido na interação histona-histona e no enrolamento do DNA ao redor do nucleossomo.

O domínio aminoterminal rico em lisina está posicionado perto do exterior das partículas de nucleossomos; as modificações covalentes ocorrem em resíduos específicos.

A cromatina é remodelada por acetilação e deslocamento/reposicionamento dos

nucleossomos

Mudanças estruturais na cromatina associadas a

transcrição

Remodelagem da cromatina

A acetilação e a metilação de histonas aparecem proeminentemente nos processos que ativam a cromatina para a transcrição.

Metilaçãoes

Ligação histona-acetiltransferase

Enzimas que

acetilam resíduos

específicos de Lys

A acetilação de múltiplos resíduos de Lys nos domínios amino-terminais das histonas H3 e H4 pode reduzir a afinidade de todo o nucleossomo pelo DNA.

Quando a transcrição de um gene não é mais necessária, a extensão da acetilação dos nucleossomos naquela vizinhança é reduzida pela atividade de histona-desacetilases.

Complexos de enzimas que movem ou deslocam os nucleossomos ativamente:

O complexo SWI/SNF contém 6 polipeptídeos centrais que juntos remodelam a cromatina, deixando-os mais espaçados e propiciando a ligação dos fatores de transcrição.

NURF remodela a cromatina de forma a complementar e sobrepor-se a atividade da SWI/SNF.

SWR1 estão envolvidos na deposição da histona variante H2AZ na cromatina transcricionalmente ativa.

Muitos promotores são positivamente regulados

grande tamanho

dos genomas

eucarióticos

maior eficiência da

regulação positiva

preferência da

regulação positiva

A especificidade da ativação transcricional pode ser melhorada se cada uma das várias proteínas reguladores positivas precisar se ligar a sequencia específica de DNA e então formar um complexo para se tornar ativa.

Ativadores de ligação ao DNA e coativadores facilitam a reunião de fatores gerais de

transcrição

As sequencias reguladoras são chamadas de intensificadores em eucariotos superiores e sequencias ativadoras a montante em leveduras.

O sucesso da ligação da haloenzima RNA-polimerase II ativa a um de seus promotores geralmente requer a ação de outras proteínas: Ativadores de transcrição; Proteinas de modificação e remodelagem da cromatina; Coativadores; Fatores de transcrição basais;

Ativadores de transcrição

Alguns intensificadores ligados por ativadores estão longe do TATA box do promotor e em muitos casos a resposta parece ser a formação de uma alça com o DNA interveniente, para que vários complexos de proteínas possam interagir.

Estas proteínas pertencem ao grupo de alta mobilidade e desempenham um papel estrutural importante na remodelagem da cromatina e na ativação trancricional.

Complexos proteicos coativadores

Atuam como intermediários entre os ativadores de transcrição e o complexo de Pol II.

O principal coativador eucariótico consiste em 20 a 30 polipeptídeos , em um complexo proteico denominado mediador.

Complexo mediador

Transcrição basal

Transcrição regulada junto a promotores

Estimula a fosforilação do CTD pelo TFIIH.

Proteína de ligação a TATA

O primeiro componente a se ligar ao complexo de pré-iniciação (PIC) no TATA box de um promotor Pol II típico é a proteína de ligação a TATA (TBP).

Esse arranjo é muitas vezes insuficiente para a iniciação da transcrição, e geralmente não se forma se o acesso ao promotor for dificultado por estar dentro da cromatina

A coreografia de ativação trancricional

A remodelagem da cromatina acontece em estágios . Um ativador ligado pode mover outros componentes necessários para uma remodelagem maior da cromatina e permitir a transcrição de genes específicos.

Ativação transcricional reversível

Quando o hormônio esteroide que funcionam como ativadores da transcrição estiver ausente, as proteínas receptoras revertem para uma conformação repressora, impedindo a formação de PICs.

O mediador, quando inclui subunidades inibidoras, pode bloquear a iniciação da transcrição.

Figura

Os genes do metabolismo da galactose em leveduras estão sujeitos tanto a regulação

positiva quanto a negativa

Cada um dos genes GAL é transcrito separadamente, entretanto, todos os genes possuem promotores semelhantes e são regulados coordenadamente por um conjunto de proteínas.

Ativadores da transcrição possuem uma estrutura modular

Ativadores de transcrição possuem um domínio estrutura distinto para a ligação específica ao DNA e um ou mais domínios adicionais para a ativação transcricional ou para interação com outras proteínas reguladoras.

A interação de duas proteínas reguladoras é mediadas por domínios:• Gal4p – funciona como um homodímero e se liga a UASg,

uma sequencia palindromica de DNA com cerca de 17 pb de comprimento.

• Sp1 – é um ativador de transcrição para um grande número de genes em eucariotos superiores

• CTF1 – seu mecanismo de ligação com o DNA ainda não está claro. Possui um domínio de ativação rico em prolinas.

A EXPRESSÃO GÊNICA

EUCARIOTICA PODE SER

REGULADA POR SINAIS

INTERCELULARES E

INTRACELULARES

REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA

Hormônios esteróides, da tireóide e retinoides

Modulação de proteínas reguladoras eucarióticas

Interação direta com os sinais moleculares

REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA

Elementos de resposta a hormômios (HRE)

Semelhanças: - comprimento; - arranjo

Diferença: - sequências para diferentes

hormônios

Alteração da expressão gênica específica de determinado hormônios pelo complexo

hormônio receptor

Alteração da

Expressão gênica

N° de elementos

(HRE) associados ao

gene

Sequência exata (HRE)

Posição em relação ao

gene

A REGULAÇÃO PODE RESULTAR DA

FOSFORILAÇÃO DOS FATORES DE TRASCRIÇÃO

NUCLEAR

Esse mecanismo geral medeia os efeitos de muitos hormônios não esteróides

Efeitos da insulina sobre a expressão gênica

Leva a ativação de uma proteína cinase no núcleo

Proteína cinase fosforila proteínas específicas de ligação ao DNA

Capacidade de ação como fator de transcrição alterada

MUITOS RNAms EUCARIÓTICOS ESTÃO

SUJEITOS A REPRESSÃO TRADUCIONAL

1° Mecanismo:Principais mecanismos de regulação traducional

Fatores de iniciação da tradução estão sujeitos a fosforilação por proteínas-cinases

Formas fosforiladas

Menos ativas

Repressão geral da

tradução na celula

2° mecanismo

Figura 28.35

Principais mecanismos de regulação traducional

3° mecanismo

Figura 27.27

Principais mecanismos de regulação traducional

O SILENCIAMENTO GÊNICO PÔS TRANSCRICIONAL É MEDIADO POR RNA DE

INTERFERÊNCIA

Presente em eucariotos superiores: Nematoides, moscaa-das-frutas, plantas e

mamíferos

Micro-RNA (miRNA)

Interagem com o RNAm

Degradação do RNAm

Inibição da tradução

Controla o ritmo do desenvolvimento em alguns organismos

Protege contra invasão de vírus RNA

Pequenos RNAs temporais (sRNAts. de small temporal)

Micro-RNA (miRNA)

FIGURA 28.36

Interferência de RNA

O DESENVOLVIMENTO É CONTROLADO POR

CASCATAS DE PROTEÍNAS REGULADORAS

Os padrões de regulação gênica que determinam o desenvolvimento do zigoto em um animal é diferente do de uma planta multicelular

O desenvolvimento exige mudança precisamente coordenada na expressão gênica

Estudo do desenvolvimento em laboratório Nematóides, mosca-das-frutas, peixe zebra,

camundongos e a planta arabidopsis

FIGURA 28-37

Ciclo de vida da mosca-das-frutas

Produtos de genes reguladores de padrão

Proteína que induzem o tecido próximo a tomar uma forma de estrutura peculiar

Genes maternos

Genes de segmentação

Genes homeóticos

Morfógenos

Expresso no ovo não fertilizado

RNAms maternos dormentes até a fertilização

Suprem a maioria das proteínas necessárias bem no início do desenvolvimento

os produtos desses genes estabelecem os eixos dorsoventral e anteroposterior

Genes maternos

Transcritos após a fertilização

Dirigem a formação do numero apropriado de segmentos corporais

Genes de ação em estados sucessivos Genes de lacunas

• Divisão do embrião em desenvolvimento

• É geralmente regulada pelos produtos de um ou mais genes maternos

• Codificam fatores de transcrição que afeta outros genes de

segmentação

Genes organizadores de pares e Genes de polaridade do segmento

Formam listras de segmento

Genes de segmentação

Genes Hox “homeobox”

Especificam quais órgãos ou apêndices se desenvolverão em determinados segmentos do corpo.

Estão organizados em agrupamentos genômicos.

Genes homeóticos

Figura 28-42

Genes homeóticos

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