Regulação da expressão gênica em procariotos

Priscila Rodrigues de Souza

Existe um balanço entre a quantidade e tipos de produtos sintetizados (taxa de síntese) e a quantidade e tipos de produtos gênicos degradados (taxa de degradação).

Em bactérias, a regulação gênica mantém a flexibilidade interna, ligando e desligando genes em resposta a mudanças ambientais. Em organismos eucarióticos multicelulares, a regulação gênica causa a diferenciação celular, em que todas as células contêm a mesma informação genética, mas apenas um subgrupo de genes é expresso em cada tipo de célula.

Genes e elementos regulatórios

Ao considerarmos a regulação gênica tanto em procariotos quanto em eucariotos, devemos distinguir entre as sequências de DNA que são transcritas e as sequências de DNA que regulam a expressão de outras sequências.

Os genes estruturais codificam proteínas que são utilizadas no metabolismo ou biossíntese, ou que tem 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 muitos casos, os produtos de genes regulatórios são proteínas de ligação ao DNA. Encontraremos também elementos regulatórios que são sequências de DNA que não são transcritas, mais tem um papel na regulação de genes. Os elementos regulatórios são comuns tanto em bactérias quanto em em células eucarióticas, e grande parte da regulação gênica ocorrem pela ação de ptns produzidas por genes regulatórios que reconhecem elementos regulatórios e ligam-se à eles.

Níveis da regulação gênica

A expressão gênica pode ser controlada em qualquer um dos vários pontos ao longo da via molecular do 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 Procariotos

Muitos genes bacterianos que têm funções correlatas são aglomerados e estão sob o controle de um único promotor. Esses genes em geral são transcritos juntos em um único mRNA. Um grupo de genes estruturais que são trancritos juntos é chamado de um óperon. O óperon regula a expressão dos genes estruturais controlando a transcrição, que, nas bactérias, é geralmente o nível mais importante de 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 estes estão disponíveis no meio).

Estrutura do Óperon

É constituído por um grupo de genes ordenados lado a lado que codificam enzimas que trabalham numa via metabólica integrada, controladas por um único promotor.

Um gene regulador ajuda a controlar a transcrição de genes estruturais do óperon. Embora ele afete o funcionamento do óperon, o gene regulador não é considerado parte do óperon. O gene regulador tem seu 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 da transcrição.

Controle positivo e negativo: óperons repressíveis e induzíveis

No controle negativo, uma proteína regulatória, chamada de repressor, liga-se ao DNA, inibindo a transcrição.

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 nos quais a transcrição está normalmente desligada(não está ocorrendo); algo deve acontecer para induzir a transcrição, ou ligá-la. Os óperons repressíveis são aqueles nos quais a transcrição está normalmente ligada (está ocorrendo); algo deve ocorrer para reprimir a transcrição, ou desligá-la.

Óperons induzíveis negativos

Em um óperon com controle negativo no sítio operador, a proteína regulatória é um repressor: a liagação da proteína reguladora ao operador inibe a transcrição. Em um opero induzível negativo, a transcrição e tradução do gene regulador produzem um repressor ativo que prontamente se liga ao operador. Como o operador se superpõe ao sítio promotor, a ligação dessa proteína ao operador bloqueia 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 do indutor altera a forma do repressor, impedindo-o de se ligar ao DNA. Quando o indutor está ausente, o

repressor liga-se ao operador e os genes estruturais são transcritos. Geralmente o indutor é um substrato, que quando presente, induz a síntese de enzimas que participarão de sua metabolização as enzimas só são sintetizadas apenas quando seu substrato estiver presente

Óperons repressíveis negativos

Alguns óperons com controle negativo são repressíveis, significando que a transcrição ocorre normalmente e deve ser desligada, ou repremida. A proteína reguladora nesse tipo de óperon também é 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 e ocorre a transcrição dos genes estruturais. Para desligar a transcrição uma pequena molécula chamada correpressor liga-se ao repressor e o torna apto a se ligar ao operador. Os óperons repressíveis geralmente controlam proteínas que fazem biossíntese de moléculas tais como aminoácidos. Geralmente o produto de uma via metabólica é o correpressor, pois os óperons são normalmente desligados quando há quantidades adequadas dos produtos.

Controlole Positivo

Com o controle positivo, uma proteína regulatória é um ativador: ela se liga ao DNA(geralmente em outro sítio que não o operador) e estimula a transcrição. O controle positivo pode ser induzível ou repressível. Em um óperon induzível positivo, a transcrição está normalmente desligada, pois a proteína reguladora(um ativador) é produzida 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 óperon de modo que as enzimas necessárias só sejam sintetizadas quando um substrato para essa reação estiver presente.

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 a transcrição. A transcrição é inibida quando uma molécula torna-se ligada ao ativador e torna-o incapaz de se ligar ao DNA, de modo que a transcrição não é mais estimulada.

O Óperon lac de E.coli

A lactose é um dos principais carboidratos encontrados no leite; pode ser metabolizado pela bactéria E. coli, que reside no tubo digestivo dos mamíferos. O óperon lac é um exemplo de um óperon induzível negativo. As enzimas de metabolização da galactose: β-galactosidase, permease e transacetilase são codifcadas por genes adjacentes no óperon lac de E. coli e têm um promotor comum( claro, é um óperon, dãããã...). quando a galactose está presente, parte dela é convertida em alolactose, que se liga ao repressor e faz com que este seja liberado do DNA. Na presença de lactose, então, o repressor é inativado, a ligação da RNA pol não é mais bloqueada pelo repressor, e ocorre transcrição do genes estruturais do óperon e produção das enzimas que metabolizarão a lactose.

O Óperon trp de E. coli

O óperon de triptofano(trp) em E. coli, que controla a biossíntese do aminoácido triptofano, é um exmplo de óperon repressível negativo. O óperon trp contêm cinco genes estruturais que produzem os componentes de três enzimas. Essas enzimas convertem corismato em triptofano. Quando os níveis de triptofano estão baixos, a RNA pol liga-se ao promotor e transcreve os cinco genes estruturais em um único mRNA, que é então é traduzido em enzimas que converte o corismato em triptofano. A alguma distância do óperon trp, encontra-se o gene regulador, que codifica um repressor, que sozinho não pode ligar-se ao operador. O triptofano liga-se ao repressor , causando uma mudança conformacional no repressor, o que o torna capaz de se ligar no sítio operador. Quando o operador está ligado ao repressor, a RNA pol não pode ser ligar ao promotor e os genes estruturais do óperon não são transcritos. Assim quando os níveis de trp estão baixos, a transcrição do óperon trp ocorre e mais trp é sintetizado. Quando os níveis de trp estão altons, a transcrição do óperon é inibida e a síntese de trp não ocorre.

Regulação gênica em eucariotos

O chamado RNA de interferência (RNAi) foi descoberto em petúnias, relativamente por acaso. Acabou sendo descrito, com o passar dos anos, como uma importante maquinaria de regulação da expressão gênica em células

animais, vegetais e de fungos.

Em organismos eucarióticos multicelulares, a regulação gênica causa a diferenciação celular, em que todas as células contêm a mesma informação genética, mas apenas um subgrupo de genes é expresso em cada tipo de célula.

Regulações temporais: eucariotos ligam e desligam seus genes em diferentes estágios do desenvolvimento, 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).

Mudanças na estrutura da cromatina afetam a expressão dos genes

Um tipo de controle gênico nas células eucarióticas é feito pela modificação da estrutura do gene.no núcleo, as proteínas histonas associam-se para formar octâmeros, ao redor dos quais o DNA helicoidal enrola-se para criar a cromatina. De um modo geral, essa estrutura da cromatina reprime a expressão gênica. Para que um gene seja transcrito, os fatores de transcrição, ativadores e RNA pol devem se ligar ao DNA. Por isso a estrutura da cromatina muda antes da transcrição, para que o DNA seja mais acessível à maquinaria de transcrição.

Modificações de histonas

Um 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 dos aminoácidos 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 proteínas histonas pelas enzimas acetiltransferases. A acetilação das histonas geralmente ativam a transcrição.

Remodelamento da cromatina

Alguns fatores de transcrição e outras proteínas regulatórias alteram a estrutura da cromatina sem alterar diretamente a estrutura química das histonas. Essas proteínas são chamadas de complexos de remodelamento de cromatina. Elas se ligam diretamente a sítios particulares no DNA e reposicionam os nucleossomos, permitindo que os fatores de transcrição se liguem a promotores e iniciem 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 de proteínas histonas, já mencionada. O DNA intensamente metilado está associado à repressão da transcrição, enquanto o DNA transcricionalmente ativo é geralmente não metilado.

A metilação do DNA é mais comum em bases citosina adjacentes a guaninas(CpG), assim duas citosinas 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 geral metiladas,mas os grupos metila são removidos antes do início da transcrição. A metilação também está associada à repressão gênica em longo prazo tal como no cromossomo X inativado de fêmeas de mamíferos.

Regulação do início da transcrição por fatores de transcrição e proteínas ativadoras transcricionais.

As proteínas ativadoras transcricionais estimulam e estabilizam o aparato de transcrição basal no promotor cerne. Os ativadores podem interagir diretamente com o aparato de transcrição basal ou indiretamente, por meio das proteínas coativadoras. Alguns ativadores e coativadores, bem como fatores gerais de transcrição, também têm atividade de acetiltransferases e assim estimulam a transcrição. As ptns ativadoras ligam-se a sequências consenso no promotor regulador(ou acentuador*) fazendo contato com uma proteína que faz parte do aparato de transcrição basal chamada mediador, para regular a taxa de transcrição .

Algumas proteínas regulatórias atuam como repressores, inibindo a transcrição. Esses repressores ligam-se a sequências no promotor regulador ou a sequências distantes chamadas silenciadores; os silenciadores, assim como os acentuadores*, independem de posição e orientação. Esses repressores podem competir com ativadores por sítios de ligação ao DNA: quando um sítio é ocupado por um ativador, 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 o ativador faça contato com o aparato de transcrição basal. Um terceiro mecanismo, é a interferência direta 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 genes cuja 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 conhecido como RNA de silenciamento e silenciamento gênico pós-transcricional.

Pequenos RNA de interferência e microRNA regulam a expressão gênica por pelo menos 4 mecanismos distintos: 1-clivagem do mRNA; 2-inibição da tradução; 3-silenciamento transcricional ou 4- degradação do mRNA.

Clivagem do mRNA

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. Essa clivagem 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 quantidade de proteínas produzida.

Inibição da tradução

Alguns miRNA regulam genes inibindo a tradução de seus mRNA complementares. O mecanismo exato pelo qual os miRNA reprimem a tradução ainda não é conhecido, mas algumas pesquisas sugerem que ele pode inibir tanto a etapa de iniciação da tradução e etapas após o início da tradução,tais como as etapas que causam término prematuro. Muitos mRNA têm sítios de ligação ao Mirna, e a tradução é mais eficientemente inibida quando vários miRNA estão ligados ao mRNA.

Silenciamento transcricional

Outros siRNA silenciam a transcrição alterando a estrutura da cromatina. Esses siRNA combinam-se com proteínas para formar um complexo chamado RITS(de silenciamento transcricinal de RNA), que é análogo ao RISC. O componente siRNA de um RITS então se liga à sua sequência complementar no DNA ou na molécula de RNA no processo de reprimir a transcrição atraindo enzimas me metilam a cauda das proteínas histonas. A adição de grupos metila às histonas faz com que elas se liguem ao DNA mais fortemente, restringindo o acesso de proteínas e enzimas necessárias para fazer a transcrição.

O controle do desenvolvimento por RNA de interferência

Grande parte do desenvolvimento dos eucariontes multicelulares é regulação gênica; genes diferentes são ligados e desligados em épocas específicas. As pesquisas agora demonstram que as moléculas de 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 são especificadas 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 a fertilização, os mRNA são ativados pela poliadenilação citoplasmática.

Genes homeóticos: genes que expressam fatores de trasncrição determinantes do plano corporal básico do organismo em desenvolvimento. Os produtos dos genes homeóticos ativam outros genes que codificam as características específicas de cada seguimento do plano corporal, como por exemplo os olhos , que normalmente surgem no plano da cabeça. Mutações nos genes homeóticos fazem com que partes do corpo apareçam nos segmentos errados.