12 Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos

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Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 335 
A proteína repressora controla o óperon lac 
fac 
DNA y A DNA 
Repressor ~-galactosidase Permease Transacetilase 
Figura 11.4 Um modelo simplificado do óperon fac. A expressão coordenada dos genes Z, Y e A está sob controle negativo do produto 
do gene /, o repressor. Quando o indutor se liga ao repressor, o óperon é totalmente expresso. 
Componentes reguladores do sistema /ac. Os principais 
componentes reguladores do sistema metabólico da lactose 
incluem um gene que codifica uma proteína reguladora da 
transcrição e dois sítios de ligação no DNA: um para a proteí-
na reguladora e outro para a RNA polimerase. 
1. O gene para o repressor Lac. Um quarto gene (além dos 
genes estruturais Z, Y e A), o gene I, codifica a proteína 
repressora Lac, assim denominada porque pode bloque-
ar a expressão dos genes Z, Y e A. O gene I está mapea-
do perto dos genes Z, Y e A, mas essa proximidade não 
é importante para sua função porque ele codifica uma 
proteína difundível. 
2. O sítio do promotor lac. O promotor (P) é o sítio no DNA 
ao qual se liga a RNA polimerase para iniciar a transcrição 
dos genes estruturais lac (Z, Y e A). 
3. O sítio operador lac. O operador (O) é o sítio do DNA 
ao qual se liga o repressor Lac. Ele está situado entre o 
promotor e o gene Z, perto do ponto no qual começa a 
transcrição do mRNA multigênico. 
A ladose é degradada em dois açúcares 
Ligação ~-galactosídio 
J-uf 
O OH 
OH HOCH2 
Lactose 
OH 
~-galactosidase 
H20 
HOCH2 
HO f-----U 
OH 
OH 
Galactose 
OH 
Glicose 
Figura 11.5 O metabolismo da lactose. A enzima 13-galactosidase 
catai isa uma reação na qual a água é adicionada à 1 igação 13-galac-
tosídio para degradar a lactose em glicose e galactose. 
A indução do sistema /ac. Os segmentos P, O, Z, Y e A (mos-
trados na Figura 11.6) constituem um óperon, definido como 
um segmento de DNA que codifica um mRNA multigênico, 
bem como um promotor comum adjacente e uma região 
reguladora. O gene lacI, que codifica o repressor Lac, não 
é considerado parte do óperon "fac, mas a interação entre o 
repressor Lac e o sítio operador lac é crucial para a regulação 
apropriada do óperon lac. O repressor Lac tem um sítio de 
ligação ao DNA que pode reconhecer a sequência do DNA 
operador e um sítio alostérico que liga a lactose ou análogos 
dela que são úteis experimentalmente. O repressor liga-se ao 
sítio no DNA perto dos genes que está controlando, e não a 
outros sítios distribuídos por todo o cromossomo. Ligando-
se ao operador, o repressor impede a transcrição pela RNA 
polimerase que se ligou ao sítio promotor adjacente; o óperon 
lac é "desligado". 
Quando a lactose ou seus análogos se ligam à proteína 
repressora, a proteína sofre uma transição alostérica, uma 
mudança de forma. Essa leve alteração na forma, por sua vez, 
altera o sítio de ligação ao DNA, de modo que o repressor 
não tem mais alta afinidade pelo operador. Assim, em res-
posta à ligação de lactose, o repressor sai do DNA: o óperon 
lac é "ligado". A resposta do repressor à lactose satisfaz um 
requisito para tal sistema de controle - que a presença de 
lactose estimula a síntese dos genes necessários para seu pro-
cessamento. O alívio da repressão por sistemas como o "fac é 
chamado de indução. A lactose e seus análogos que inativam 
alostericamente o repressor e levam à expressão dos genes 
lac são chamados de indutores. 
Vamos resumir como funciona o interruptor "fac. Na ausên-
cia de um indutor (lactose ou um análogo), o repressor Lac 
liga-se ao sítio operador lac e impede a transcrição do ópe-
ron lac, bloqueando o movimento da RNA polimerase. Nesse 
sentido, o repressor Lac atua como um bloqueio no DNA. 
Consequentemente, todos os genes estruturais do óperon 
lac (os genes Z, Y e A) são reprimidos, e não há 13-galacto-
sidase, 13-galactosídio permease ou transacetilase na célula. 
Em contraste, quando um indutor está presente, ele se liga 
ao sítio alostérico de cada subunidade repressora Lac, ina-
336 Introdução à Genética 
O óperon fac é transcrito apenas na presença de lactose 
(a) Sem lactose 
I p 
ANA polimerase ~ 
DNA • • • 
t 
mANA .... ~ 
! 
Polipeptídio ~ 
Dobramento ! 
Proteína 
repressora 
(b) Lactose presente 
I p 
ANA polimerase ~ 
DNA 
t 
mANA - ~ 
! 
Polipeptídio ~! 
Dobramento 
Proteína 
repressora O Lactose 
Óperon 
o z y A 
Genes estruturais 
)li 
' Operon 
o z y A 
Genes estruturais 
mANA 
mANA 
Meio 
/ºº 
OOo 
~-galactosidase Permease Transacetilase 
Figura 11.6 Regulação do óperon fac. O gene / faz continuamente o repressor. (a) Na ausência de lactose, o repressor liga-se à região 
O (operador) e bloqueia a transcrição. (b) A ligação de lactose muda a forma do repressor; logo, o repressor não se liga mais a O e sai do 
DNA. A RNA polimerase é então capaz de transcrever os genes estruturais Z, Y e A, e, assim, as três enzimas são produzidas. 
tivando assim o sítio que se liga ao operador. O repressor 
Lac sai do DNA, permitindo que comece a transcrição dos 
genes estruturais do óperon lac. As enzimas f3-galactosidase, 
f3-galactosídio permease e transacetilase agora aparecem na 
célula de um modo coordenado. Assim, quando a lactose está 
presente no ambiente de uma célula bacteriana, ela produz as 
enzimas necessárias para metabolizá-la. Porém, na ausência 
de lactose, os recursos não são gastos. 
11.2 Descoberta do sistema /ac: 
controle negativo 
Para estudar a regulação gênica, idealmente precisamos de 
três ingredientes: uma análise bioquímica que quantifique 
o mRNA e/ ou a proteína expressos, condições confiáveis 
em que os níveis de expressão difiram em um genótipo 
do tipo selvagem; e mutações genéticas que perturbem os 
níveis de expressão. Em outras palavras, precisamos de um 
modo para descrever a regulação gênica do tipo selvagem 
e de mutações que possam perturbar o processo regulador 
do tipo selvagem. Com esses elementos em mãos, podemos 
analisar a expressão nos genótipos mutantes, tratando as 
mutações isoladamente e em combinação, para desvendar 
qualquer tipo de evento de regulação gênica. A aplicação 
clássica desse enfoque foi usada por Jacob e Monod, que 
fizeram os estudos definitivos da regulação gênica bacte-
• riana. 
Jacob e Monod usaram o sistema de metabolismo da lacto-
se de E. coli (veja a Figura 11.4) para dissecar geneticamente 
o processo de indução enzimática - isto é, o aparecimento 
de uma enzima específica apenas na presença de seus subs-
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 337 
tratos. Esse fenômeno foi observado nas bactérias por muitos 
anos, mas como uma célula podia "saber" exatamente que 
enzimas sintetizar? Como determinado substrato podia indu-
zir o surgimento de uma enzima específica? 
No sistema lac, a presença do indutor lactose faz com que 
as células produzam mais de 1.000 vezes a enzima í3-galacto-
sidase do que o faziam quando cultivadas na ausência de lac-
tose. Que papel o indutor tem no fenômeno da indução? Uma 
ideia era a de que o indutor fosse simplesmente ativador de 
um precursor de í3-galactosidase que se tinha acumulado na 
célula. Entretanto, quando Monod e colaboradores seguiram 
o destino de aminoácidos marcados radioativamente adicio-
nados a células em crescimento antes ou depois do acréscimo 
de um indutor, descobriram que a indução resultava na sín-
tese de novas moléculas de enzimas, como indicado pela pre-
sença de aminoácidos radioativos nas enzimas. Essas novas 
moléculas podiam ser detectadas até 3 min após o acréscimo 
de um indutor. Além disso, a ausência do indutor causava 
uma parada abrupta na síntese de nova enzima. Portanto, 
ficou claro que a célula tem um mecanismo rápido e efetivo 
para ligar e desligar a expressão de um gene em resposta a 
sinais ambientais. 
Genes controlados juntos 
Quando Jacob e Monod induziram a í3-galactosidase, desco-
briram que também induziram a enzima permease, neces-
sária para o transporte delactose para a célula. A análise de 
mutantes indicou que cada enzima era codificada por um 
gene diferente. A enzima transacetilase (com uma função 
dispensável e ainda não conhecida) também era induzida 
junto com í3-galactosidase e permease, e também se mostrou 
depois que era codificada por um gene separado. Portanto, 
Jacob e Monod puderam identificar três genes controlados 
coordenadamente. O mapeamento de recombinação mos-
trou que os genes Z, Y e A estavam muito proximamente 
ligados no cromossomo. 
Evidências genéticas do operador 
e do repressor 
Agora chegamos ao cerne do trabalho de Jacob e Monod: 
como eles deduziram os mecanismos de regulação gênica no 
sistema lac? Seu enfoque foi o da genética clássica: exami-
nar as consequências fisiológicas das mutações. Assim, eles 
induziram mutações nos genes estruturais e nos elementos 
reguladores do óperon lac. Como veremos, as propriedades 
de mutações nesses componentes diferentes do óperon lac 
são distintas, o que forneceu indícios importantes para Jacob 
e Monod. 
Os indutores naturais, como a lactose, não são ótimos 
para esses experimentos, porque são degradados pela í3-ga-
lactosidase. A concentração do indutor diminui durante o 
experimento e, assim, as dosagens da indução enzimática 
tornam-se bem complicadas. Em vez disso, para tais experi-
mentos, Jacob e Monod usaram indutores sintéticos, como o 
isopropil-í3-D-tiogalactosídio (IPTG; Figura 11.7). O IPTG não 
é hidrolisado pela í3-galactosidase. 
Estrutura do IPTG 
HOCH2 
HO 
CH3 
,___ __ ,O s- ci- H 
OH 
H 
H OH 
\ 
CH3 
lsopropi l-~-o-tiogalactosídio 
(IPTG) 
Figura 11.7 O IPTG é um indutor do óperon fac. 
Jacob e Monod descobriram que várias classes diferentes 
de mutações podem alterar a expressão dos genes estrutu-
rais do óperon lac. Eles estavam interessados em avaliar as 
interações de novos alelos e, assim, saber que alelos exibiam 
dominância. Mas, para fazer tais testes, são necessários 
diploides, e as bactérias são haploides. Entretanto, Jacob e 
Monod foram capazes de produzir bactérias parcialmente 
diploides inserindo fatores F1 (veja o Capítulo 5) que levam 
a região lac do genoma. Eles puderam, então, criar linhagens 
que eram heterozigotas para mutações lac selecionadas. Esses 
diploides parciais permitiram que Jacob e Monod distin-
guissem mutações no sítio regulador de DNA (o operador 
lac) de mutações na proteína reguladora (o repressor Lac 
codificado pelo gene 1). 
Começamos examinando mutações que inativam genes 
estruturais para í3-galactosidase e permease (designados z-
e Y-, respectivamente) . A primeira coisa que aprendemos 
é que z- e y- são recessivos com relação a seus alelos do 
tipo selvagem (z+ e y+). Por exemplo, a linhagem 2 na Tabe-
la 11.1 pode ser induzida a sintetizar í3-galactosidase (como 
a linhagem haploide do tipo selvagem 1 nessa tabela), muito 
embora seja heterozigota para os alelos Z mutantes e do tipo 
selvagem. Isso demonstra que o alelo z+ é dominante com 
relação à sua contraparte z-. 
Jacob e Monod primeiro identificaram duas classes de 
mutações reguladoras, chamadas oc e J-, que foram deno-
minadas mutações constitutivas porque fizeram com que 
os genes estruturais do óperon lac fossem expressos inde-
pendentemente da presença do indutor. Jacob e Monod 
identificaram a existência do operador com base na análi-
se das mutações oc, que tornam o operador incapaz de se 
ligar ao repressor; elas danificam o interruptor, de modo , 
que ele fique sempre "ligado" (Tabela 11.1, linhagem 3). E 
importante notar que os efeitos constitutivos das mutações 
oc foram restritos apenas aos genes estruturais lac no mesmo 
cromossomo que a mutação oc. Por esse motivo, o operador 
mutante foi considerado de ação eis, como demonstrado 
pelo fenótipo da linhagem 4 na Tabela 11.1. Aqui, como o 
gene de permease do tipo selvagem (Y+) está em eis em 
relação ao operador do tipo selvagem, a permease só se 
expressa quando a lactose ou um análogo está presente. 
Em contraste, o gene de í3-galactosidase do tipo selvagem 
(Z+) está em eis em relação ao operador mutante oc; logo, 
a í3-galactosidase é expressa de maneira constitutiva. Essa 
338 Introdução à Genética 
Tabela 11.1 Síntese de 13-galactosidase e permease em haploides e mutantes operadores diploides heterozigotos. 
í3-galactosidase (Z) Permease (Y) 
Linhagem Genótipo Não induzida Induzida Não induzida Induzida Conclusão 
1 
2 
3 
4 
o +z +y + 
o +z +y + IF'o+z-y + 
ocz+y+ 
o +z-y+ IF'Ocz+y-
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
O tipo selvagem é indutível 
z+ é dominante com relação a z-
oe é constitutivo 
O operador é de ação eis 
Nota: as bactérias foram cultivadas em glicerol (sem glicose), com e sem o indutor IPTG. A presença ou a ausência da enzima são indicadas por + ou-, 
respectivamente. Todas as linhagens são z+. 
propriedade incomum de ação eis sugeriu que o operador 
é um segmento de DNA que influencia apenas a expressão 
dos genes estruturais ligados a ele (Figura 11.8). O opera-
dor, portanto, age simplesmente como um sítio de ligação 
à proteína e não faz um produto gênico. 
Jacob e Monod fizeram testes genéticos comparáveis 
com as mutações 1- (Tabela 11.2). Uma comparação do tipo 
selvagem indutível J+ (linhagem 1) com as linhagens 1-
mostra que as mutações 1- são constitutivas (linhagem 2), 
ou seja, fazem com que genes estruturais se expressem o 
tempo todo. A linhagem 3 demonstra que o fenótipo indu-
tível de J+ é dominante em relação ao fenótipo constitutivo 
de 1-. Esse achado mostrou a Jacob e Monod que a quan-
tidade de proteína do tipo selvagem codificada por uma 
cópia do gene é suficiente para regular ambas as cópias do 
operador em uma célula diploide. Mais significativo ainda, 
a linhagem 4 mostrou a eles que o produto do gene J+ é 
transatuante, ou seja, o produto gênico regula todos os 
genes estruturais do óperon lac, estejam eles na mesma 
molécula de DNA ou em moléculas diferentes (em eis ou 
trans, respectivamente). Ao contrário do operador, a ação 
do gene I é de um gene padrão codificador de proteínas. O 
produto proteico do gene I é capaz de se difundir através 
de uma célula e agir em ambos os operadores no diploide 
parcial (Figura 11.9). 
Mensagem. As mutações no operador revelam que tal sítio é 
eis-atuante, isto é, regula a expressão de uma unidade adjacente 
de transcrição na mesma molécula de DNA. As mutações no 
gene codificador de uma proteína repressora revelam que essa 
proteína é de transatuante, isto é, pode atuar em qualquer cópia 
do sítio-alvo do DNA na célula. 
Evidências genéticas da alosteria 
Finalmente, Jacob e Monod foram capazes de demonstrar 
alosteria pela análise de outra classe de mutações represso-
ras. Lembre que o repressor Lac inibe a transcrição do óperon 
lac na ausência de um indutor, mas permite a transcrição 
quando o indutor está presente. Essa regulação é feita por 
um segundo sítio na proteína repressora, o sítio alostérico, 
que se liga ao indutor. Quando ligado ao indutor, o repressor 
sofre uma mudança na estrutura geral de tal modo que seu 
sítio de ligação ao DNA não pode mais funcionar. 
Jacob e Monod isolaram uma outra classe de mutação 
repressora, chamada de mutações super-repressoras (18). 
As mutações JS causam repressão mesmo na presença de 
um indutor (compare a linhagem 2 na Tabela 11.3 com a 
linhagem do tipo selvagem 1 indutível). Ao contrário das 
mutações 1-, as mutações JS são dominantes em relação a J+ 
Os operadores são eis-atuantes 
0+1oc heterozigoto 
+ • • • • • p+ 
Repressor 
+ • • • • • + 
o+ 
Repressor não 
pode ligar-se 
a operador 
alterado 
e 
+ y+ 
Expressão bloqueada 
y+ 
Expressão mesmo na ausência de indutor 
Figura 11.8 Os heterozigotos o +;oc demonstram que os operadores são eis-atuantes. Como um repressor não pode ligar-se a operadores 
oc, os genes estruturais fac ligados a um operador oc são expressos mesmo na ausência de um indutor. Entretanto, os genes fac adjacentes 
a um operador o + ainda estão sujeitos a repressão. 
Capítulo11 1 Regulação da Expressão Cênica em Bactérias e seus Vírus 339 
Tabela 11.2 Síntese de [3-galactosidase e permease em linhagens haploides e diploides heterozigotas carreando /+ e 1-. 
í3-galactosidase (Z) Permease (Y) 
Linhagem Genótipo Não induzida Induzida Não induzida Induzida Conclusão 
1 1+z+y+ + + J+ é indutível 
2 1-z+y+ + + + + 1- é constitutivo 
3 1+ z-y+ !F'1-z+ y+ + + J+ é dominante em relação a 1-
4 1-z-y+ IF'J+z+y- + + J+ é transatuante 
Nota: as bactérias foram cultivadas em glicerol (sem glicose) e induzidas com IPTG. A presença do nível máximo da enzima é indicada por um sinal 
positivo; a ausência ou nível muito baixo de uma enzima, por um sinal negativo. (Todas as linhagens são o +.) 
Os repressores são transatuantes 
1+11- heterozigoto 
Sem 
repressor 
ativo 
----~ m: -----
Repressor 
p+ o+ + y+ 
+ o+ y+ 
Figura 11.9 A natureza recessiva das mutações I demonstra que o repressor é transatuante. Embora nenhum repressor ativo seja sinteti-
zado pelo gene /, o gene do tipo selvagem (/+) fornece um repressor funcional que se liga a ambos os operadores em uma célula diploide 
e bloqueia a expressão do óperon fac (na ausência de um indutor). 
(veja a Tabela 11.3, linhagem 3). Essa importante observa-
ção levou Jacob e Monod a especularem que as mutações 
JS alteram o sítio alostérico, de modo que ele não pode 
mais se ligar a um indutor. Em consequência, a proteína 
repressora codificada por 18 liga-se continuamente ao ope-
rador, evitando a transcrição do óperon lac mesmo quando 
o indutor está presente na célula. Com base nisso, podemos 
ver por que JS é dominante em relação a J+. A proteína 
mutante JS liga-se a ambos os operadores na célula, mesmo 
na presença de um indutor e independentemente de a 
proteína codificada por J+ estar presente na mesma célula 
(Figura 11.10). 
Análise genética do promotor /ac 
A análise mutacional também demonstrou que um elemen-
to essencial para a transcrição de lac está situado entre o 
gene para o repressor I e o sítio operador O. Esse elemento, 
chamado de promotor (P), serve como o sítio de iniciação 
para a transcrição pela RNA polimerase, como descrito no 
Capítulo 8. Existem duas regiões de ligação para a RNA poli-
merase em um típico promotor procariótico, mostrado na 
Figura 11.11 como duas regiões altamente conservadas em 
-35 e -10. As mutações promotoras são eis-atuantes, pois afe-
tam a transcrição de todos os genes estruturais adjacentes no 
óperon. Como os operadores e outros elementos eis-atuantes, 
Tabela 11.3 Síntese de [3-galactosidase e permease pelos tipos selvagens e por linhagens carreando alelos diferentes do gene/. 
Linhagem 
1 
2 
3 
Genótipo 
1+z+y+ 
JSz+y+ 
JSz+ y+ /F'J+ z + y+ 
í3-galactosidase (Z) Permease (Y) 
Não induzida Induzida Não induzida Induzida Conclusão 
+ + J+ é indutível 
JS é sempre reprimida 
JS é dominante em relação a J+ 
Nota: as bactérias foram cultivadas em glicerol (sem glicose) com e sem o indutor IPTG. A presença da enzima indicada é representada por+; a ausên-
cia ou níveis baixos, por - . 
340 Introdução à Genética 
O repressor contém um sítio de ligação à ladose 
/+//S heterozigoto 
.-.....-=-J_S __ii~= · · · · · p+ o+ y+ 
----• mi? ------ Repressor J8 
~ X 41 não consegue 
-----::::ligar-se ao indutor 
o+ y+ 
Figura 11.1 O A dominância da mutação JS é devida à inativação do sítio alostérico do repressor Lac. Em uma célula diploide JS/J-, 
nenhum dos genes estruturais fac é transcrito. O repressor J5 não tem um sítio de ligação à lactose (sítio alostérico) e, assim, não é inativado 
por um indutor. Portanto, mesmo na presença de um indutor, o repressor JS l iga-se irreversivelmente a todos os operadores em uma célula, 
bloqueando assim a transcrição do óperon fac. 
os promotores são sítios na molécula de DNA que são ligados 
a proteínas, e eles mesmos não produzem proteína. 
Caracterização molecular do repressor Lac 
e do operador /ac 
Walter Gilbert e Benno Müller-Hill deram uma demonstração 
decisiva do sistema lac, em 1966, monitorando a ligação do 
indutor marcado radioativo IPTG a uma proteína repressora 
purificada. Eles primeiro mostraram que o repressor consiste 
em quatro subunidades idênticas e, port anto, contém quatro 
sítios de ligação de IPTG (e daí lactose) . Segundo, eles mos-
traram que, no tubo de ensaio, a proteína repressora liga-se 
ao DNA que contém o operador, e sai do DNA na presença de 
IPTG. (Uma descrição mais detalhada sobre como o repres-
sor e outras proteínas de ligação ao DNA funcionam é dada 
depois, no final da Seção 11.6.) 
Gilbert e colaboradores mostraram que o repressor con-
segue proteger bases específicas no operador dos reagentes 
químicos. Essa informação lhes permitiu isolar o segmento de 
DNA que constitui o operador e determinar sua sequência. 
Eles usaram DNA do óperon ao qual o repressor estava ligado 
e o trataram com a enzima DNase, que quebra o DNA. Eles 
foram capazes de recuperar curtos filamentos de DNA que 
tinham sido protegidos da atividade enzimática pela molé-
cula repressora e que supostamente constituíam a sequência 
do operador. A sequência de bases de cada filamento foi 
determinada, e cada mutação no operador era uma mudan-
ça na sequência (Figura 11.12). Esses resultados mostraram 
que o locus operador é uma sequência específica de 17 a 25 
nucleotídios logo antes (em 5 ') do gene estrutural Z. Eles 
também mostraram a incrível especificidade de reconheci-
mento do repressor-operador, que pode ser comprometida 
por uma única substituição de base. Quando a sequência de 
A RNA polimerase faz contato com o promotor em sequências específicas 
Região promotora Sítio de início 
da transcrição 
-35 -10 / 
5' A G T r A G r G T Alr T G A e AIT GATA G A A G e A e Te TA e Ir ATA r r lc Te A ATA G G r e e A e G G 3' 
A~ 
Delação de Mudança 
uma base de duas bases 
Pequenos efeitos 
na transcrição 
Graves efeitos 
na transcrição 
Figura 11.11 Sequências específicas de DNA são importantes para a transcrição eficiente dos genes de E. cofi pela RNA polimerase. As 
sequências em boxes são altamente conservadas em todos os promotores de E. cofi, uma indicação de seu papel como sítios de contato na 
ligação ao DNA da RNA pol imerase. As mutações nessas regiões exercem efeitos leves (amarelo) ou significativos (marrom) na transcrição. As 
mutações podem ser mudanças de nucleotídios únicos ou pares de nucleotídios, ou pode ocorrer uma deleção (d). [De}. D. Watson, M. Gil-
man,}. Witkowski e M. Zol/er, Recombinant DNA, 2nd ed. Copyright 7992 by James D. Watson, Michael Gilman, }an Witkowski, and Mark Zol/er.] 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 341 
O operador é uma sequência específica de DNA 
- - - -
5' TGGAATTGTGAGCGGA Ti AACAAT T 3' 
• 
3' ACC [ TAAC ~ C~ C~ C~ T~~ TGTTAA 5' 
• • • • • • • • 
A TGTTA e T 
Mutações oc T ACAAT G A 
Figura 11.12 A sequência de bases do DNA do operador de 
lactose e as mudanças de bases associadas a oito mutações oc. As 
regiões de simetria rotacional dupla são indicadas por cor e por 
um ponto em seu eixo de simetria. [De W Gilbert, A. Maxam e A . 
Mirzabekov, em N.O. Kjeldgaard e O. Ma//0e, eds.,Control of Ribosome 
Synthesis. Academic Press, 1976. Usada com permissão de Munksgaard 
lnternational Pub/ishers, Ltd., Copenhagen.J 
bases no mRNA lac (transcrita do óperon lac) foi determina-
da, as primeiras 21 bases da ponta de iniciação 5' provaram 
ser complementares à sequência do operador que Gilbert 
havia determinado, mostrando que a sequência operadora 
, . 
e transcrita. 
Os resultados desses experimentos deram uma confirma-
ção crucial do mecanismo de ação repressora formulado por 
Jacob e Monod. 
Mutações polares 
Descobriu-se que algumas das mutações que foram mape-
adas nos genes Z e Y são polares, isto é, afetam genes 
"posteriores" ao óperon. Por exemplo, as mutações polares 
Z resultaram em funcionamento nulo não só de Z, mas 
também de Y e A. As mutações polares em Y também 
afetaram A, mas não Z. Essas mutaçõespolares sugeri-
ram a Jacob e Monod que os três genes eram transcri-
tos a partir de uma extremidade como uma unidade. As 
mutações polares criaram códons de fim que faziam com 
que os ribossomos saíssem do transcrito. Isso deixava um 
trecho "nu" de mRNA que era degradado, inativando assim 
os genes posteriores. (Os códons normais de término e 
início que fazem com que os ribossomos saiam e entrem 
no mRNA entre os genes estruturais não disparam essa 
degradação.) 
11.3 Repressão catabólica do 
óperon /ac: controle positivo 
Por meio de longo processo evolutivo, o sistema lac existente 
foi selecionado para promover a eficiência ótima de ener-
gia da célula bacteriana. Supostamente, para maximizar a 
eficiência energética, duas condições ambientais devem ser 
satisfeitas para que as enzimas do metabolismo da lactose 
• se1am expressas. 
Uma condição é que a lactose tem de estar presente no 
ambiente da célula. Essa condição faz sentido, pois seria ine-
ficiente para a célula produzir as enzimas metabólicas de 
lactose se não houvesse lactose a ser metabolizada. Já vimos 
que a célula é capaz de responder à lactose mediante a ação 
de uma proteína repressora. 
A outra condição é que a glicose não pode haver no 
ambiente da célula. Como a célula consegue captar mais 
energia da quebra da glicose que da quebra de outros açú-
cares, é mais eficiente para a célula metabolizar glicose que 
lactose. Assim, desenvolveram-se os mecanismos que impe-
dem que a célula produza as enzimas para o metabolismo 
de lactose quando houver lactose e glicose. A repressão da 
transcrição dos genes que metabolizam lactose na presença 
de glicose é um exemplo de repressão catabólica (a glico-
se é o produto da quebra, ou um catabólito, de lactose) . A 
transcrição de genes que codificam proteínas necessárias 
para o metabolismo de muitos açúcares diferentes é simi-
larmente reprimida na presença de glicose. Veremos que 
a repressão catabólica funciona por meio de uma proteína 
ativadora. 
A base da repressão do catabólito /ac: 
escolher o melhor açúcar para metabolizar 
Se houver lactose e glicose, a síntese de 13-galactosidase não 
é induzida até que toda a glicose tenha sido metabolizada. 
Assim, a célula conserva sua energia metabolizando qual-
quer glicose existente antes de passar pelo processo de gasto 
energético para criar um novo maquinário para metabolizar 
lactose. As bactérias desenvolveram múltiplos mecanismos 
para assegurar o uso preferencial de uma fonte de carbono 
e crescimento ótimo. Um mecanismo é excluir o indutor lac-
tose da célula. Um segundo mecanismo é regular a expressão 
do óperon via catabólitos. 
Resultados de estudos indicam que o produto da degrada-
ção da glicose impede a ativação do óperon Uic pela lactose, a 
repressão catabólica mencionada. A identidade desse catabó-
lito ainda é desconhecida. Entretanto, o produto da quebra 
da glicose sabidamente modula o nível de um importante 
constituinte celular, o monofosfato cíclico de adenosina 
( cAMP). Quando existe glicose em altas concentrações, a 
' concentração de cAMP na célula é baixa. A medida que a 
concentração de glicose diminui, a concentração celular de 
cAMP aumenta de maneira correspondente. Uma alta con-
centração de cAMP é necessária para a ativação do óperon 
lac. Os mutantes que não conseguem converter ATP em 
cAMP não podem ser induzidos a produzir 13-galactosidase, 
pois a concentração de cAMP não é grande o suficiente para 
ativar o óperon lac. 
Qual o papel do cAMP na ativação de lac? Um estudo de 
um conjunto diferente de mutantes deu a resposta. Esses 
mutantes fazem cAMP, mas não ativam as enzimas Lac, por-
que não têm outra proteína, chamada proteína ativadora 
do catabolismo (CAP), codificada pelo gene crp. A CAP 
liga-se a uma sequência específica de DNA do óperon lac (o 
sítio de ligação à CAP; veja a Figura 11.14b). O DNA ligado 
à CAP é, então, capaz de interagir fisicamente com a RNA 
polimerase e aumentar sua afinidade enzimática pelo pro-
motor lac. Por si mesma, a CAP não pode ligar-se ao sítio 
de ligação à CAP do óperon lac. Entretanto, ligando-se ao 
cAMP, seu efetor alostérico, a CAP é capaz de se ligar ao sítio 
342 Introdução à Genética 
Níveis de glicose controlam o óperon lac 
(a) Níveis de glicose regulam níveis de cAMP 
Glicose alta 
Glicose baixa 
(b) Complexo cAMP-CAP ativa transcrição 
cAM~ + CAP 
CAP 
CAP cAMP 
o 
t 
Complexo liga-se ao promotor 
Figura 11.13 Controle cataból ico do óperon fac. (a) Apenas em 
condições de baixa glicose é que é formado o cAMP (monofosfato 
cíclico de adenosina). (b) Quando há cAMP, este forma um complexo 
com a CAP (proteína ativadora do catabolismo), que ativa a transcri-
ção 1 igando-se a uma região no promotor lac. 
de ligação à CAP e ativar a transcrição pela RNA polimerase. 
Ao inibir a CAP quando a glicose está disponível, o sistema 
de repressão catabólica garante que o óperon lac será ativa-
do apenas quando há pouca glicose (Figura 11.13). 
Mensagem. O óperon fac tem um nível adicional de controle, 
de modo que o óperon é inativo na presença de glicose, mesmo 
se também houver lactose. Um efetor alostérico, cAMP, liga-se ao 
ativador CAP para permitir a indução do óperon fac . Entretanto, 
altas concentrações de catabólitos de glicose produzem baixas 
concentrações de cAMP, deixando de produzir cAMP-CAP e, 
assim, deixando de ativar o óperon fac. 
Estrutura dos sítios-alvo no DNA 
As sequências de DNA às quais se liga o complexo CAP-
cAMP hoje são conhecidas. Essas sequências (Figura 11.14) 
são muito diferentes daquelas às quais se liga o repressor 
Lac. Essas diferenças destacam a especificidade da ligação ao 
DNA por essas proteínas reguladoras muito diferentes. Uma 
propriedade que essas sequências têm em comum e que é 
também comum a muitos outros sítios de ligação ao DNA é 
uma dupla simetria rotacional. Em outras palavras, se girar-
mos a sequência de DNA mostrada na Figura 11.14por180° 
dentro do plano da página, a sequência das bases destacadas 
dos sítios de ligação será idêntica. Considera-se que as bases 
Muitos sítios de ligação ao DNA são simétricos 
(a) Operador /ac 
5' T G G A A T T G T G A G c G G A li A A c A A T T 3' 
• 
3' A c c T TA A c /1). c T c G c c T ~ T T G T T A A 5' 
(b) Sítio de ligação à CAP 
5' GTGAGTTAGCTCAC 3' 
• 
3' CACTCAATCGAGTG 5' 
Figura 11.14 A sequência de bases do DNA (a) do operador fac, 
ao qual se 1 iga o repressor Lac, e (b) do sítio de ligação da CAP, ao 
qual o complexo CAP-cAMP se 1 iga. As sequências que apresentam 
simetria rotacional dupla são indicadas pelos boxes coloridos e por 
um ponto na parte central da simetria. [(a) De W Gi/bert, A . Maxam e 
A. Mirzabekov, em N.O. Kjeldgaard e O. Mal/0e, eds., Contrai of Ribosome 
Synthesis. Academic Press, 7976. Usada com permissão de Munksgaard 
lnternational Publishers, Ltd., Copenhagen.] 
destacadas constituem os sítios importantes de contato para 
as interações proteína-DNA. Essa simetria rotacional corres-
ponde a simetrias nas proteínas de ligação ao DNA, muitas 
das quais são compostas por duas ou quatro subunidades 
idênticas. Consideraremos as estruturas de algumas proteí-
nas de ligação ao DNA mais adiante no capítulo. 
Como a ligação do complexo cAMP-CAP ao operador pro-
move a ligação da RNA polimerase ao promotor lac? Na Figu-
ra 11.15, o DNA é mostrado dobrado quando a CAP se liga. 
Esse dobramento do DNA ajuda a ligação de RNA polimerase 
ao promotor. Também há evidências de que a CAP faz contato 
direto com a RNA polimerase, o que é importante para o 
efeito de ativação de CAP. A sequência de bases mostra que 
a CAP e a RNA polimerase ligam-se diretamente adjacentes 
uma à outra no promotor lac (Figura 11.16). 
Mensagem. Generalizando a partir do modelo do óperon fac, 
podemos imaginar o DNA ocupado por proteínas reguladoras 
1 igadas aos sítios operadores que elas controlam. O padrão exato 
de l igação depende de quais genes são ligados ou desligados e se 
ativadores ou repressores regulam determinadosóperons. 
Resumo do óperon /ac 
Agora podemos ajustar o CAP-cAMP e os sítios de ligação da 
RNA polimerase ao modelo detalhado do óperon lac, como 
mostrado na Figura 11.17. A presença de glicose impede o 
metabolismo de lactose porque o produto da degradação de 
glicose inibe a manutenção dos altos níveis de cAMP neces-
sários para a formação do complexo CAP-cAMP, que, por 
sua vez, é necessário para que a RNA polimerase ligue-se 
ao sítio promotor lac. Mesmo quando há poucos catabóli-
tos de glicose e forma-se CAP-cAMP, o mecanismo para o 
metabolismo de lactose só será implementado se a lactose 
estiver presente. Esse nível de controle é obtido porque a 
lactose deve ligar-se à proteína repressora para removê-la do 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 343 
A ligação de CAP dobra o DNA 
(a) DNA -90 
-35 
CAP 
(b) 
Figura 11.15 (a) Quando a CAP se liga ao promotor, cria uma 
dobra maior que 90º no DNA. (b) Imagem derivada da análise estru-
tural do complexo CAP-DNA. [(a) Redesenhada de 8 . Gartenberg e 
D .M . Crothers, Nature 333, 1988, 824. (Veja H . N. Lie-}ohnson et ai., 
Ce/147, 7986, 995.) De H. Lodish, D. Baltimore, A. Berk, S.L. Zipursky, P. 
Matsudaira e}. Darnell, Molecular Cell Biology, 3rd ed. Copyright 1995 
by Scientific American Books. (b) De L. Schultz e T.A. Steitz.] 
sítio operador e permitir a transcrição do óperon lac. Assim, 
a célula conserva sua energia e recursos para produzir as 
enzimas que metabolizam a lactose apenas quando ambas - , . , . 
sao necessar1as e ute1s. 
O controle indutor-repressor do óperon lac é um exemplo 
de repressão, ou controle negativo, no qual a expressão é 
normalmente bloqueada. Em contraste, o sistema CAP-cAMP 
é um exemplo de ativação, ou controle positivo, porque atua 
como um sinal que ativa a expressão - nesse caso, o sinal de 
ativação é a interação do complexo CAP-cAMP com o sítio 
de ligação da CAP ao DNA. A Figura 11.18 destaca esses dois 
tipos básicos de sistemas de controle. 
Mensagem. O óperon fac é um aglomerado de genes estru-
turais que especificam enzimas que atuam no metabolismo da 
lactose. Esses genes são controlados pelas ações coordenadas das 
regiões do operador e promotor eis-atuantes. A atividade dessas 
regiões é, por sua vez, determinada pelas moléculas do repressor 
e do ativador especificadas por genes reguladores. 
11.4 Controle duplo positivo e 
negativo: o óperon de arabinose 
Como no sistema lac, o controle da transcrição em bactérias - , . . . 
nao e puramente pos1t1vo nem puramente negativo; tanto a 
regulação positiva quanto a negativa podem controlar ópe-
rons individuais. A regulação do óperon de arabinose fornece 
um exemplo no qual uma única proteína de ligação ao DNA 
pode agir como um repressor ou um ativador, uma variação 
do tema geral de regulação transcricional por proteínas de 
ligação ao DNA. 
Os genes estruturais araB, araA e araD codificam as 
enzimas metabólicas que degradam o açúcar arabinose. Os 
três genes são transcritos em uma unidade como um úni-
co mRNA. A Figura 11.19 mostra um mapa do óperon ara. 
A transcrição é ativada em ara!, a região iniciadora, que 
contém um sítio de ligação para uma proteína ativadora. O 
gene araC, que fica próximo, codifica uma proteína ativado-
ra. Quando ligada à arabinose, essa proteína liga-se ao sítio 
ara! e ativa a transcrição do óperon ara, talvez ajudando a 
RNA polimerase a se ligar ao promotor. Além disso, o mes-
mo sistema de repressão catabólica CAP-cAMP que impede 
a expressão do óperon lac na presença de glicose também 
impede a expressão do óperon ara. 
Na presença de arabinose, tanto o complexo CAP-cAMP 
quanto o complexo AraC-arabinose têm de ligar-se ao ara! 
para que a RNA polimerase se ligue ao promotor e transcreva 
o óperon ara (Figura 11.20a). Na ausência de arabinose, a 
proteína AraC adota uma conformação diferente e reprime 
o óperon ara ligando-se a ara! e a um segundo sítio distante, 
araO, formando uma alça (Figura 11.20b) que impede a trans-
crição. Portanto, a proteína AraC tem duas conformações, 
uma que atua como ativador e outra que atua como repres-
sor. A alternância liga/ desliga do óperon é "disparada" pela 
arabinose. As duas conformações, dependendo de a arabino-
se efetora alostérica estar ou não ligada à proteína, diferem 
em sua capacidade de se ligar a um sítio-alvo específico na 
região araO do óperon. 
Mensagem. A transcrição do óperon pode ser regulada tanto 
por ativação quanto por repressão. Os óperons que regulam o 
metabolismo de compostos similares, como açúcares, podem ser 
regulados de modos bem diferentes. 
11.5 Vias metabólicas e níveis 
adicionais de regulação: 
atenuação 
O controle coordenado de genes em bactérias é generalizado. 
Na seção precedente, vimos exemplos que ilustram as vias de 
regulação para a degradação de açúcares específicos. De fato, 
a maioria dos genes coordenados em bactérias é regulada por 
meio de mecanismos de óperon. Em muitas vias que sinte-
tizam moléculas essenciais a partir de elementos estruturais 
inorgânicos, os genes que codificam as enzimas são organiza-
dos em óperons, completados com mRNA multigênicos. Além 
disso, nos casos em que é conhecida a sequência da ativida-
de catalítica, há uma congruência marcante entre a ordem 
dos genes no óperon no cromossomo e aquela em que seus 
produtos atuam na via metabólica. Essa congruência é bem 
ilustrada pela organização do óperon de triptofano em E. coli 
344 Introdução à Genética 
CAP e RNA polimerase ligam-se próximas uma da outra 
Sítio CAP 
Sítio de interação 
da RNA polimerase 
Cromossomo de E. coli c::::=::=::=::=::=::==~L..:=====-------======:c===-------==i o 
e: ·-
E 
•Q) -Q) 
"O 
e: 
o 
::J ..... e: "O 
- Q) - 'º (.!J CJ) (.!J (.!J ü 
5 ' GAAAGCGGGCAGTGAGCGCAACGCAATTAATGTGAGI IAGCTCACTCATTAGGCACCCCAGGCI ITJCACTI 1 
CTTTCGCCCGTCACTCGCGTTGCGTTAATTACACTCAATCGAGTGAGTAATCCGTGGGGTCCGAAATGTGAAA 
---Repressor----'---------------------Promotor-------
Região de contato 
com a CAP 
Figura 11.16 A região controladora do óperon fac. A sequência de bases e os limites genéticos da região controladora do óperon fac, 
com sequências parciais para os genes estruturais. [De R.C. Dickson, }. Abe/son, WM. Barnes e WS. Reznikoff, "Genetic Regulation: The Lac 
Contrai Region'~ Science 187, 1975, 27. Copyright 1975 by the American Association for the Advancement of Science.] 
Controle negativo e positivo do óperon lac 
(a) Glicose presente (cAMP baixo); sem lactose; sem mRNA /ac 
t li'C -----
Repressor 
(b) Glicose presente (cAMP baixo); lactose presente 
CAP 0 ______....., 
•••• F! o y 
t * 
t t 
' ... , -: .......:: --
liC + ... )> ... Pouco mRNA fac 
Lactose Indutor-
repressor 
(c) Sem glicose (cAMP alto); lactose presente 
CAP-cAMP 
•••• y 
~ 
i -
A 
t - -
liC + ... )> ... 
Lactose Indutor-
repressor 
- --
Abundante mRNA fac 
• 
Figura 11.17 O óperon fac é controlado em conjunto pelo repres-
sor Lac (controle negativo) e pela proteína ativadora do catabolismo 
(CAP) (controle positivo). Grandes quantidades de mRNA são produ-
zidas apenas quando existe lactose para inativar o repressor, e baixos 
níveis de glicose promovem a formação do complexo CAP-cAMP, 
que regula positivamente a transcrição. [Redesenhada de 8. Gartenberg 
e D.M. Crothers, Nature 333, 1988, 824. (Veja H. N. Lie-Johnson et ai., 
Cell 47, 1986, 995.) De H. Lodish, D. Baltimore, A. Berk, 5. L. Zipursky, 
P. Matsudaira e}. Darnel/, Molecular Cell Biology, 3rd ed. Copyright 1995 
by Scientific American Books.] 
Repressão e ativação comparadas 
(a) Repressão 
Indutor 41 
R 
\J Repressor 
)D\ inativo 
p o 
Transcrição 
Repressor 
ativo Sem transcrição 
(b) Ativação 
Sem transcrição 
Fator 
mRNA 
A r-it~põ--,,~~----~~...,-1 
... 
Indutor 
\.. A / 
Fator ativo 
(ativador) 
Transcrição 
mRNA 
Figura 11.18 (a) Na repressão, um repressor ativo (codificado 
pelo gene R nesse exemplo) bloqueia a expressão do óperon A, 8, 
C ligando-se a um sítio operador (0). (b) Na ativação,um ativador 
funcional é necessário para a expressão gênica. Um ativador não 
funcional resulta na falta de expressão dos genes X, Y, Z. Pequenas 
moléculas podem converter um ativador não funcional em um fun-
cional, que então se liga à região controladora do óperon, chamada 
de I nesse caso. As posições de ambos, O e /, com relação ao pro-
motor P nos dois exemplos estão arbitrariamente desenhadas, pois 
suas posições diferem em óperons diferentes. 
Capítulo 11 1 Regu lação da Expressão Cên ica em Bacté rias e seus Vírus 345 
o z 
.--------•~ mRNA 
ATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATl lCACACAGGAAACAGCTATGACCATG 
TACGAAGGCCGAGCATACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTTTGTCGATACTGGTAC 5' 
--------------'-----Operador ___ ___, 
Mapa do óperon ara 
e O 1 P 
Gene Sítios 
controlador controladores 
B A 
Genes 
estruturais 
D 
Figura 11.19 Os genes B, A e D junto com os sítios I e O cons-
tituem o óperon ara. O é araO e I é arai. 
(Figura 11.21). O óperon de triptofano contém cinco genes 
(trpE, trpD, trpC, trpB, trpA) que codificam enzimas que con-
tribuem para a síntese do aminoácido triptofano. 
Mensagem. Em bactérias, os genes que cod ificam enzimas 
que estão na mesma via metaból ica são geralmente organizados 
, 
em operons. 
Existem dois mecanismos para regular a transcrição do 
óperon de triptofano e alguns outros óperons que funcio-
nam na biossíntese de aminoácidos. Um é responsável pelo 
controle global da expressão do mRNA do óperon e o outro 
fornece um controle fino. 
O nível da expressão gênica do óperon trp é controlado 
pelo nível de triptofano. Quando o triptofano está ausente do 
meio de crescimento, a expressão do gene trp é alta; quando 
os níveis de triptofano são altos, o óperon trp é reprimido. 
AraC serve como um ativador e como um repressor 
(a) Ativação 
CAP 
AMP ~íc lico Ô 
e araO arai 
(b) Repressão 
ara O 
arai 
Proteína AraC + 
arabinose 
e 
Proteína AraC 
p B A 
Transcrição ativa 
t mRNA 
B A D 
D 
Figura 11.20 Controle duplo do óperon ara. (a) Na presença de arabinose, a proteína AraC l iga-se à região arai. O complexo CAP-cAMP 
liga-se a um sítio adjacente a arai. Essa 1 igação estimula a transcrição dos genes araB, araA e araD. (b) Na ausência de arabinose, a proteína 
AraC liga-se tanto à região arai quanto à araO, formando uma alça de DNA. Essa ligação impede a transcrição do óperon ara. 
346 Introdução à Genética 
A ordem dos genes no óperon trp corresponde à ordem de reação na via biossintética 
o trpE trpD trpC trpB trpA 
H H H H 
H ~H2 
"""- N H """- N 11 H H 2 """- H H 
HO O L-glutamina 2 PRPP H .,_rlfCH
2
o® N- CH ~ , _. 
' ">---1~g-g-cooH 
"""- N 
' O O H "\. 
H2C=C-COOH H H ' 1 1 
H 
L-triptofano 
Ácido corísmico 
Ácido CDRP lndol-3-glicerol """- N 
antranílico Ácido fosforribosil fosfato H L-serina antranílico 
lndol 
Figura 11.21 A ordem cromossômica dos genes no óperon trp de E. coli e a sequência de reações catalisadas pelos produtos enzimáticos 
dos genes estruturais trp. Os produtos dos genes trpD e trpE formam um complexo que catalisa etapas específicas, como fazem os produtos 
dos genes trpB e trpA. A triptofano sintetase é uma enzima tetramérica formada pelos produtos de trpB e trpA. Ela catalisa um processo em 
duas etapas que leva à formação de triptofano. Abreviações: PRPP, fosforribosi lpirofosfato; CDRP, 1-(o-carboxifenilamino)-1-desoxirribulose 
5-fosfato. [Oe 5. Tanemura e R. H. Bauerle, Genetics 95, 1980, 545.] 
O mecanismo para o controle da transcrição do óperon trp é 
similar ao mecanismo já visto que controla o óperon lac; uma 
proteína repressora liga-se a um operador, impedindo o início 
da transcrição. Esse repressor é o Trp, o produto do gene 
trpR. O repressor Trp liga o triptofano quando níveis ade-
quados de aminoácidos estão presentes e só depois da ligação 
do triptofano o repressor Trp liga-se ao operador e desliga a 
transcrição do óperon. Esse mecanismo simples garante que 
a célula não gaste energia produzindo triptofano quando o 
aminoácido é suficientemente abundante. As linhagens de E. 
coli com mutações em trpR continuam a expressar o mRNA 
de trp e, assim, continuam a produzir triptofano quando o 
aminoácido é abundante. 
Ao estudar essas linhagens mutantes de trpR, Charles 
Yanofsky descobriu que, quando o triptofano era removi-
do do meio, a produção de mRNA de trp aumentava várias 
vezes. Esse achado foi a evidência de que, além do repressor 
Trp, havia um segundo mecanismo de controle para regular 
negativamente a transcrição. Tal mecanismo é chamado de 
atenuação porque a produção de mRNA é normalmente ate-
nuada, isto é, "diminuída", quando o triptofano é abundante. 
Ao contrário de outros mecanismos de controle bacteriano 
descritos até agora, a atenuação atua uma etapa após o início 
da transcrição. 
Os mecanismos que controlam a atenuação foram desco-
bertos identificando-se mutações que reduziam ou aboliam 
a atenuação. As linhagens com essas mutações produziam 
mRNA de trp em níveis máximos mesmo quando existe 
triptofano. Yanofsky mapeou as mutações em determinada 
região entre o operador trp e o gene trpE; essa região, chama-
da de sequência líder, está na ponta 5' do mRNA do óperon 
trp antes do primeiro códon do gene trpE (Figura 11.22). A 
sequência líder de trp é incomumente longa para um mRNA 
procariótico, 160 bases, e a análise detalhada revelou como 
uma parte dessa sequência funciona como um atenuador 
que controla a posterior transcrição do mRNA de trp. 
As observações principais são de que, na ausência da 
proteína repressora TrpR, o triptofano cessa a transcrição 
após as primeiras 140 bases, enquanto, na ausência de trip-
tofano, a transcrição do óperon continua. O mecanismo de 
término ou continuação da transcrição consiste em dois ele-
mentos fundamentais. Primeiro, a sequência líder do mRNA 
de trp codifica um curto peptídio de 14 aminoácidos que 
inclui dois códons adjacentes de triptofano. O triptofano é 
A sequência líder do mRNA de trp contém uma região atenuadora e dois códons de triptofano 
GcGUACCACUUAUGUGACGGGCAAAGUCCUUCACGCGGUGGU UGGAAAGUCAUGCUUUUAACGAAAGUAACAGCUAUCGGAAAAAUGCACUUGAAooo5' 
AU 
A 
ic 11 o 1 rº 110 1 ?º 
7\AucAGAUACCOAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUUGAACAAAAUUAGAGAAUAACAl\UGCAAACACAAAAACCGACUCUCGAACUGOU ... 
\ J 
Região atenuadora 
Met-Gln-Tre-Gln- Lis -Pro-Tre-Leu-Glu-Leu-Leu 
Polipeptídio TrpE 
Figura 11.22 Na sequência líder do mRNA de trp, a região atenuadora precede a sequência codificadora trpE. Mais antecedente, nas 
bases 54 até 59, estão dois códons de triptofano (mostrados em vermelho) do peptídio líder. [Oe G. 5. 5tent e R. Calendar, Molecular Genetics, 
2nd ed. Copyright 7978 by W H. Freeman and Company. Com base em dados inéditos fornecidos por Charles Yanofsky.] 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 347 
um dos aminoácidos menos abundantes nas proteínas, e é 
codificado por um único códon. Esse par de códons de trip-
tofano é, portanto, uma característica incomum. Segundo, 
partes do mRNA líder trp formam estruturas em haste e 
alça que são capazes de alternar-se entre duas conformações. 
Uma dessas conformações favorece o término da transcrição 
(Figura 11.23a). 
A lógica reguladora do óperon está na abundância de 
triptofano. Quando o triptofano é abundante, há forneci-
mento suficiente de tRNATrp para permitir a tradução do 
peptídio de 14 aminoácidos. Lembre que a transcrição e a 
tradução em bactérias são acopladas; logo, os ribossomos 
podem ligar-se aos mRNA transcritos e iniciar as traduções 
antes que a transcrição esteja completa. A ligação do ribos-
somo altera a conformação do mRNA de trp de tal forma 
que favorece o término da transcrição (Figura 11.23b). En-
tretanto, quando o triptofano é escasso, o ribossomo para 
nos códons do triptofano e a transcrição é capaz de conti-
nuar (Figura 11.23c). 
Outros óperons para enzimas nas vias de biossíntese têm 
controles de atenuação similares. Uma característica dos ópe-
rons de biossíntesede aminoácidos é a existência de múlti-
plos códons para o aminoácido que está sendo sintetizado em 
um peptídio separado codificado pela sequência líder 5'. Por 
exemplo, o óperon fen tem sete códons de fenilalanina em 
um peptídio líder e o óperon his tem sete códons de histidina 
em tandem em seu peptídio líder (Figura 11.24.) 
Mensagem. Um segundo nível de regulação nos óperons de 
biossíntese de aminoácidos é a atenuação da transcrição mediada 
pela abundância do aminoácido e a tradução de um peptídio 
1 íder. 
11.6 Ciclos de vida de bacteriófagos: 
mais reguladores, óperons 
complexos 
Naquele cinema em Paris, François Jacob teve um insight de 
que o fenômeno da indução do profago poderia ser bastante 
análogo à indução da síntese de 13-galactosidase. Ele estava 
O triptofano abundante atenua a transcrição do óperon trp 
50 
,...100 Ribossomo ""- ,,...,....._,_2 
(a) mRNA líder trp (e) Nível baixo de triptofano 
Figura 11.23 Modelo para atenuação do óperon trp. (a) Estruturas secundárias propostas na conformação do mRNA líder trp que favo-
rece o término da transcrição. Quatro regiões podem formar pares de bases que geram três estruturas haste-alça. (b) Quando o triptofano 
é abundante, o segmento 1 do mRNA de trp é traduzido. O segmento 2 entra no ribossomo (embora não seja traduzido), o que permite 
que os segmentos 3 e 4 formem pares de bases. Essa região de pares de bases faz com que a RNA polimerase termine a transcrição. (c) Em 
contraste, quando o triptofano é escasso, o ribossomo para nos códons do segmento 1. O segmento 2 interage com o segmento 3, em vez 
de ser levado para o ribossomo, e, assim, os segmentos 3 e 4 não conseguem parear. Consequentemente, a transcrição continua. [Oe D. L. 
Oxender, G. Zurawski e C. Yanofsky, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 76, 1979, 5524.] 
348 Introdução à Genética 
Peptídios-líder de óperons de biossíntese de aminoácidos 
(a) Óperon trp Met - Lis - Ala - lle - Fen - Vai - Leu - Lis - Gli - Trp - Trp - Arg - Tre - Ser - Fim 
5' AUG-AAA-GCA-AUU-UUC-GUA-CUG-AAA-GGU- UGG -UGG -CGC-ACU-UCC -UGA 3' 
(b) Óperon fen Met - Lis - His - lle - Pro - Fen - Fen -Fen - Ala - Fen - Fen - Fen - Tre - Fen - Pro - Fim 
5' AUG-AAA-CAC-AUA-CCG- UUU - UUU - UUC -GCA- UUC -UUU - UUU -ACC- UUC -CCC-UGA 3' 
(e) Óperon his Met - Tre -Arg - Vai - Gln - Fen - Lis - His - His - His - His - His - His - His - Pro - Asp 
5' AUG-ACA-CGC-GUU-CAA-UUU-AAA- CAC -CAC - CAU - CAU -CAC -CAU - CAU -CCU-GAC 3' 
Figura 11.24 (a) A parte traduzida da região líder trp contém dois códons consecutivos de triptofano, (b) a sequência líder fen contém 
sete códons de feni lalanina e (c) a sequência líder his contém sete códons consecutivos de histidina. 
certo. Aqui, veremos como o ciclo de vida do bacteriófago À 
é regulado. Embora sua regulação seja mais complexa que a 
dos óperons individuais, é controlada por modos agora fami-
liares de regulação gênica. 
O bacteriófago À é um fago temperado que tem dois 
ciclos de vida alternativos (Figura 11.25). Quando uma 
bactéria normal é infectada por um fago À do tipo sel-
vagem, dois desfechos são possíveis: (1) o fago se replica 
e, por fim, lisa a célula (o ciclo lítico) ou (2) o genoma 
do fago integra-se ao cromossomo da bactéria como um 
profago inerte (o ciclo lisogênico). No estado lítico, a 
maioria dos 71 genes do fago é expressa em algum ponto, 
enquanto no estado lisogênico a maioria dos genes está 
inativa. 
Como decidir qual das duas vias seguir? O controle fisio-
lógico da decisão entre a via lítica ou lisogênica depende 
dos recursos disponíveis na bactéria hospedeira. Se forem 
abundantes, o ciclo lítico é o preferido porque haverá 
nutrientes suficientes para fazer muitas cópias do vírus. Se 
os recursos forem limitados, a via lisogênica será escolhida. 
O vírus, então, persiste como um profago até que as condi-
ções melhorem. O profago inerte pode ser induzido por luz 
ultravioleta a entrar no ciclo lítico, o fenômeno estudado 
por Jacob. Os estados lítico e lisogênico caracterizam-se por 
programas de expressão gênica bem distintos que devem 
ser regulados. A seleção do estado alternativo é determina-
da por uma mudança genética complexa, que compreende 
várias proteínas reguladoras de ligação ao DNA e um con-
junto de sítios operadores. 
Do mesmo modo que para os sistemas reguladores de lac 
e outros, as análises genéticas dos mutantes foram fontes 
de insights cruciais dos componentes e lógica da mudan-
ça genética À. Jacob usou triagens fenotípicas simples dos 
mutantes isolados que eram defeituosos na via lítica ou na 
lisogênica. Os mutantes de cada tipo podiam ser reconhe-
cidos pelo aspecto das placas infectadas em uma camada 
de bactérias. Quando as partículas de fago do tipo selva-
gem eram colocadas em uma camada de bactérias sensíveis, 
apareciam áreas claras (placas) onde as bactérias tinham 
sido infectadas e lisadas, mas essas placas ficavam turvas 
porque as bactérias lisogenizadas cresciam nelas. Os fagos 
mutantes que formam placas claras são incapazes de liso-
genizar as células. 
Tais mutantes claros (designados por c) são análogos aos 
mutantes 1 e O do sistema lac. Esses mutantes foram isolados 
como mutantes termossensíveis que têm fenótipos claros em 
temperaturas mais altas, mas fenótipos do tipo selvagem em 
temperaturas mais baixas. Três classes de mutantes levaram 
à identificação de características reguladoras fundamentais 
do fago À. Na primeira classe, os mutantes para os genes 
cl, cll e clll formam placas claras; isto é, eles são incapazes 
de estabelecer lisogenia. Foi isolada uma segunda classe de 
mutantes que não lisogenizam células, mas podem replicar-
se e entrar no ciclo lítico em uma célula lisogenizada. Esses 
mutantes são análogos àqueles com operador constitutivo 
do sistema lac. Um terceiro mutante fundamental consegue 
lisogenizar, mas é incapaz de lisar as células. O gene mutante 
nesse caso é o cro (de controle do repressor e outras coisas). A 
decisão entre as vias lítica e lisogênica depende da atividade 
das proteínas codificadas pelos quatro genes cl, cll, clll e cro, 
dos quais três são proteínas de ligação ao DNA. 
Primeiro enfocaremos os dois genes cl e cro e as proteínas 
que eles codificam. O gene cl codifica um repressor, em geral 
chamado de repressor À, que reprime o crescimento lítico e 
promove a lisogenia. O gene cro codifica um repressor que 
reprime a lisogenia, permitindo assim o crescimento lítico. 
A mudança genética que controla os dois ciclos de vida do 
fago À tem dois estados: no estado lisogênico, cl está ligado, 
mas cro está desligado; e, no ciclo lítico, cro está ligado, mas 
cl está desligado. Portanto, o repressor À e Cro estão em com-
petição, e qual dos repressores prevalece determina o estado 
da mudança e a expressão do genoma À. 
A disputa entre o repressor À e Cro é iniciada quando o 
fago À infecta uma bactéria normal. A sequência de even-
tos na disputa é determinada criticamente pela organiza-
ção dos genes no genoma À e dos promotores e operadores 
entre os genes cl e cro. O genoma de À, com cerca de 50 kb, 
codifica proteínas que participam na replicação do DNA, 
na recombinação, na montagem da partícula de fago e na 
lise celular (Figura 11.26). Essas proteínas são expressas em 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 349 
Ciclo de vida do bacteriófago A. 
Célula de E. coli 
Fago>. 
Cromossomo~ 
Infecção 
1. Via 2. Via 
lítica lisogênica 
Muitos 
cromossomos 
virais 
+ '=~DNA>. 
(na cabeça) 
Recombinação 
e integração 
! 
.--===-~~._/\1111111 Profago À 
Montagem 
virai 
Li se 
da célula 
3. Indução de profago 
Lise da célula 
Crescimento lisogênico 
Figura 11.25 A entrada do bacteriófago X. no ciclo lítico imediatamente ou na via lisogênica depende da disponibil idade de recursos. O 
vírus lisogênico insere seu genoma no cromossomo bacteriano, onde permanece quiescente até que as condições sejam favoráveis. 
uma sequência lógica tal que as cópias do genoma são fei-
tas primeiro;essas cópias são então empacotadas em partí-
culas virais e, finalmente, a célula hospedeira é lisada para 
liberação do vírus e começo da infecção de outras células 
hospedeiras (veja a Figura 11.25). A ordem de expressão do 
gene viral flui do início da transcrição em dois promotores, 
P L e PR (promotor à esquerda e direita com relação ao mapa 
genético). Na infecção, a RNA polimerase inicia a transcrição 
em ambos os promotores. Olhando o mapa genético (veja a 
Figura 11.26), vemos que, a partir de PR, cro é o primeiro gene 
transcrito e, a partir de P L' N é o primeiro gene transcrito. 
O gene N codifica um regulador positivo, mas o mecanis-
mo dessa proteína difere do de outros reguladores que foram 
considerados até agora. A proteína N permite que a RNA poli-
merase continue a transcrever regiões do DNA que de outro 
modo fariam com que a transcrição terminasse. Uma proteína 
reguladora que impede o término da transcrição é chamada 
de antiterminalizador. Assim, N permite a transcrição de cIII 
e outros genes à esquerda de N, bem como cII e outros genes à 
direita de cro. O gene cII codifica uma proteína ativadora que 
se liga a um sítio que promove a transcrição para a esquerda 
de um promotor diferente, P RE (promotor de estabelecimento 
do repressor - repressor establishment, em inglês), que ativa 
a transcrição do gene cl. Lembre que o gene cl codifica um 
repressor X., que impedirá o crescimento lítico. 
Antes de ocorrer a expressão do resto dos genes virais, tem 
de ser tomada uma "decisão": continuar a expressão gênica 
viral e lisar a célula ou reprimir a via e lisogenizar a célula. 
350 Introdução à Genética 
O genoma do fago A. é organizado para controle coordenado 
Proteínas de replicação do DNA do fago 
cl cro e// r--Í--.,. 
Genes de 
recombinação ------/-: 
dofago ( ~ 
Excisionase 
lntegrase 
Genes da cauda 
Genes 
da cabeça 
Figura 11.26 Mapa do fago À na forma circular. Os genes para recombinação, integração e excisão, replicação, montagem da cabeça 
e da cauda e a lise celular estão agrupados e regulados coordenadamente. A transcrição do lado direito do genoma começa em PR, e a 
dos genes à esquerda começa em PL. Interações reguladoras fundamentais que controlam a decisão lisogênica versus lítica ocorrem nos 
operadores entre os genes cro e cl. [Da Fig. 16.25, p . 513, in}. Watson et ai., Molecular Biology of the Gene, 5th ed. Copyright 2004 by Pearson 
Education, lnc. Reimpressa com permissão.] 
A decisão de lisar ou lisogenizar a célula depende da ativida-
de da proteína cll. A proteína cll é instável, pois é sensível 
a proteases bacterianas, enzimas que degradam proteínas. 
Essas proteases respondem a condições ambientais: elas são 
mais ativas quando os recursos são abundantes, mas menos 
ativas quando as células estão em inanição. 
Vejamos o que ocorre com cll quando os recursos são abun-
dantes ou não. No primeiro caso, cll é degradada e pouco repres-
sor À é produzido. Os genes transcritos de P1 e PR continuam a 
se expressar e prevalece o ciclo lítico. Entretanto, se os recursos 
forem limitados, cll é mais ativa e mais repressor é produzido, 
os genes transcritos de P 1 e PR não continuam a ser expressos e 
prevalece a via lisogênica. A proteína cll também é responsável 
por ativar a transcrição de int, gene que codifica uma proteína 
adicional necessária para a lisogenia, uma integrase necessária 
para a integração do genoma À ao cromossomo do hospedeiro. 
A proteína clll protege cll da degradação, portanto, também 
contribui para a decisão lisogênica. 
Vamos recapitular resumidamente a sequência de eventos 
e os pontos de decisão no ciclo de vida do bacteriófago À: 
Na infecção: 
A RNA polimerase do hospedeiro transcreve os genes 
cro e N. 
Então: 
A proteína antiterminalizadora N permite a transcrição 
do gene cIII e a dos genes de recombinação (veja a Figu-
ra 11.26, à esquerda) bem como do gene cII e outros genes 
(veja a Figura 11.26, à direita). 
Então: 
A proteína cll, protegida pela proteína clll, liga cl e int. 
Então: 
Se os recursos e proteases forem abundantes, cll é degra-
dada, Cro reprime cl, e o ciclo lítico continua. 
Se os recursos e proteases não forem abundantes, cll é 
ativa, a transcrição de cI continua em alto nível, a proteína 
Int integra-se ao cromossomo do fago e cl (repressor X.) 
desliga todos os genes, exceto a si mesmo. 
Anatomia molecular da mudança genética 
Para verificarmos como a decisão é executada em nível 
molecular, vejamos as atividades do repressor À e da Cro. 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 351 
O operador OR fica entre os dois genes que codificam essas 
proteínas e contém três sítios, OR1, OR2 e OR3, que superpõem 
dois promotores opostos: PR' que promove a transcrição de 
genes líticos, e PRM (para manutenção do repressor), que 
dirige a transcrição do gene cl. Lembre que o gene cl codi-
fica o repressor À. Os três sítios operadores são similares, 
mas não idênticos em sequência e, embora Cro e o repres-
sor À possam cada um ligar-se a um dos operadores, eles 
fazem isso com afinidades diferentes: o repressor À liga-se a 
OR1 com a maior afinidade, enquanto Cro liga-se a OR3 com 
a mais alta afinidade. A ocupação do repressor À de OR1 
bloqueia a transcrição de PR e, assim, bloqueia a transcrição 
dos genes do ciclo lítico. A ocupação de Cro de OR3 bloqueia 
a transcrição de PRM e, portanto, bloqueia a manutenção da 
transcrição de cl. Consequentemente, nenhum repressor À é 
produzido e a transcrição dos genes para o ciclo lítico pode 
continuar. A ocupação dos sítios operadores determina, por-
tanto, os padrões líticos versus lisogênicos da expressão do 
gene À (Figura 11.27). 
Após ter sido estabelecida a lisogenia, ela geralmente é 
estável. Mas a lisogenia pode ser induzida a entrar no ciclo líti-
co por várias mudanças ambientais. A luz ultravioleta induz 
a expressão dos genes hospedeiros. Um dos genes hospedei-
ros codifica uma proteína, RecA, que estimula a clivagem do 
repressor X., prejudicando assim a manutenção da lisogenia 
e resultando no crescimento lítico. A indução do profago, 
como Jacob e Mono d imaginaram, exige a liberação de um 
repressor do DNA. O papel fisiológico da luz ultravioleta na 
indução lisogênica faz sentido porque esse tipo de radiação 
causa danos ao DNA hospedeiro e estressa a bactéria; o fago 
replica-se e deixa a célula estressada, danificada, para outro 
hospedeiro. 
Mensagem. A mudança genética do fago >..ilustra como algu-
mas proteínas reguladoras de ligação ao DNA, agindo por alguns 
sítios, controlam a expressão de um número muito maior de genes 
no vírus em um mecanismo "em cascata". Exatamente como nos 
sistemas fac, ara, trp e outros, os estados alternativos da expressão 
gênica são determinados por sinais fisiológicos. 
Ligação sequência-específica de proteínas 
reguladoras ao DNA 
Como um repressor À e Cro reconhecem operadores dife-
rentes com afinidades diferentes? Essa pergunta desperta 
nossa atenção para um princípio fundamental no controle 
da transcrição gênica: as proteínas reguladoras ligam-se a 
sequências específicas do DNA. Para que proteínas indivi-
duais se liguem a determinadas sequências e não a outras, é 
necessário especificidade nas interações das cadeias laterais 
dos aminoácidos da proteína e grupos químicos de bases do 
DNA. Estudos estruturais detalhados do repressor X., Cro e 
outros reguladores bacterianos revelaram como as estruturas 
tridimensionais dos reguladores e o DNA interagem, e como 
o arranjo de determinados aminoácidos lhes permite reco-
nhecer sequências específicas de bases. 
O ciclo lisogênico versus lítico é determinado pela ocupação do repressor nos operadores OR 
Lisogenia 
e/ 
Crescimento lítico 
RNA polimerase 
OR3 
Cro 
Repressor À 
cro 
cro 
Figura 11.27 A ligação do repressor >.. e Cro aos sítios operadores. A lisogenia é promovida pela ligação do repressor >.. a OR1 e OR2, 
que impede a transcrição de PR. Na indução ou no ciclo lítico, a ligaçãode Cro a OR3 impede a transcrição do gene c/. [Oe M. Ptashne e 
A. Gann, Genes and Signals, p. 30, Fig. 1-13. © Cold Spring Laboratory Press, 2002.] 
352 Introdução à Genética 
Hélice-giro-hélice é um motif comum 
de ligação ao DNA 
Sítio de ligação ao DNA 
Figura 11.28 A ligação de um motif hélice-giro-hélice ao DNA. 
Os ci lindros roxos são hélices alfa. Muitas proteínas reguladoras 
ligam-se como dímeros ao DNA. Em cada monômero, a hélice de 
reconhecimento (R) faz contato com as bases no sulco maior do 
DNA. [Oa Fig. 6.11, p. 494, em }. Watson et ai., Molecular Biology of 
the Gene, Sth ed. Copyright 2004 by Pearson Education, lnc. Reimpressa 
com permissão.] 
A análise cristalográfica identificou uma característica 
estrutural comum dos domínios de ligação ao DNA de À 
e Cro. Ambas as proteínas fazem contato com o DNA por 
meio de um domínio he1ice-giro-he1ice, que consiste em 
duas hélices a ligadas por uma curta região ligadora flexível 
(Figura 11.28). Uma hélice, a de reconhecimento, ajusta-se 
ao sulco maior do DNA. Nessa posição, os aminoácidos na 
face externa da hélice são capazes de interagir com grupos 
químicos nas bases do DNA. Os aminoácidos específicos na 
hélice de reconhecimento determinam a afinidade de uma 
proteína por uma sequência específica de DNA. 
As hélices de reconhecimento do repressor À e de Cro 
têm estruturas similares e alguns aminoácidos idênticos. 
As diferenças entre as hélices nos resíduos de aminoácidos 
fundamentais determinam suas propriedades de ligação ao 
DNA. Por exemplo, no repressor À e proteínas Cro, as cadeias 
laterais de glutamina e serina fazem contato com as mesmas 
bases, mas um resíduo de alanina no repressor À e resíduos 
de lisina e asparagina na proteína Cro impõem diferentes 
afinidades de ligação para sequências em OR1 e OR3 (Figu-
ra 11.29). 
Os repressores Lac e TrpR, bem como o ativador AraC e 
muitas outras proteínas, também se ligam ao DNA por meio 
de motifs hélice-giro-hélice de especificidades diferentes, de-
pendendo das sequências de aminoácidos primários de suas 
hélices de reconhecimento. Em geral, outros domínios dessas 
proteínas, como os que se ligam a seus respectivos efetores 
alostéricos, são diferentes. 
Mensagem. A especificidade biológica do gene regulador 
é devida à especificidade química das interações aminoácido--
base entre proteínas reguladoras e sequências determinadas do 
DNA. 
11.7 Fatores sigma alternativos 
regulam grandes conjuntos 
de genes 
Até agora, vimos como mudanças únicas podem controlar a 
expressão de óperons únicos ou dois óperons contendo até 
duas dúzias de genes. Algumas respostas fisiológicas, como a 
formação de esporos em determinadas bactérias Gram-positi-
vas, requerem a expressão coordenada de um grande grupo 
de genes não ligados, situados por todo o genoma, para causar 
mudanças fisiológicas e morfológicas acentuadas. O processo 
de esporulação no Bacillus subtilis foi analisado em grande 
detalhe nas últimas décadas. Sob estresse, a bactéria forma 
esporos muito resistentes ao calor e ao ressecamento. 
No início do processo de esporulação, a bactéria divi-
de-se assimetricamente, gerando dois componentes de 
tamanhos desiguais que têm destinos muito diferentes. O 
compartimento menor, o pró-esporo, desenvolve-se no espo-
ro. O compartimento maior, a célula-mãe, nutre o esporo 
em desenvolvimento e sofre lise quando a morfogênese do 
esporo se completa para liberá-lo (Figura 11.30a). O deta-
lhamento genético desse processo envolveu o isolamento de 
muitos mutantes que não conseguem esporular. Investiga-
ções detalhadas levaram à caracterização de várias proteínas 
As cadeias laterais de aminoácidos determinam a especificidade da ligação ao DNA 
Repressor Cro 
(' Vai Fen (' lle lle 
Gln Gli Gli Leu Asn Gln Ala Asn Ala His 
Ser Ala Ser j _ Lis /_ 
T A T e T G T A T \ C e T T 
OR1 OR3 A T G G A G A e e A T A G G G A A C 
Figura 11.29 Interações de aminoácidos e bases determinam a especificidade e a afin idade das proteínas de ligação ao DNA. As sequências 
de aminoácidos das hélices de reconhecimento do repressor>.. e das proteínas Cro são mostradas. As interações entre glutamina (Gln), serina 
(Ser) e alan ina (Ala) do repressor>.. e as bases do operador OR determinam a força da ligação. Similarmente, as interações entre glutamina, 
serina, asparagina (Asn) e lisina (Lis) da proteína Cro medeiam a ligação ao operador OR3• Cada sequência de DNA mostrada é ligada a um 
monômero do respectivo repressor. Ela tem metade do sítio operador ocupado pelo dímero do repressor. [Oe M . Ptashne, A Genetic Switch: 
Phage À and Higher Organisms, 2nd ed. Copyright 1992 by Cell Press e Blackwell Scientific.] 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 353 
fundamentais que regulam diretamente programas de 
expressão gênica específicos do pró-esporo ou da célula-mãe. 
Quatro dessas proteínas são fatores a alternativos. 
Lembre que o início da transcrição em bactérias inclui 
a ligação da subunidade a da RNA polimerase às regiões 
-35 e -10 dos genes promotores. O fator a dissocia-se do 
complexo quando a transcrição começa e é reciclado. No 
B. subtilis, dois fatores a, aA e aH, são ativos nas células 
vegetativas. Durante a esporulação, um fator a diferen-
te, aF, torna-se ativo no pró-esporo e ativa um grupo de 
mais de 40 genes. Um gene ativado por a F é uma proteína 
secretada que, por sua vez, dispara o processamento pro-
teolítico do precursor inativo pró-aE, um fator a distinto 
na célula-mãe. O fator a E é necessário para ativar conjun-
tos de genes na célula-mãe. Dois fatores a adicionais, aK 
e ac, são subsequentemente ativados na célula-mãe e no 
pró-esporo, respectivamente (Figura 11.30a). A expressão 
de fatores a distintos permite a transcrição coordenada 
de conjuntos diferentes de genes, ou regulons, por uma 
única RNA polimerase. 
Como esses fatores a alternativos controlam aspectos 
diferentes do processo de esporulação? As respostas ficaram 
claras com o advento de novos enfoques para a caracterização 
da expressão de todos os genes em um genoma (veja a Seção 
14.6). Hoje é possível monitorar a transcrição de cada gene 
de B. subtilis durante o crescimento vegetativo e a forma-
ção de esporos, e em compartimentos diferentes do esporo. 
Várias centenas de genes foram identificadas desse modo, 
sendo ativadas transcricionalmente ou reprimidas durante a 
formação de esporos. 
Como os diferentes conjuntos de genes são controlados 
por cada fator a? Cada fator a tem propriedades diferentes 
de ligação sequência-específica ao DNA. Os óperons ou genes 
individuais regulados por fatores a específicos têm sequências 
características nas regiões -35 e -10 de seus promotores que 
são ligadas por um fator a e não por outros (Figura 11.30b). 
Por exemplo, a E liga-se a, pelo menos, 121 promotores, dentro 
de 34 óperons e 87 genes individuais, para regular mais de 
250 genes, e aF liga-se a, pelo menos, 36 promotores para 
regular 48 genes. 
Mensagem. A expressão sequencial de fatores cr alternativos 
que reconhecem sequências promotoras alternativas fornece a 
expressão coordenada de um grande número de óperons inde-
pendentes e genes não ligados durante o programa de desenvol-
vimento da esporulação. 
Fatores a alternativos também são importantes na viru-
lência de patógenos humanos. Por exemplo, as bactérias 
do gênero Clostridium produzem toxinas potentes que são 
Os fatores a controlam grupos de genes não ligados 
(a) 
(b) 
Célula 
vegetativa 
Pró-esporo 
~----
(JF 
Célula-mãe 
---- ' 
1 
1 
1 
1 
\ I 
' I ' / ' , --- ---
Esporo 
Promotor Se uência codificadora 
-35 +1 
Promotores regulados por aE 
-35 -10 
ybaN 
ydcC 
ydcA 
TCGG TTATATTCAATTGT-CCATGCTCATAAGAT .. . 
GTCT GCATATTAGGGAAA-CCCCACTCATATATT .. . 
TACGTACTATTTAAATGG-TTTTTCTCATAAACG .. . 
Promotores regulados por aF 
yrrR ATCTGTTTAGCAGCGAAACACCTCGTCCACAATG .. . 
ytfT CCGGGTTTATTTTTTT-AGGAATTGGCGATAATG .. . 
yuiC TTTT GAATAATGCTCTCTCCACTTGGGAACAATG .. .Figura 11.30 A esporulação no Bacil/us subti/is é regulada por cascatas de fatores cr. (a) Nas células vegetativas, crA e crH estão ativos. 
No início da esporulação, crF é ativo no pré-esporo e cre é ativo na célula-mãe. Esses fatores cr são então superados por crc e crK, respecti-
vamente. A célula-mãe acaba lisando e liberando o esporo maduro. (b) Os fatores cre e crF controlam os regulons de muitos genes (ybaN, e 
assim por diante, nessa ilustração). São mostrados três exemplos do grande número de promotores regulados por cada fator cr. Cada fator 
cr tem uma sequência de ligação distinta e específica de preferência nas sequências -35 e -1 O dos promotores-alvo. [Baseada em dados de 
P. Eichenberger et ai.,}. Mo/. Bio/. 327, 2003, 945-972; e S. Wang et ai.,}. Mo/. Bio/. 358, 2006, 16-37.) 
354 Introdução à Genética 
responsáveis por doenças graves, como botulismo, tétano e 
gangrena. Genes importantes das toxinas de C. botulinum, C. 
tetani e C. perfringens recentemente foram descobertos, e são 
controlados por fatores a alternativos, correlatos, que reco-
Resumo 
A regulação gênica é, com frequência, mediada por proteínas 
que reagem a sinais ambientais, aumentando ou diminuindo 
as taxas de transcrição de genes específicos. A lógica dessa 
regulação é direta. Para que a regulação opere apropriada-
mente, as proteínas reguladoras têm sensores internos que, 
continuamente, monitoram as condições celulares. As ativi-
dades dessas proteínas dependeriam, então, das condições 
ambientais apropriadas. 
Nas bactérias e seus vírus, o controle de vários genes estru-
turais pode ser coordenado aglomerando-se genes em óperons 
no cromossomo, de modo que sejam transcritos em mRNA 
multigênicos. O controle coordenado simplifica a tarefa das 
bactérias, porque um grupo de sítios reguladores por óperon 
é suficiente para regular a expressão de todos os genes do ópe-
ron. Alternativamente, o controle coordenado também pode 
ser obtido por distintos fatores a que regulam simultaneamen-
te dúzias de promotores independentemente. 
Termos-chave 
nhecem sequências similares nas regiões -35 e -10 dos genes 
de toxina. A compreensão dos mecanismos de regulação dos 
genes de toxina pode levar a novos modos de prevenção de 
doenças e terapia. 
No controle regulador negativo, uma proteína repressora 
bloqueia a transcrição ligando-se ao DNA no sítio operador. 
O controle regulador negativo é exemplificado pelo sistema 
lac. A regulação negativa é um modo bem direto de o siste-
ma lac desligar genes na ausência de açúcares apropriados 
no ambiente. No controle regulador positivo, são necessários 
fatores proteicos para ativar a transcrição. Alguns controles 
gênicos procarióticos, como o da repressão catabólica, ope-
ram por controle gênico positivo. 
Muitas proteínas reguladoras são membros de famílias de 
proteínas que têm motifs de ligação ao DNA muito similares, 
como o domínio hélice-giro-hélice. Outras partes das proteí-
nas, como seus domínios de interação proteína-proteína, ten-
dem a ser menos similares. A especificidade da regulação 
gênica depende das interações químicas entre as cadeias late-
rais de aminoácidos e grupos químicos nas bases do DNA. 
ação eis (p. 337) 
antiterminalizador (p. 349) 
atenuação (p. 346) 
atenuador (p. 346) 
ativadores (p. 333) 
efetor alostérico (p. 334) óperon (p. 335) 
promotor (p. 333) genes controlados coordenadamente 
(p. 334) 
indução (p. 335) 
indutores (p. 335) 
iniciadora (p. 343) 
proteína ativadora do catabolismo 
(CAP) (p. 341) 
regulons (p. 353) 
ciclo lisogênico (p. 348) 
ciclo lítico (p. 348) 
controle negativo (p. 343) 
controle positivo (p. 343) 
diploides parciais (p. 337) 
interruptores genéticos (p. 333) 
monofosfato cíclico de adenosina 
repressão catabólica (p. 341) 
repressores (p. 333) 
sequência líder (p. 346) 
(cAMP) (p. 341) 
domínio de ligação ao DNA (p. 334) 
mutações constitutivas (p. 337) 
operador (p. 333) 
sítio alostérico (p. 334) 
transatuante (p. 338) 
transição alostérica (p. 335) 
1 Problemas resolvidos 
Este conjunto de quatro problemas resolvidos, que é similar ao 
Problema 10 dos Problemas Básicos no fmal deste capítulo, é 
destinado a testar a compreensão do modelo do óperon. Aqui, 
damos vários diploides e temos de determinar se os produtos dos 
genes Z e Y são obtidos na presença ou na ausência de um indutor. 
Use uma tabela similar à do Problema 10 como base para suas 
respostas, mas os cabeçalhos das colunas serão os seguintes: 
Genótipo 
Sem 
indutor 
Gene Z Gene Y 
Sem 
Indutor indutor Indutor 
Problema resolvido 1. 
Solução 
1-p-oc z+y+ 
1+p+o+z-y-
Um modo para abordar esses problemas é primeiro consi-
derar cada cromossomo separadamente e, então, construir 
um diagrama. A ilustração seguinte é um diagrama desse 
diploide: 
Capítulo 11 1 Regulação da Expressão Cên ica em Bactérias e seus Vírus 355 
+ • • • • 
Q RNA polimerase não 
consegue se ligar: 
não há transcrição 
+ o+ 
t i a Sem 
RNA polimerase • enzima 
consegue ligar-se ativa 
t 
Sem 
• enzima 
ativa 
O primeiro cromossomo é P- e, assim, a transcrição está blo-
queada e nenhuma enzima Lac pode ser sintetizada a partir 
dele. O segundo cromossomo (P+) pode ser transcrito e, por-
tanto, a transcrição é repressível (O+). Entretanto, os genes 
estruturais ligados ao bom promotor são defeituosos; logo, 
nenhum produto ativo Z ou Y pode ser gerado. Os símbolos 
a serem adicionados à sua tabela sa-o "- - - - " ' ' ' . 
Problema resolvido 2. 
Solução 
1+ p-o+ z+y+ 
1-p+o+z+y-
O primeiro cromossomo é P- e, assim, nenhuma enzima 
pode ser produzida por ele. O segundo cromossomo é o+ 
e, assim, a transcrição é reprimida pelo repressor fornecido 
pelo primeiro cromossomo, que pode agir em trans através 
do citoplasma. Entretanto, apenas o gene Z desse cromosso-
mo está intacto. Portanto, na ausência de um indutor, não é 
feita nenhuma enzima; na presença de um indutor, apenas o 
produto do gene Z, a f3-galactosidase, é gerado. Os símbolos 
para adicionar à tabela são "-, +, -, -." 
+ • • • • 
t 
lil: 
• • • • 
O RNA polimerase 
não pode ligar-se: 
sem transcrição 
e_- + + 
Repressão na 
ausência de 1 PTG 
o+ 
t i t a lim Enzima 
Indução ativa na 
na presença presença 
delPTG de lPTG 
+ 
\".-
t 
Sem 
• enzima 
ativa 
Problema resolvido 3. 
Solução 
J+ p+oc z-y+ 
J+ p-o+ z+y-
Como o segundo cromossomo é P-, precisamos considerar 
apenas o primeiro cromossomo, oc, e assim a enzima é feita 
na ausência de um indutor, embora, devido à mutação z-, 
apenas a permease ativa seja gerada. As entradas na tabela 
devem ser " - - + + " ' ' ' . 
o 
.:::::E+ =::J · · · · Cl:e.~+=:ãcc:::::::z::::::~=\".E+=~ 
Repressor não pode ligar-se 
ao operador oc t 
Sem 
Enzima ativa na 
presença e na 
enzima ausência de 
i:=:::l~IJ ativa um indutor ~ ···· C:J-::::::;p~-::---fr+.--~....:;~+.:...~-~~~~~ 
Sem transcrição: 
a RNA polimerase não pode ligar-se 
Problema resolvido 4. 
Solução 
1s p+o+z+y-
1- p+oc z-y+ 
Na presença de um repressor JS, todos os operadores do tipo 
selvagem são "desligados", tanto com um indutor quanto sem 
um indutor. Portanto, o primeiro cromossomo é incapaz de 
produzir alguma enzima. Entretanto, o segundo cromossomo 
tem um operador alterado ( oc) e produz enzima tanto na 
,.. . 
ausenc1a quanto na presença de um indutor. Apenas o gene 
Y é do tipo selvagem no cromossomo oc e, assim, só a per-
mease é produzida constitutivamente. As entradas na tabela 
devem ser"- - + + " ' ' ' . 
o 
Sem transcrição 
~::i!:~ · · · · e:De.~+ l o"'!+---___:---.;:--.,. s ~ + + 
t 
ril! 
Sem * repressor 
.../Repressor JS 
------ liga-se ao operador 
Repressor não pode 
ligar-se ao operador oc 
mesmo na .g 
presença de 1 PTG 
ativo 
._ ____ .-.__.__, ···· C:J:te.~+:::1E:c::::::::::z::::::::::::::~:=_)'.\".~+:::::= 
o Sem Enzima ativa enzima na presença e na 
ativa ausência de 1 PTG 
356 Introdução à Genética 
Problemas 
Questões sobre as figuras 
1. Compare a estrutura do IPTG mostrada na Figu-
ra 11.7 com a estrutura