Controle Expressao Genica I- BCM 24/09

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UNINOVE
Controle Expressão
Gênica I
BCM
Referênci� bibliográfic�
Gene e o projeto genoma
➔ ´´Gene é uma sequência de DNA que
especifica a produção funcional, seja um
polipeptídeo ou uma molécula de RNA
funcional. Um gene inclui não apenas as
sequências codificantes de nucleotídeos
reais, mas também as sequências de
nucleotídeos adjacentes necessários para
a expressão adequada do gene, isto é,
para a produção de RNAm normal ou de
outras moléculas de RNA na quantidade
correta, no local correto e no tempo
correto durante o desenvolvimento ou
durante o ciclo celular´´;
➔ Genoma humano: enorme coleção de
genes dentro de cada uma das células
dos seres vivos. O genoma humano é
sequenciado.
◆ Genoma é o conjunto de todos
os genes, e algo mais que forma
o organismo. Genes são feitos de
DNA, e DNA é feito de um longo
par de filamentos de A (Adenina),
T (Timina), C (Citosina), e G
(Guanina);
➔ O genoma é o código que as células
utilizam para se comportar. Células
formam tecido, tecido formam órgãos,
órgãos formam um sistema.
Qual a composição de um gene?
➔ A composição de um gene eucarioto vai
muito além da região a ser transcrita.
Como o gene está disposto na fita de DNA?
➔ Para que a transcrição ocorra, o gene
precisa estar acessível na fita de DNA;
1. Cromossomo;
2. Cromatina;
3. Nucleossomo;
4. Histona;
5. DNA;
6. Eucromatina;
7. Heterocromatina;
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O que a experiência abaixo responde? Sim ou
não?
➔ DNA de tipos celulares especializados de
organismos multicelulares ainda contém
o conjunto de instruções completo e
necessário para formar um organismo
inteiro. ´´Os vários tipos de células de um
organismo, dessa forma, diferem não
porque contém genes diferentes, mas
porque os expressam
diferententemente´´.
O que justifica então as duas células terem o
mesmo genoma e serem tão diferentes?
➔ Controle de expressão gênica: Dita como
os genes serão expressos em proteínas;
◆ No início do controle, podemos
usar os genes de forma seletiva,
ativando ou desativando-os. No
exemplo, os genes distintos nas
células foram ativados,
resultando em proteínas
distintas;
Proteínas específicas de uma célula são
denominadas?
➔ Especializadas
➔ Constitutivas (Housekeeping);
Regular a função do gene para célula ter uma
expressão gênica correta.
● Genes constitutivos: genes que são
constantemente expressos (sempre
expressos);
● Genes induzíveis: genes cuja expressão
varia de acordo com as condições da
célula;
Insulina gene induzível;
Se diminuir a proteína: reprime
a transcrição e diminui o acesso d
da RNA polimerase ao promotor;
Se aumentar a proteína:
favorece a transcrição e facilita
o acesso RNA polimerase ao
promotor.
➔ RNAm controla a saída do núcleo;
Ativando e desativando genes da diferenciação
celular
➔ Célula 1: Neurônio
◆ Gene que codifica proteínas
constitutivas ;
◆ Gene que codifica
neurotransmissor ;
◆ Gene que codifica anticorpos
;
➔ Célula 2: Plasmócito
◆ Gene que codifica proteínas
constitutivas ;
◆ Gene que codifica
neurotransmissor ;
◆ Gene que codifica anticorpos
;
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Todas as células expressam genes de maneiras
diferentes. Tem o mesmo material genético, o que
diferencia uma da outra é a expressão gênica;
Em quais etapas do genoma central ocorre o
controle da expressão gênica?
➔ Célula: unidade básica de todo o
organismo vivo;
➔ Núcleo: contém o genoma; nos humanos
o genoma é dividido entre 23 pares de
cromossomos, cada cromossomo
contendo uma longa fita de DNA
empacotado por proteínas, as histonas.
➔ Dentro de DNA há os genes, os quais
contém instruções para fazer proteínas.
Quando um gene é ligado, uma enzima
chamada RNA polimerase se conecta ao
gene, então esta enzima se move ao
longo do DNA fazendo uma fita de RNAm
(a partir de bases livres dentro do núcleo),
o código do DNA que determinará a
ordem em que as bases livres serão
adicionadas ao RNAm (processo
chamado de transcrição). Antes de ser
usado para a produção de proteínas, o
RNA precisa ser processado (adição e
remoção do RNA);
◆ Fábricas de proteínas
(ribossomos) se liga ao RNAm,
então o ribossomo lê o RNAm
produzindo uma cadeia de
aminoácidos (20 tipos), são as
moléculas do RNAm que levam
os a.a até o ribossomo;
➔ O RNAt entrega o devido a.a a cadeia
correta;
Etapas de controle da expressão gênica
1. Pré-transcricional: controle do grau de
compactação do DNA;
2. Transcricional: controle dos processos
de síntese de RNAm;
3. Processamento de RNAm: controle dos
processos de maturação do RNA
mensageiro;
4. Transporte de RNAm: controle da
exportação do RNAm a partir do núcleo
em direção ao citoplasma;
5. Estabilidade do RNA: controle de
degradação das moléculas de RNAm;
6. Traducional: controle dos processos de
tradução da fita de RNAm em proteínas
pelos ribossomos;
a. por meio do RNAm quando está
no citoplasma, controlando a
estabilidade;
b. Todo o RNAm tem um cap5 e um
poliA;
7. Atividade da proteína: controle sobre a
ativação, desativação ou endereçamento
da proteína para o compartimento
correto;
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Uma célula pode controlar as proteínas que produz
por (1) controle de quando e quão frequentemente
um determinado gene é transcrito, (2) controle de
como a transcrição de RNA é submetida a splicing
ou de alguma outra maneira processada, (3)
seleção de quais mRNAs são exportados do núcleo
para o citosol, (4) degradação seletiva de certas
moléculas de mRNAs, (5) seleção de quais mRNAs
são traduzidos por ribossomos, ou (6) ativação ou
inativação seletiva de proteínas após a sua
produção;
Controle pré-trasncricional:
1. Epigenética
➔ Epigenética são modificações químicas
no DNA e histonas (metilação, acetilação)
que resultam na mudança fenotípica do
indivíduo sem ocorrer nenhuma alteração
na sequência do DNA;
➔ A epigenética sofre influência de sinais
ambientais, comportamentais,
fisiológicos e patológicos;
A estrutura da cromatina pode ser alterada por
complexos de remodelamento da cromatina e
enzimas que covalentemente modificam as
proteínas histonas que formam o centro do
nucleossomo. Muitos ativadores gênicos se
utilizam desses mecanismos pelo recrutamento
dessas proteínas aos promotores .
2. Acetilação de histonas
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3. Desacetilação de histonas
➔ Modificações de histonas, que
pode ser causada por
superexpressão ou recrutamento
de H dax. Dentro do cromossomo
DNA é empacotado em
cromatina. A cromatina consiste
em proteínas histonas
estruturais de DNA estruturais e
proteínas não histonas.
➔ Dentro da cromatina, a unidade
de repetição é o nucleossomo;
◆ Nucleossomos: são
feitos de 146 pares de
bases envoltas por DNA
em torno de um núcleo
de 8 histonas, as
histonas são
responsáveis por
manter a forma e
estrutura da cromatina.
➔ Modificações epigenéticas,
como a acetilação das histonas,
ocorrem nas caudas terminais
do amino das histonas que
protegem os nucleossomos
(desempenham papel importante
na expressão gênica);
4. Metilação do DNA
Controle de Expressão gênica transcricional
em eucarioto
➔ 1. região de controle gênico (promotor +
regulador)
Regulador
● Sequências reguladoras no DNA;
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● Proteínas reguladoras (ativadores ou
repressoras) Fatores de transcrição
ESPECÍFICOS;
● Proteínas mediadoras (coativadoras e
correpressoras);
Promotor
➔ TATABox no DNA;
➔ Proteínas (fatores gerais de transcrição
BASAL);
➔ RNA polimerase II;
➔ 2. Alça do DNA que se dobra
➔ 3. proteínas ativadoras e repressoras
● Proteínas ativadoras: auxilia na
atração a RNA polimerase, ajuda
a posicionar o RNA pol II, ajuda a
liberar a RNA pol II para iniciar a
transcrição, se conecta com
fatores de transcrição basal,
acelerando sua associação com
o promotor; ATUAM NOS
PROMOTORES que são hábeis a
ligarem-se e posicionarem-se na
RNA-polimerase; podem ser
fracamente reconhecidas pela
polimerase; mas os promotores
fracamente funcionais podem
tornar-se totalmente funcionais
por proteínas ativadoras que se
ligam a sítios próximos do DNA e
fazem contatos com
RNA-polimerase auxiliando no
início da transcrição;
´´Enhancers´´ são sequências
reguladoras de DNA intensificadorasnos
eucariotos. Quando proteínas reguladoras
(ativadoras) estão ligadas nestas
sequências adicionais, aumentam a
transcrição dos promotores;
interagem com uma segunda molécula
para ligar-se ao DNA. Ex: proteína
ativadora bacteriana CAP tem de ligar-se
ao AMP cíclico (cAMP) antes que possa
ligar-se ao DNA. Genes ativados por CAP
são estimulados em resposta a um
aumento da concentração intracelular de
cAMP, o qual sinaliza para a bactéria que
a glicose, sua fonte de carbono preferida,
não está mais disponível; como resultado,
enzimas capazes de degradar outros
açúcares são produzidas.
● Proteínas repressoras: o estado
padrão do DNA eucariótico
empacotado em nucleossomos
resiste a transcrição, eucariotos
usam reguladores
transcricionais para reprimir a
transcrição de genes. Isso
ocorre quando atinge um
número ideal de proteínas.
Quando um gene é expresso com
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muita frequência na célula, mas
que em algum momento eu
preciso parar de produzir;
Controle transcricional
➔ Macrófago (PRR) reconhece a bactéria
(PAMP)- sinal externo;
➔ Cascata de sinalização que ativa o fator
de transcrição específico NF-kB presente
no citoplasma;
➔ NF-kB vai para o núcleo e se liga ao sítio
para fatores de transcrição específicos;
➔ Participação de proteínas mediadoras;
➔ Alça de DNA se dobra e faz conexão entre
região reguladora e promotora;
➔ Início da transcrição e posteriormente
tradução de citocinas inflamatórias;
TRANSCRIÇÃO EM EUCARIOTOS acontece no
NÚCLEO;
Controle Expressão Gênica Processamento
RNAm em eucarioto
➔ Splicing alternativo
◆ reorganização da combinação
dos éxons;
◆ Ocorre individualmente
(produção da proteína A é uma,
de B outra);
Alguns pré-mRNAs podem ser processados de
mais de uma maneira. Assim, mRNAs contendo
diferentes grupos de éxons podem ser gerados a
partir de um mesmo pré-mRNA. Esse processo é
denominado splicing alternativo e, por meio dessa
estratégia, um gene pode dar origem a mais de um
produto polipeptídico. Esses produtos alternativos
são chamados de isoformas. Estima-se que 90%
ou mais dos genes do genoma humano possam
sofrer splicing alternativo, gerando mais de uma
isoforma;
Gene submetido ao spicing? Que codifica
Creatinoquinase (CK), uma enzima com vasta
distribuição tissular, que desempenha importante
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papel regulador no metabolismo intracelular dos
tecidos contráteis;
➔ Poliadenilação
◆ anexo da cauda;
◆ IgM de membrana (conectado a
membrana da célula); IgM
secretada (precisa ser
secretado); O IgM secretada não
é um receptor, ele precisa
apenas sair da célula;
◆ Para produzir o IgM de
membrana permanece com os
éxons vermelho e azul,
continuando com estes
anticorpos qu vão secretar a
célula;
◆ Já no IgM secretada, é add uma
cauda poli A, significando que o
RNA já está maduro, pronto para
ser transcrito;
➔ Edição RNAm
◆ Desaminação da Citosina:
retirada de um grupo amina da
citosina; Gera Uracila (pareia
com Adenina);
Controle Expressão Gênica Pós-transcricional-
Transporte RNAm em eucarioto
➔ Transporte RNAm
Um conjunto especializado de ligação ao RNA
sinaliza que o mRNA maduro está pronto para ser
exportado para o citoplasma. Como indicado a
esquerda. o quepe e a cauda Poli-A de uma
molécula madura de mRNA estão ´´marcadas´´ por
proteínas que reconhecem essas modificações.
Além disso, um grupo de proteínas denominadas
complexo de junção do éxon (EJC) é depositado
sobre o mRNA após o RNA ter sofrido o splicing
adequadamente. Quando o mRNA é considerado
´´pronto para exportação´´, um receptor de
transporte nuclear se associa a ele guiando-o
através do poro nuclear. Uma vez no citosol, o
mRNA pode perder algumas proteínas nas
anteriormente ligadas e adquirir outras.
Transporte de uma grande molécula de mRNA pelo
complexo do poro nuclear. (A) maturação de uma
molécula de mRNA conforma ela é sintetizada pela
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RNA-polimerase e empacotada pelas diversas
proteínas nucleares.
➔ Estabilidade RNAm
◆ RNA de interferência (iRNA) são
pequenas moléculas de RNA
(19-28 nucleotídeos) presentes
no citoplasma que controlam a
etapa de estabilidade do RNAm
na expressão gênica.
◆ orquestram a destruição de
moléculas de RNA ´´estranhos´´,
especialmente os de fita dupla.
➔ microRNA (miRNA)
◆ RNA não codificante, encontrado
em plantas e animais;
◆ Humanos produzem 400
diferentes miRNAs, que parecem
regular ao menos um terço de
todos os genes que codificam
proteínas; Esses RNAs
regulatórios pequenos controlam
a expressão de genes por
pareamento de bases com
mRNAs específicos, além de sua
estabilidade e tradução;
◆ sofre tipo especial de
processamento para produzir o
miRNA maduro, o qual se associa
com proteínas especializadas
para formar um complexo
silenciador induzido por RNA
(RISC);
◆ RISC:patrulha o citoplasma
procurando por mRNAs que
sejam complementares ao
miRNA que carregam.
◆ Uma vez que o miRNA pareia
com miRNA, ele é destruído
imediatamente por uma
nuclease presente dentro do
RISC, ou sua tradução é
bloqueada;
➔ Estabilidade RNAm
◆ Diabetes tipo 2
● miR-375, regula a
secreção de insulina em
células B de pâncreas
de camundongo,
inibindo a expressão de
miotrofina (induz a
exocitose da insulina);
◆ Câncer
● 50% dos genes de
miRNAs estão
localizados em sítios
genômicos associados
ao câncer;
● miRNA pode impedir a
tradução de proteínas
envolvidas no sistema
imune;
● miRNA pode impedir a
tradução de um
oncogene;
● miRNA pode impedir a
tradução de um gene
supressor de tumor;
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● miRNA como alvo
terapêutico (ex: câncer
de pâncreas);
◆ Infecção
● Alvo terapêutico para o
S. mansoni. Está sendo
desenhado um iRNA que
inative a tradução de
proteínas essenciais
para o metabolismo do
helminto. EXCLUSIVO
para o helminto, sem
correspondente em
humanos;
Controle Expressão Gênica Traducional em
eucarioto
➔ Fosforilação e desfosforilação de eIFs
◆ Ativação ou desativação de eIFs
(eIF2, eIF4);
◆ Ex: adição de fosfato-eIF2
inativo;
◆ Ex: retirada fosfato- eIF2 ativo;
➔ Síntese da globina em reticulócito
◆ Start 1: Níveis ALTOS de HEME
● Heme impede a
fosforilação de eIF2 por
ação enzimática (heme
quinase);
● Globina é produzida;
◆ Start 2: níveis BAIXOS de HEME
● ausência ou pouco
heme permite
fosforilação de IF-2 por
ação enzimática;
● Globina não é
produzida;
Controle de Expressão Gênica Atividade
proteica Co-traducional/Pós- traducional em
eucarioto
➔ Ativação ou desativação de proteínas
(fosforilação);
◆ Pode ativar ou desativar
proteínas, dependendo da
proteína;
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◆ Metabolismo glicogênio
➔ Enovelamento de proteínas (ligações
químicas, glicosilação, chaperonas,
chaperoninas)
➔ Destruição de proteínas (ubiquitinação)
◆ Proteínas podem ser marcadas
para degradação pela adição de
um marcador chamado
Ubiquitina. A proteína marcada é
reconhecida por uma protease
(podendo estar presente dentro
do proteossomo) responsável
por destruir proteínas marcadas
para degradação.
➔ Endereçamento de proteínas (sequencia
sinal)
Contextualizando
Suas bactérias da microbiota intestinal, após uma
refeição, têm à disposição diferentes fontes de
energia: lactose, glicose, galactose. Tendo em
mente que para cada um destes carboidratos
utilizados será necessário acionar proteínas
específicas de uma via metabólica, qual das
opções a bactéria deve utilizar?
ALTERNATIVA A. Ela fica de prontidão, com todo o
arsenal de enzimas e proteínas simultaneamente
disponível para degradar todo e qualquer tipo
diferente de carboidrato
ALTERNATIVA B. Ela inicialmente identifica o
carboidrato preponderante e assim ativa as
cascatas metabólicas necessárias à sua
degradação e em consequência, inativa as
demais.
Operon
➔ Conjunto de genes sob o controle de um
único promotor;
➔ Em geral, um Operon contém genes que
atuam em um mesmo processo;
➔ O Óperon do triptofano: dentro do
promotor está uma pequena sequência
de DNA (15 nucleotídeos de comprimento)
que é reconhecida por uma proteína de
regulação gênica. Quando a proteína de
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regulação gênica se liga a essa sequência
nucleotídica, operador, bloqueia o acesso
daRNA-polimerase ao promotor; isso
impede a transcrição do óperon e a
produção das enzimas produtoras de
triptofano. Essa proteína de regulação
gênica é conhecida como repressor do
triptofano e é regulada de forma
engenhosa: o repressor pode ligar-se ao
DNA somente se ele estiver também
ligado a várias moléculas do aminoácido
triptofano.
➔ O repressor triptofano é uma proteína
alostérica: a ligação triptofano induz
alteração na sua estrutura tridimensional
de maneira que ela pode ligar-se ao
operador de DNA. Quando a concentração
de triptofano livre na cél. cai, o repressor
não se liga mais ao triptofano, não se
ligando mais ao DNA, e o óperon do
triptofano é transcrito.
➔ Repressor: mecanismo que ativa e
desativa a produção de um conjunto de
enzimas biossintéticas de acordo com a
disponibilidade do produto final da via
que as enzimas catalisam.
➔ Proteína processadora
◆ Ativa e desativa o gene
Resumindo:
➔ Uma célula eucariótica típica expressa
somente uma fração dos seus genes, e os
distintos tipos de células em organismo
multicelulares surgem porque diferentes
conjuntos de genes são expressos ao
longo da diferenciação celular;
➔ A regulação das etapas envolvidas na
expressão de um gene indica o início da
transcrição (ponto mais importante do
controle);
➔ Cada proteína apresenta característica
única. Maioria se liga ao DNA usando
pequeno nº de motivos proteicos
estruturais. A sequência de
aminoácidos precisa estar dobrada no
motivo de ligação ao DNA que
determina a sequência particular de
DNA que é reconhecida.
➔ Em bactérias, as proteínas reguladoras
normalmente ligam-se as sequências
regulatórias de DNA próximas de onda a
RNA-polimerase se liga e então ativam ou
reprimem a transcrição do gene. Em
eucariotos, essas sequências regulatórias
de DNA são frequentemente separadas do
promotor por muitos milhares de pares
de nucleotídeos;
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➔ Os reguladores transcricionais
eucarióticos atuam de 2 maneiras
fundamentais: (1) eles podem afetar
diretamente o processo de montagem da
RNA-polimerase e dos fatores gerais de
transcrição no promotor, e (2) podem
modificar localmente a estrutura da
cromatina das regiões promotoras;
➔ Nos eucariotos, a expressão de um gene é
normalmente controlada por uma
combinação de reguladores
transcricionais;
➔ Células em organismos multicelulares
têm mecanismos que permitem sua
progênie de ´´relembrar´´ que tipo de
célula elas deveriam ser.
➔ MicroRNAs (miRNAs) controlam a
expressão gênica pelo pareamento de
bases com mRNA específicos, regulando
sua estabilidade e tradução;
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