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Transcrição Introdução • Transcrição é a construção de uma fita de RNA a partir de uma fita-molde de DNA. Sendo que, todo e qualquer RNA da célula é formado a partir da transcrição; • Para isso, é utilizada uma fita do DNA, não a fita dupla, e não é transcrevendo a fita toda, mas apenas uma parte dela; • A formação do DNA e do RNA é feita com a ligação dos nucleotídeos pela ligação fosfodiéster. Os nucleotídeos são formados por uma pentose, uma base nitrogenada (ligada ao C1’ da pentose) e um grupo fosfato (ligada ao C5’ da pentose); • As bases nitrogenadas são divididas em: - Purinas: adenina e guanina. Possuem dois anéis aromáticos; - Pirimidinas: uracila, citosina e timina. São formadas por um único anel; • As pentoses são diferentes entre os diferentes ácidos nucleicos; • A ligação fosfodiéster entre nos nucleotídeos é feita entre a hidroxila do carbono 3’ e o grupo fosfato que está ligado a hidroxila do carbono 5’. Dessa forma, na extremidade 5’ está livre um grupo fosfato e na extremidade 3’ a hidroxila livre, fazendo com que o crescimento do DNA seja feito no sentido 5’ à 3’; • DNA: ele é o repositório da informação genética; - Durante o processo da duplicação, toda a fita é duplicada e, na transcrição, apenas um pedaço é transcrito em RNA; - Suas ligações são dispostas de forma que a ligação entre os nucleotídeos em cada fita é do tipo fosfodiéster, enquanto as ligações entre as bases nitrogenadas são do tipo ligação de hidrogênio; - O DNA é formado por uma dupla-hélice pela ligação hidrofóbica entre as bases nitrogenadas, que dão essa conformação; • Ocorre sempre uma ligação entre uma base purina e outra pirimidina; • RNA: trata-se de um polímero linear composto por 4 unidades diferentes de subunidades nucleotídeas, ligadas entre si pela ligação fosfodiéster; - Possui a ribose como pentose = ribonucleotídeos; - A base complementar a adenina é a uracila, ao invés da timina; - Em seres humanos é formado por uma fita simples. → Dogma central: • DNA à RNA à produto funcional (pode ser proteína ou outro tipo de RNA); • DNA à RNAm à proteína; • A transcrição do DNA em RNA e a tradução do RNA em proteína são modos que a célula tem de ler e expressar seus genes. → Gene: • Trata-se de uma parte de DNA que possui todas as sequências de nucleotídeos que levam a síntese de um produto, que pode Marianne Barone (15A) Disciplina – Prof. Marianne Barone (15A) Biologia Molecular – Prof. Jeruza Arantes ser RNAm para a síntese de proteína ou outros tipos de RNAs; • Ele inclui as regiões codificantes e as regiões não-codificantes/reguladoras; • As sequências codificantes podem ser interrompidas por sequências sem funções de codificadora: - Éxons: codificantes; - Introns: não-codificantes; • Os genes podem ter cópia simples ou múltiplas no genoma, ou seja, podem estar presentes em apenas um cromossomo ou em vários deles; • Cerca de 98% dos genes humanos são não-codificantes. Eles podem estar envolvidos em regulação da parte codificante e aumento no número de proteínas existentes em relação ao número menor de genes (cerca de 30 mil genes para 100 mil proteínas); • As células podem, quando necessário, sintetizas uma grande quantidade de proteína a partir de um simples gene, visto que, muitas cópias de um mesmo RNA podem ser feitas de um mesmo gene e cada RNA pode ser traduzido em várias proteínas. Transcrição • Trata-se de um processo de síntese de RNA a partir de um molde de RNA; • É um processo seletivo, em que apenas algumas regiões do DNA são transcritas, sendo elas, em geral, os genes; • Ela tem início com a abertura e desespiralização de uma pequena porção da dupla-hélice do DNA, o que expõe as bases em cada fita do DNA. → Características: • A dupla-fita do DNA é aberta, ou seja, as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas são quebradas pela ação de enzimas específicas; • O processo de polimerização do DNA é feito no sentido de 5’ à 3’, ou seja, para que a cadeia formada tenha esse sentido, a fita que deve ser levada como molde deve ser no sentido 3’ à 5’; • A informação genética contida num segmento do DNA é reescrita em uma fita simples de RNA; • A fita de RNA que é formada é extremamente semelhante a fita codificante (ou seja, a fita que não serve para molde), sendo a única diferença entre elas a mudança de base timina (DNA) para a uracila (RNA). Ou seja, a fita codificante será sempre idêntica ao RNA transcrito; • Alguns RNAm são transcritos em números maiores que outros RNAm, assim, são formadas maiores quantidades de proteínas, variando de acordo com as quantidades de proteínas necessárias para cada célula; • Ocorrem reações enzimáticas, através das enzimas chamadas de RNA polimeares, que são responsáveis por catalisar a formação de ligações fosfodiéster entre os nucleotídeos → Processo: • Os precursores do processo são os nucleotídeos livres, encontrados no nucleoplasma, ou seja, os ribonucleotídeos trifostafatos (ATP, UTP, CTP e GTP); • Apenas uma fita de DNA é utilizada como molde para a síntese de RNA complementar; • Não existe a necessidade de um filamento primer preexistente e externo (RNA polimerase); • A síntese é complementar ao DNA, com a substituição da T por U; • A polimerização ocorre no sentido 5’ à 3’; • RNA polimerase: é uma enzima responsável por reconhecer sequências de nucleotídeos identidades; - Ela dá início a transcrição em sequências chamadas de nucleotídeos promotores e termina o processo nas sequências chamadas de nucleotídeos terminadores/finalizadores; - É responsável por sintetizar polímeros de RNA de um molde de DNA; - Procariotos: apenas uma RNA polimerase. Eles necessitam de fator sigma (proteína presente no procarioto); - Eucarioto: possuem três tipos de RNA polimerase. Eles necessitam de fatores de transcrição, tanto gerais quanto específicos; ▷ RNA polimerase I: transcreve o RNA ribossômico; ▷ RNA polimerase II: transcreve o RNA mensageiro, micro RNA e outros RNAs nãocodificantes; ▷ RNA polimerase III: transcreve o RNA ribossômico 5S, RNA transportador e outros pequenos RNAs. Eles são muito importantes para a tradução; • A RNA polimerase se desloca passo a passo sobre o DNA, desespiralizando a dupla-hélice e expondo a região a ser transcrita e, assim, a cadeia de RNA cresce, nucleotídeo a nucleotídeo, no sentido 5’ à 3’; • Os ribonucleotídeos trifosfatos (ATP, GTP, CTP e UTP) tem suas ligações quebradas, até formarem um composto com apenas 1 fosfato e, a hidrólise dessas ligações liberam uma grande quantidade de energia, que é utilizada na reação; • Tipos de RNA: - RNA mensageiro (RNAm): código para proteína, sendo responsável por levar a mensagem do gene para a síntese proteica; - RNA ribossômico (RNAr): forma o cerne dos ribossomos e catalisam a síntese de proteínas; - RNA transportador (RNAt): responsáveis por selecionar aminoácidos e os colocarem no local adequado nos ribossomos para serem incorporados em proteínas - Micro RNA (miRNA): regulam a expressão gênica; - Outros pequenos RNAs: usados no splicing de RNA, manutenção dos telômeros e outros processos; • Assim, sabe-se que a RNA polimerase: utiliza os substratos ribonucleotídeos trifosfatos (ATP, UTP, CTP e GTP) à pode reconhecer o início e fim dos genes à reconhece sequências “assinaturas/consenso = promotor à abre a dupla hélice de DNA, expondo a sequência a ser transcrita à move-se pela fita de DNA, ligando os ribonucleotídeos à reconhece o sítio de término da transcrição, liberando o pré-RNA no nucleoplasma, onde será processado; • As RNAs polimerases reconhecem o início de um gene a ser transcrito através das regiões promotoras, que antecedem o começo do gene. Essa região promotora é o local em que a RNA polimerase se liga, permitindoque o gene seja identificado e transcrito, pela abertura da fita dupla de DNA; - A sequência de iniciação (região promotora) está no lado 5’ de um gene; - As regiões promotoras e suas sequências são bastante conservadas nos genes e entre as espécies; - Existem nucleotídeos que formam sequências que são reconhecidas por fatores de transcrição gerais que sinalizam o início da transcrição gênica e essas sequências antecedem diversos genes; Ex: TATA box, ilhas CpG, CAAT box; • A transcrição sempre acontece de 5’ para 3’. Transcrição em procariotos • Os procariotos são seres policistrônicos, que possuem vários genes em um mesmo RNA mensageiro. A sua região promotora tem vários genes diferentes em sequência e, assim, vários genes diferentes podem ser transcritos em uma mesma polimerização; • A transcrição e a tradução ocorrem ao mesmo momento, pela ausência da membrana que separa o núcleo do citoplasma (= carioteca); • O fator sigma (procariotos = bactéria) reconhece a região promotora de um gene e sinaliza a RNA polimerase onde deve iniciar a transcrição; • Após a transcrição começar, fator sigma é liberado, e a polimerase move-se para frente e continua a sintetizar o RNA, até atingir a sequência chamada de terminador; • Uma enzima libera o DNA molde e a nova fita de RNA sintetizada; • A polimerase se reassocia com o fator sigma livre, formando a chamada holoenzima RNA-polimerase e procura uma outra região promotora, dando início ao processo novamente; • A indicação do fim do gene a ser transcrito, em procariotos, geralmente, é dada por um sequencia de pares nucleotídeos A-T, em que, com a transcrição dessa região, o transcrito de RNA é solto do sítio ativo. Transcrição em eucariotos • Monocistrônico: transcreve apenas um gene por processo, ou seja, codificam produtos gênicos únicos; • RNA polimerases: possuem 3 enzimas nucleares: - RNA polimerase I: sintetiza RNAr; - RNA polimerase II: sintetiza RNAm; - RNA polimerase III: sintetiza RNAt e outros pequenos RNAs; • As RNAs polimerases I, II e III são proteínas multiméricas; • Elas necessitam de fatores de transcrição geral e específicos para iniciar a transcrição, visto que não possuem o fator sigma, como os eucariotos. → Fatores de transcrição (TFs): • São proteínas que reconhecem a região promotora e se ligam a ela, não sendo uma parte da célula como o fator sigma; • Existem inúmeros fatores de transcrição, que se encaixam e formam uma cascata, atraindo a RNA polimerase II; • A transcrição pode ocorrer apenas com a presença de fatores de transcrição gerais, mas será uma transcrição pobre; • Uma vez que a RNA polimerase II tenha iniciado a transcrição do RNA, os fatores gerais de transcrição são liberados do DNA, podendo serem agrupados a outras RNA polimerases. Fatores gerais de transcrição: • Eles estão presentes em todas as células e em grandes quantidades. Eles se ligam ao promotor, onde ajudam a posicionar a RNA polimerase II, ao formar um complexo de iniciação de transcrição sobre o DNA, permitindo que a RNA polimerase II abra a dupla hélice e expõem a fita molde para iniciar a transcrição; • TATA box: uma região promotora que é localizada anteriormente à unidade de transcrição, ou seja, ao gene; • Muitos componentes como fatores de transcrição são requeridos para uma transcrição bem-sucedida. O primeiro deles é o TFIID, que é o maior deles; • Um componente do fator TFIID é o TBP (TATA-binding protein), que se liga ao DNA utilizando o TATA box para posicionar o TFIID perto do início da transcrição; • O fator TFIIH contém a DNA-helicase como uma de suas subunidades, o que pemite que ocorra a quebra das ligações de hidrogênio e a abertura da fita de DNA; • Outros fatores como o TFIIB, se juntam ao complexo para preparar o DNA para uma ligação bem-sucedida da RNA polimerase; • A RNA polimerase então, utilizando a energia que é liberada quando os fatores de transcrição são liberados após o início da transcrição, sintetiza uma fita de RNA a partir de um molde de DNA; • Quando o fim da unidade de transcrição é alcançada, a RNA polimerase se dissocia e a fita recém-formada de RNA é liberada; Fatores de transcrição específicos: • São específicos de cada célula, sendo responsáveis por ativarem ou desativarem um gene ao se ligarem às regiões regulatórias do gene, impedindo que ocorre a sua transcrição; • Região regulatória: são regiões que regulam a transcrição. Elas, geralmente, estão longe do gene e da região promotora; • Enhancers: permitem a transcrição do gene, ao ativarem ele; • Silenciadores: impedem a transcrição do gene, ao realizarem sua inativação; Ex: as células possuem os mesmos genes, mas desempenham funções diferentes pela ativação ou inativação de genes específicos • Existem também os chamados mediadores, que permitem que ocorra a ligação correta entre a polimerase II, fatores gerais e fatores específicos; • A proteína ativadora pode promover a dobra do DNA para permitir que ocorra a aproximação do fator de transcrição específico da RNA polimerase e da região que estão localizados os fatores de transcrição gerais (ocorre a dobra, pois, a proteína ativadora está longe) e permitir que ocorra o processo de transcrição; • São presentes, os fatores de alongamento, que são proteínas que diminuem a possibilidade de ocorrer a separação da RNA polimerase da fita de DNA antes de atingir o fim do gene. Procariotos X Eucariotos • Procariotos: - Devido ausência de envelope nuclear, em bactérias, a transcrição e tradução ocorrem no mesmo compartimento; - Uma vez transcrito, o RNAm é imediatamente traduzido; - Um único transcrito (RNAm) normalmente contém vários genes (estrutura policistrônica); • Eucariotos: - Transcrição e tradução ocorrem separadamente; - O RNAm primário (produzido no núcleo) é diferente daquele encontrado no citoplasma (RNAm maduro), ou seja, o RNAm primário sofre modificações (processamento do RNA) antes de ser transportado ao citoplasma para tradução; - Capeamento na porção 5` do RNAm; - Remoção dos íntrons do RNAm primário (“splicing”); - Adição de cauda Poli (A) na porção 3` do RNAm (poliadenilação). Processamento do RNA • A molécula de RNA que é produzida a partir da molécula de DNA é chamado de transcrito primário, por ser imatura e ainda estar no núcleo, não seguindo para o citoplasma; • RNAm imaturo: pré-RNA; • Os procariotos não sofrem quase nenhum ou nenhum processamento, já que a transcrição e a tradução ocorrem quase ao mesmo tempo e no mesmo local, visto que eles não possuem uma membrana que delimite o seu núcleo; • Processamento do RNA: modificações que são feitas no pré-RNA dos eucariotos, para que ele possa ser enviado ao citoplasma. Ele passa por mecanismos de proteção, que mantém a molécula intacta para que ela possa ser traduzida em proteína no citoplasma; • RNA polimerase II: além de transcrever o DNA em pré-RNAm, ela possui em sua cauda proteínas processadoras, que são transferidas para o RNA em formação. O processamento, no organismo, tem início a partir de 25 nucleotídeos unidos, ou seja, ocorre ao mesmo tempo em que ele é transcrito; • Capeamento e poliadenilação: são mecanismos utilizados para a proteção da molécula de RNA tanto em sua extremidade 5’ (capeamento) quanto na extremidade 3’ (cauda poli-A). Eles são importantes para manter a molécula intacta, visto que, caso tenha algum problema na transcrição do RNAm, ele é digerido no núcleo e não chega ao citoplasma. → Capeamento: • O pré-RNAm recebe uma guanina modificada (tem o grupo metil ligado a ela), que é ligada a porção 5’ do RNA assim que a molécula atinge cerca de 25 nucleotídeos; • Essa reação é realizada por 3 enzimas, sendo que uma faz a remoção de um fosfato da extremidade 5’, outra adiciona o GMP e outra adiciona o grupo metila a guanosina• O capeamento auxilia na proteção do transcrito contra as exonucleases, que podem digerir ele; • Ela facilita o transporte de RNA do núcleo para o citoplasma, além de indicar que o RNA “está pronto”; • Tem papel no encaixe do RNAm nos ribossomos. → Poliadenilação: • Trata-se de uma cadeia/cauda de poli-A. Ela é responsável por adicionar adenina na extremidade 3’ livre; • Este processo é responsável por: - Facilitar o transporte de RNA do núcleo para o citoplasma; - Estabilizar a molécula de RNAm no citoplasma, visto que, quanto maior essa cauda, maior o tempo de sobrevida no citoplasma, por se tornar mais estável e atrasar a digestão por enzimas; - Facilitar a tradução, pois intensifica o reconhecimento do RNAm pelo ribossomo. → Splicing: • O gene dos eucariotos é formado por éxons (codificantes) e íntrons (não- codificante), que estão intercaladas entre si; • Na transcrição, o pré-RNA também é polimerizado com os íntrons. A maturação do pré-RNAm consiste na retirada da região não-codificante, ou seja, dos íntrons = splicing, ocorrendo a união dos éxons; • Os íntrons possuem sequências específicas, não ocorrendo a retirada aleatória de partes do RNAm: - Início do íntron: dinucleotídeo GU com sequências adjacentes altamente conservadas; - Final do íntron: dinucleotídeo AG com sequências adjacentes altamente conservadas; • Os procariotos não fazem splicing por não possuírem íntrons, visto que todo o seu gene é codificante; • O splicing é feito pelo spliceossoma, um complexo de pequenos RNA nucleares (5 – 7 tipos), formados por cerva de 200 nucleotídeos cada, que se unem e se aderem ao início do íntron. Ele identifica a região de localização chamada de A, que está entre GU e AG; • Os RNA nucleares começam a se aderir a essa região A. Assim, é formado um “laço” intermediário, que é formado pela aproximação da região A, que está em uma “extremidade” do íntron, da outra extremidade esse mesmo íntron, que é unida a região A, formando, assim, o “laço de íntron”, cortado e degradado por RNAs nucleases; • A ligação íntron com éxon é feita por ligação fosfodiéster, que é quebrada e, assim, forma outra ligação entre os éxons. → Splicing alternativo: • Alguns pré-mRNAs são submetidos a uma combinação alternativa de RNA para produzir vários mRNAs e proteínas do mesmo gene; • Considerando que todos os éxons estão presentes em um pré-mRNA, alguns éxons podem ser embaralhados ou excluídos da molécula final de mRNA, aumentando o número de possibilidades de tradução e aumentando a quantidade de proteínas, por um mesmo gene; • As ligações de íntron com éxons permite a maior possibilidade de produção de proteínas, desmontando a ideia de “DNA lixo”, visto que permite, por exemplo, a realização do splicing alterativo; • Uma célula só pode produzir uma proteína de um gene. O tipo de proteína pode variar ao longo do ciclo de vida celular, mas sempre uma proteína é produzida por vez. → Migração do RNA maduro para o citoplasma: • Um conjunto especializado de proteínas de ligação de RNA sinaliza que um RNAm maduro está pronto para exportação para o citoplasma, onde ocorrerá a tradução; • Quando ocorre um processamento errado do pré-RNA, ele não forma o RNAm, e, dessa forma, não perde certas proteínas nem adquire as proteínas certas que sinalizam sua maturação, não sendo enviado para o citoplasma e, portanto, é degradado no próprio núcleo pelo exossomo nuclear; • A capa e a cauda poli-A de uma RNAm maduro são "marcadas" por proteínas que reconhecem essas modificações. Além disso, um grupo de proteínas chamado complexo de junção de éxons é depositado no pré-RNAm depois de cada “splicing” bem-sucedido ter ocorrido; • Uma vez que o RNAm é considerado "pronto para exportação", um receptor de transporte nuclear se associa ao RNAm e é responsável por guiar ele através do poro nuclear; • No citoplasma, o RNAm pode liberar algumas dessas proteínas e ligar a novas, que, juntamente com a proteína de ligação de poli-A, atuam como fatores de iniciação para a síntese proteica. Resumo • Do livro “Biologia Molecula da Célula” – Alberts, 6ª edição: “Antes de a síntese de uma determinada proteína poder ocorrer, a molécula de mRNA correspondente deve ser produzida por transcrição. As bactérias contêm um único tipo de RNA-polimerase (a enzima que realiza a transcrição de DNA em RNA). Uma molécula de mRNA é produzida depois que esta enzima inicia a transcrição em um promotor, sintetiza o RNA pela extensão da cadeia, finaliza a transcrição em um terminador e libera tanto o DNA- molde quanto a molécula de mRNA finalizada. Nas células eucarióticas, o processo de transcrição é muito mais complexo, e existem três RNA- polimerases – designadas como polimerase I, II e III –, evolutivamente relacionadas umas às outras e à polimerase bacteriana. O mRNA dos eucariotos é sintetizado pela RNA-polimerase II. Essa enzima requer um conjunto de proteínas adicionais, os fatores gerais de transcrição, e proteínas específicas de ativação transcricional, para iniciar a transcrição em um molde de DNA. Ainda são necessárias mais proteínas (incluindo complexos de remodelagem da cromatina e enzimas modificadoras de histonas) para iniciar a transcrição nos moldes de cromatina no interior da célula. Durante a fase de extensão ou alongamento da transcrição, o RNA em formação sofre três tipos de eventos de processamento: um nucleotídeo especial é adicionado à sua extremidade 5’ (capeamento), os íntrons são removidos da molécula de RNA (splicing) e a extremidade 3’ do RNA é gerada (por clivagem e poliadenilação). Cada um desses pro- cessos é iniciado por proteínas que acompanham a RNA-polimerase II por interação com sítios sobre sua longa cauda estendida C-terminal. O splicing difere dos demais pelo fato de muitas de suas etapas- chave serem mediadas por moléculas de RNA especializadas e não por proteínas. Apenas os mRNAs adequadamente processados são transportados através dos complexos do poro nuclear para o citosol, onde serão traduzidos em proteína. No caso de diversos genes, o produto final é o RNA e não uma proteína. Nos eucariotos, esses genes são normalmente transcritos pela RNA-polimerase I ou pela RNA- polimerase III. A RNA-polimerase I produz os RNAs ribossômicos. Após sua síntese, sob a forma de um grande precursor, os rRNAs são modificados quimicamente, clivados e organizados sob a forma das duas subunidades ribossômicas no nucléolo – uma estrutura subnuclear distinta, que também ajuda a processar alguns complexos RNA-proteína menores na célula. As estruturas subnucleares adicionais (como os corpos de Cajal e os grupos de grânulos de intercromatina) são regiões onde os componentes envolvidos no processamento de RNA são organizados, estocados e reciclados. A concentração elevada de componentes em tais “fábricas” assegura que os processos serão catalisados de modo rápido e eficiente.”
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