Regulação da expressão gênica em procariotos 20 12 20

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Regulação da expressão gênica em PROCARIOTOS
Mecanismos reguladores pós-tradução
Em 1917, d’Hérelle denominou os agentes bactericidas submicroscópicos de bacteriófagos {do grego, “que devora bactérias”). Na mesma época, um bacteriologista médico inglês, Frederick W. Twort, descobriu um agente submicroscópico semelhante que destruía micrococos. d’Hérelle continuou a estudar os agentes submicroscópicos que destruíram a Shigella. d’Hérelle tornou-se obcecado por sua convicção de que as doenças humanas causadas por bactérias poderiam ser tratadas, talvez até mesmo erradicadas, pela terapia com bacteriófagos. Infelizmente, logo foi demonstrado que essa forma simples de terapia com bacteriófagos não é eficaz no tratamento de infecções bacterianas porque, muitas vezes, as bactérias sofrem mutação e se tornam resistentes aos fagos. Todavia, o trabalho de d’Hérelle abriu caminho para pesquisas que acabariam por criar um campo totalmente novo -a genética microbiana -e trouxe novas luzes para os mecanismos de regulação da expressão gênica. Neste capítulo, examinaremos alguns desses mecanismos. 
Os microrganismos têm notável capacidade de adaptação a diversas condições ambientais. Essa adaptabilidade depende parcialmente de sua capacidade de ativar e desativar a expressão de conjuntos específicos de genes em resposta a mudanças do ambiente. A expressão de determinados genes é ativada quando os produtos desses genes são necessários para o crescimento e desativada quando os produtos gênicos não são mais necessários. 
A síntese de transcritos gênicos e produtos da tradução requer gasto considerável de energia. Ao desativar a expressão de genes quando seus produtos não são necessários, um organismo pode poupar energia e usá-la para sintetizar produtos que maximizem a velocidade de crescimento. 
Quais são, então, os mecanismos usados por microrganismos para regular a expressão gênica em respos-ta a mudanças no ambiente?
 A expressão gênica em procariotos é regulada em vários níveis diferentes: transcrição, processamento de mRNA, renovação de mRNA, tradução e pós-tradução. No entanto, os mecanismos reguladores com efeitos máximos sobre o fenótipo atuam na transcrição. De acordo com o que se sabe sobre a regulação da transcrição, os vários mecanismos reguladores parecem dividir-se em duas categorias gerais:
1. Mecanismos que exigem a rápida ativação e desativação da expressão gênica em resposta a alterações ambientais. Os mecanismos reguladores desse tipo são importantes nos microrganismos em razão da frequente exposição desses organismos a mudanças súbitas do ambiente. Eles dotam os microrganismos de considerável “plasticidade’’, a capacidade de ajustar seus processos metabólicos rapidamente para obter níveis máximos de crescimento e reprodução em uma grande variedade de condições ambientais. 
2. Mecanismos denominados circuitos pré-programados ou cascatas de expressão gênica. Nesses casos, algum evento desencadeia a expressão de um conjunto de genes. O(s) produto(s) de um ou mais desses genes desativa(m) a transcrição do primeiro grupo de genes ou desativa(m) a transcrição de um segundo grupo de genes. Então, um ou mais produtos do seguinte grupo atuam por ativação de um terceiro grupo, e assim por diante. Nesses casos, a expressão sequencial de genes é programada geneticamente, e, em geral, não é possível ativar os genes fora da sequência. Essas sequências pré-programadas de expressão gênica são bem documentadas em procariotos e nos vírus que as atacam. Por exemplo, quando um bacteriófago lítico infecta uma bactéria, os genes virais são expressos em uma sequência predeterminada, e essa sequência está diretamente relacionada com a sequência temporal de participação do produto gênico na reprodução e na morfogênese do vírus. Na maioria dos exemplos conhecidos de expressão gênica pré-programada, o circuito é cíclico. 
Expressão de genes constitutivos induzíveis e repressíveis
Os genes que especificam componentes celulares com funções de manutenção -por exemplo, os RNA ribos-sômicos e as proteínas participantes da síntese proteica -têm expressão constitutiva. Outros genes geralmente só são expressos quando seus produtos são necessários para o crescimento. Determinados produtos gênicos -como moléculas de tRNA, moléculas de rRNA, proteínas ribossômicas, subunidades de RNA polimerase e enzimas catalisadoras de processo metabólicos que são frequentemente denominadas funções de "manutenção" celular -são componentes essenciais de quase todas as células vivas. A expressão dos genes que especificam produtos desse tipo é contínua na maioria das células. Diz-se que a expressão desses genes é constitutiva, e eles são denominados genes constitutivos. Outros produtos gênicos são necessários para o crescimento celular apenas em determinadas condições ambientais. A síntese constitutiva desses produtos gênicos seria um desperdício, usando energia que poderia ser empregada para acelerar o crescimento. Evidentemente, o desenvolvimento de mecanismos reguladores que só promovessem a síntese desses produtos gênicos quando e onde fossem necessários proporcionaria a esses organismos uma vantagem seletiva em relação aos demais. Sem dúvida, isso explica por que os organismos existentes atualmente, inclusive bactérias e vírus, apresentam mecanismos altamente eficientes para controle da expressão gênica. A Escherichia coli e a maioria das outras bactérias são capazes de crescer usando qualquer um dos vários carboidratos -por exemplo, glicose, sacarose, galactose, arabinose e lactose -como fonte de energia. 
A glicose, se presente no meio, será metabolizada preferencialmente pelas células de E. coli. Na ausência de glicose, porém, as células de E. coli crescem muito bem com outros carboidratos. As células cultivadas em meio cuja única fonte de glicose é o açúcar lactose, por exemplo, sintetizam duas enzimas, beta-galactosidase e beta-galactosídio permease, que são especificamente necessárias para o catabolismo da lactose. A beta-galactosídio permease bombeia lactose para dentro da célula, onde a beta-galactosidase a cliva em glicose e galactose. Nenhuma dessas enzimas tem utilidade para as células de E. coli se não houver lactose disponível. A síntese dessas duas enzimas requer considerável energia (na forma de ATP e GTP). Portanto, as células de E. coli desenvolveram um mecanismo regulador pelo qual a síntese dessas enzimas de catabolismo da lactose é ativada na presença de lactose e desativada em sua ausência. Em ambientes naturais (trato intestinal e encanamento de esgoto), as células de E. coli provavelmente encontram uma situação ausência de glicose e presença de lactose com frequência relativamente pequena. Portanto, é provável que os genes de E. coli codificadores das enzimas implicadas no uso da lactose estejam desativados na maior parte do tempo. 
Células cultivadas em outro carboidrato que não a lactose, transferidas para um meio no qual a lactose é a única fonte de carbono, logo começam a sintetizar as enzimas necessárias para uso da lactose. Esse processo de ativação da expressão de genes em resposta a uma substância no ambiente é denominado indução. Genes cuja expressão é regulada dessa maneira são denominados genes induzíveis; seus produtos, se enzimas, são denominados enzimas induzíveis. As enzimas participantes de vias catabólicas (de degradação), como no uso de lactose, galactose ou arabinose, são caracteristicamente induzíveis. Conforme análise subsequente neste capítulo, a indução ocorre no processo de transcrição. A indução altera a velocidade de síntese enzimática, não a atividade das moléculas de enzima existentes. Não se deve confundir a indução com a ativação da enzima, que ocorre quando a ligação de uma pequena molécula à enzima aumenta a atividade da enzima, mas não afeta a taxa de síntese. 
As bactérias são capazes de sintetizar a maioria das moléculas orgânicas necessárias para crescimento, como aminoácidos, purinas, pirimidinas e vitaminas. Por exemplo, o genoma de E. coli contém cinco genes codificadores de enzimasque catalisam etapas da biossíntese do triptofano. Esses cinco genes têm de ser expressos em células de E. coli cultivadas em meio sem triptofano para produzir quantidade adequada desse aminoácido para a sintese proteica permanente. Quando as células de E. coli estão em meio que contém triptofano suficiente para promover o crescimento adequado, a continuação da síntese das enzimas de biossíntese do triptofano é um desperdício de energia. Assim, surgiu um mecanismo regulador em E. coli que desativa a síntese das enzimas de biossíntese de triptofano quando há triptofano externo.Diz-se que um gene cuja expressão foi desativada dessa maneira está "reprimido"; o processo é a repressão. Quando a expressão desse gene é ativada, diz-se que foi "desreprimido"; essa resposta é denominada desrepressão. Com frequência, as enzimas componentes das vias anabólicas (de biossíntese) são repressíveis. A repressão, a exemplo da indução, ocorre no processo de transcrição. A repressão não deve ser confundida com a inibição por feedback, que ocorre quando o produto de uma via de biossíntese se liga e inibe a atividade da primeira enzima na via, mas não afeta a síntese da enzima. 
Pontos essenciais: 
Em procariotos, a expressão dos genes que especificam as funções de manutenção, como rRNA, tRNA e proteínas ribossômicas é constitutiva. Outros genes geralmente só são expressos quando seus produtos são necessários • Os genes codificadores de enzimas participantes de vias catabólicas frequentemente só são expressos na presença dos substratos das enzimas; sua expressão é induzível • Os genes codificadores de enzimas participantes das vias anabólicas geralmente são desativados na presença do produto final da via; sua expressão é repressível • Embora a expressão gênica possa ser regulada em muitos níveis, a regulação da transcrição é a mais comum. 
Controle positivo e negativo da expressão gênica
Em alguns casos, é necessário o produto de um gene regulador para iniciar a expressão de um ou mais genes. Em outros, é necessário o produto de um gene regulador para desativar a expressão de um ou mais genes. A regulação da expressão gênica -indução, ou ativação dos genes, e repressão, desativação dos genes -pode ser feita tanto por mecanismos de controle positivo quanto por mecanismos de controle negativo. Os dois mecanismos contam com a participação de genes reguladores -genes codificadores de produtos que regulam a expressão de outros genes. 
Mecanismos de controle positivo, o produto do gene regulador é necessário para ativar a expressão de um ou mais genes estruturais (genes especificadores das sequências de aminoácidos de enzimas ou proteínas estruturais).
Mecanismos de controle negativo: o produto do gene regulador é necessário para desativar a expressão de genes estruturais. 
Tanto a regulação positiva quanto a regulação negativa são ilustradas em sistemas induzíveis e repressíveis. É preciso lembrar que um gene é expresso quando a RNA polimerase se liga ao seu promotor e sintetiza um transcrito de RNA que contém a região codificadora do gene. O produto do gene regulador atua por ligação a um sítio conhecido como sítio de ligação à proteína reguladora (RPBS) adjacente ao promotor do gene ou genes estruturais. Quando o produto do gene regulador está ligado a RPBS, a transcrição do gene ou genes estruturais é ativada em um sistema de controle positivo ou desativada em um sistema de controle negativo. Os produtos do gene regulador são denominados:
Ativadores: porque ativam a expressão gênica -em sistemas de controle positivo.
Repressores: porque reprimem a expressão gênica -em sistemas de controle negativo. 
A capacidade de uma proteína reguladora de se ligar ao RPBS depende da presença ou ausência de moléculas efetoras na célula. Os efetores geralmente são moléculas pequenas como aminoácidos, açúcares e metabólitos semelhantes. As moléculas efetoras participantes da indução da expressão gênica são denominadas indutoras; as que participam da repressão da expressão gênica são as correpressoras. 
As moléculas efetoras (indutoras e correpressoras) ligam-se aos produtos do gene regulador (ativadores e repressores) e modificam as estruturas tridimensionais dessas proteínas. As modificações de conformação da estrutura das proteínas em consequência da ligação de pequenas moléculas são conhecidas como transições alostéricas. As modificações de conformação das proteínas costumam alterar sua atividade.
No caso de ativadores e repressores, as transições alostéricas causadas por ligação de moléculas efetoras geralmente alteram sua capacidade de ligação a sítios de ligação à proteína reguladora adjacentes aos promotores dos genes estruturais que elas controlam. 
Mecanismo induzível negativo: o repressor livre liga-se ao RPBS e impede a transcrição do gene ou genes estruturais na ausência de indutor. Quando presente, o indutor liga-se ao repressor, e o complexo repressor/indutor não pode se ligar ao RPBS. Sem repressor ligado ao RPBS, a RNA polimerase liga-se ao promotor e transcreve o gene ou genes estruturais. 
Mecanismo induzível positivo: o ativador não pode se ligar ao RPBS se não houver indutor, e a RNA polimerase só pode transcrever o gene ou genes estruturais se o complexo ativador /indutor estiver ligado ao RPBS. Assim, a transcrição dos genes estruturais só é ativada na presença de indutor. 
Mecanismo repressível negativo: a transcrição do gene ou genes estruturais ocorre na ausência do correpressor, mas não em sua presença. Quando o complexo repressor/correpressor está ligado ao RPBS, impede a transcrição dos genes estruturais pela RNA polimerase. Na ausência de correpressor, o repressor livre não se liga ao RPBS; assim, a RNA polimerase pode se ligar ao promotor e transcrever os genes estruturais. 
Mecanismo repressível positivo: o produto do gene regulador, o ativador, tem de estar ligado ao RPBS para que a RNA polimerase se ligue ao promotor e transcreva o gene ou genes estruturais. Quando presente, o correpressor forma um complexo com a proteína ativadora, e esse complexo ativador/correpressor é incapaz de se ligar ao RPBS; consequentemente, a RNA polimerase não pode se ligar ao promotor e transcrever o gene ou genes estruturais.
 Para compreender os detalhes desses quatro mecanis-mos de regulação, concentre-se nas principais diferenças entre eles.
(1) O produto do gene regulador em um mecanismo de controle positivo, o ativador, participa da ativação da expressão gênica, ao passo que o produto do gene regulador em um mecanismo de controle negativo, o repressor, participa da desativação da expressão gênica. 
(2) Nos mecanismos de controle positivo e negativo, a expressão induzível ou repressível do gene depende da ligação da proteína reguladora livre ou do complexo proteína reguladora/molécula efetora ao sítio de ligação da proteína reguladora (RPBS). 
Pontos essenciais: 
A expressão gênica é controlada tanto por mecanismos reguladores positivos quanto negativos • Nos mecanismos de controle positivo, é necessário o produto de um gene regulador, um ativador, para ativar a expressão do gene ou genes estruturais • Nos mecanismos de controle negativo, é necessário o produto de um gene regulador, um repressor, para desativar a expressão do gene ou genes estruturais • Ativadores e repressores regulam a expressão gênica por ligação a sítios adjacentes aos promotores de genes estruturais • A capacidade das proteínas reguladoras de se ligarem aos seus sítios de ligação depende da presença de pequenas moléculas efetoras que formam complexos com as proteínas reguladoras • As moléculas efetoras são denominadas indutoras em sistemas induzíveis e correpressoras em sistemas repressíveis. 
Óperons: Unidades de expressão gênica de regulação coordenada
Em procariotos, genes com funções relacionadas geralmente estão presentes em unidades genéticas de regulação coordenada, denominadas óperons. 
O modelo óperon/um mecanismo de controle negativo (1961) por François Jacob e Jacques Monod: regulação de genes necessários para uso da lactose em E.coli. Jacob e Monod propuseram que a transcrição de um conjunto de genes estruturais contíguos é regulada por dois elementos controladores:
O gene repressor: codifica um repressor que (em condições apropriadas) liga-se ao segundo elemento, o operador. O operador é sempre contíguo aos genes estruturais cuja expressão regula. Alguns óperons-inclusive o óperon lactose apresentado na próxima seção contêm vários operadores.
A transcrição é iniciada em promotores localizados em posição 5’ ao lado das regiões codificadoras de genes estruturais. A ligação do repressor ao operador causa um impedimento estérico da transcrição dos genes estruturais no óperon pela RNA polimerase. As regiões operadoras são contíguas com as regiões promotoras; às vezes, há superposição de operadores e promotores que têm uma sequência de DNA curta em comum. Com frequência, as regiões operadoras estão localizadas entre os promotores e os genes estruturais que regulam. 
A unidade contígua completa, que inclui os genes estruturais, o operador e o promotor, é denominada óperon.
A ligação do repressor ao operador, com desativação da transcrição dos genes estruturais em um óperon, é determinada pela presença de moléculas efetoras, conforme exposto na seção anterior.
Óperons induzíveis e óperons repressíveis podem ser distinguidos ao se verificar se o repressor sozinho ou se o complexo repressor/molécula efetora é ativo na ligação ao operador. 
1.Óperon induzível: o repressor livre liga-se ao operador, desativando a transcrição.
2.Óperon repressível: a situação é inversa. O repressor livre não se liga ao operador. Somente o complexo repressor/molécula efetora (correpressor) tem atividade de ligação ao operador. 
Com exceção dessa diferença no comportamento de ligação do repressor livre e do complexo repressor/molécula efetora ao operador, os óperons induzível e repressível são idênticos.
Um único transcrito de mRNA tem as informações codificadoras de todo o óperon. Assim, os mRNA de óperons constituídos de mais de um gene estrutural são multigênicos. Ex: o mRNA do óperon triptofano de E. coli contém as sequências codificadoras de 5 genes diferentes. Como esses genes são cotranscritos, a expressão de todos os genes estruturais de um óperon é coordenada. Embora as quantidades molares dos diferentes produtos gênicos não precisem ser iguais (por causa das diferentes eficiências de início da tradução), as quantidades relativas dos diferentes polipeptídios especificados por genes em um óperon geralmente continuam iguais, qualquer que seja o estado de indução ou repressão. Em alguns casos, o uso diferencial de sinais de término da transcrição pode alterar a quantidade de produtos gênicos sintetizados. 
Pontos essenciais:
Em bactérias, genes com funções relacionadas geralmente ocorrem em unidades de regulação coordenada denominadas óperons • Cada óperon tem um conjunto de genes estruturais contíguos, um promotor (o sítio de ligação da RNA polimerase) e um operador (o sítio de ligação de uma proteína reguladora denominada repressora) • Quando um repressor está ligado ao operador, a RNA polimerase não é capaz de transcrever os genes estruturais no óperon. Quando o operador está livre do repressor, a RNA polimerase pode transcrever o óperon. 
Óperon lactose em E. coli: Indução e repressão catabólica
Os genes estruturais no óperon Lac só são transcritos na presença de lactose e ausência de glicose.
Jacob e Monod/modelo óperon com base em seus estudos do óperon de lactose (lac) em E. coli. 
O óperon lac contém um promotor (P), três operadores (O1, O2, O3) e três genes estruturais, lacZ, lacY e lacA, codificadores das enzimas 13-galactosidase, 13-galactosídio permease e 13-galactosídio transacetilase, respectivamente.
A 13-galactosídio permease “bombeia” lactose para dentro da célula, onde é clivada em glicose e galactose pela 13-galactosidase. O papel biológico da transacetilase é desconhecido. 
No modelo de Jacob e Monod, o óperon lac continha só um operador (O1). Entretanto, em seguida foram descobertos dois outros operadores (O2 e O3). 
A princípio, acreditava-se que O2 e O3 tivessem papéis muito pequenos. Então, Benno Müller-Hill e colaboradores mostraram que a deleção dos dois operadores “menores” tinha um grande efeito sobre o nível de transcrição do óperon. Estudos mais recentes mostraram que a repressão eficiente do óperon lac requer o operador maior (O1) e pelo menos um dos operadores menores (O2 ou O3) e a repressão máxima requer os três operadores. Todavia, primeiro analisaremos o modelo do óperon lac de Jacob e Monod, que incluía apenas um operador.
Indução
O óperon lac é um óperon induzível controlado negativamente; os genes lacZ, lacY e lacA só são expressos na presença de lactose. O gene regulador de lac, designado gene I, codifica um repressor com 360 aminoá-cidos. Entretanto, a forma ativa do repressor lac é um tetrâmero que tem quatro cópias do produto do gene I. Na ausência de indutor, o repressor liga-se aos operadores lac, o que, por sua vez, impede a RNA polimerase de catalisar a transcrição dos três genes estruturais.Algumas moléculas dos produtos dos genes lacZ, lacYe lacA são sintetizadas no estado não induzido, o que garante um baixo nível de fundo de ati-vidade enzimática. Essa atividade de fundo é essencial para indução do óperon lac porque o indutor do ópe-ron, a alolactose, é derivado da lactose em uma reação catalisada por 13-galactosidase. Uma vez formada, a alolactose liga-se ao repressor, fazendo com que o repressor seja liberado do operador. Dessa maneira, a alolactose induz a transcrição dos genes estruturais lacZ, lacY e lacA. 
Repressão Catabólica
Há muito se sabe que a presença de glicose impede a indução do óperon lac, assim como de outros óperons controladores de enzimas participantes do catabolismo de carboidratos. Esse fenômeno, denominado repressão catabólica (ou efeito glicose), garante que a glicose seja metabolizada quando presente, em detrimento de outras fontes de energia menos eficientes. 
A repressão catabólica do óperon lac e de vários outros óperons é mediada por uma proteína reguladora denominada CAP (proteína ativadora do catabolismo) e uma pequena molécula efetora denominada AMP cíclico (3', 5'-monofosfato de adenosina; abreviado cAMP). Como a CAP se liga ao cAMP quando esse mononucleotídio está presente em concentração suficiente, às vezes é denominada proteína receptora do AMP cíclico. 
O promotor lac tem dois sítios de ligação, um para RNA polimerase e outro para o complexo CAP/cAMP. O complexo CAP/cAMP tem de estar presente em seu sítio de ligação no promotor lac para que haja indução normal do óperon. Assim, o complexo CAP/ cAMP exerce controle positivo sobre a transcrição do óperon lac. O efeito é exatamente o oposto do efeito da ligação do repressor a um operador. Embora o mecanismo preciso pelo qual CAP/cAMP estimula a ligação da RNA polimerase ao promotor ainda seja incerto, seu controle positivo da transcrição do óperon lac é bem demonstrado pelos resultados de experimentos in vivo e in vitro. 
CAP atua como dímero; portanto, assim como o repressor lac, é multimérica em seu estado ativo. Apenas o complexo CAP/cAMP liga-se ao promotor lac, na ausência de cAMP, CAP não se liga. Assim, o cAMP age como molécula efetora, determinando o efeito de CAP sobre a transcrição do óperon lac.
A concentração intracelular de cAMP é sensível à presença ou ausência de glicose. Altas concentrações de glicose causam diminuição acentuada da concentração intracelular de cAMP. A glicose impede a ativação de adenilciclase, a enzima que catalisa a produção de cAMP a partir do ATP. Assim, a presença de glicose causa diminuição da concentração intracelular de cAMP. Na presença de baixa concentração de cAMP, CAP não se liga ao promotor do óperon lac. Por sua vez, a RNA polimerase não se liga com eficiência ao promotor lac na ausência de CAP/ cAMP. Assim, na presença de glicose, a transcrição do óperon lac nunca ultrapassa 2% da taxa induzida observada na ausência de glicose. 
Interações proteína/DNA quecontrolam a transcrição do óperon lac
Uma interação fundamental é a ligação da RNA polimerase ao seu sítio de ligação no promotor lac. Outra interação importante é a ligação de CAP/cAMPC ao seu sítio de ligação no promotor lac ( comentada na seção anterior). Uma terceira é a ligação do repressor lac aos operadores lac.
Primeiro, examinemos a ligação de CAP/cAMP ao seu sítio de ligação no promotor lac. O complexo CAP/ cAMP controla a repressão catabólica; a ligação de CAP/cAMP ao promotor é necessária para a indução eficiente do óperon lac. 
Como a ligação de CAP/ cAMP estimula a transcrição dos genes estruturais lac?
A RNA polimerase só se liga com eficiência a seu sítio de ligação no promotor lac se o complexo CAP/ cAMP já estiver ligado. O complexo CAP/ cAMP curva o DNA ao se ligar a ele. É preciso lembrar que os sítios de ligação de CAP/cAMP e RNA polimerase são adjacentes no promotor lac. Provavelmente, a curvatura do DNA por CAP/ cAMP promove maior abertura do sítio para a RNA polimerase e, portanto, aumenta a ligação e a transcrição dos genes estruturais. No entanto, também há evidências de contato entre a RNA polimerase e CAP/ cAMP, de modo que o quadro pode ser mais complexo que a simples curvatura do DNA.
Em seguida, examinemos a ligação do repressor lac aos operadores lac, que impede a transcrição dos genes estruturais no óperon pela RNA polimerase. É preciso lembrar que o óperon lac é controlado por três operadores: o operador primário –O1 -e dois operadores secundários –O2 e O3. O1 é o operador original está localizado entre o promotor e o gene Z. O2 está localizado em posição 3' em relação a O1 no gene Z, e O3, em posição 5' em relação ao promotor. 
A repressão máxima requer os três operadores; no entanto, há forte repressão na presença de O1 mais O2 ou O3• Por que são necessários dois operadores para a repressão eficiente?
A forma ativa do repressor lac é um tetrâmero que tem quatro cópias do produto do gene lac, cada repressor tetramérico liga-se simultaneamente a duas sequências operadoras Na verdade, o tetrâmero é constituído de dois dímeros, cada um deles com um sítio de ligação sequência-específico. Um dos dímeros liga-se a O1 e o outro se liga a O2 ou O3. Ao fazer isso, o repressor curva o DNA e forma um grampo (OI e O2) ou uma alça (O1 e 03). As proteínas reguladoras são capazes de se ligar ao DNA de modo específico para a sequência, de alterar a estrutura do DNA e de estimular ou reprimir a transcrição de genes estruturais adjacentes. A plena compreensão da regulação da expressão gênica exige conhecimento detalhado dessas importantes interações. 
Pontos essenciais: 
O Óperon lac de E. coli é um sistema induzível negativo e repressível por catabólito; os três genes estruturais no Óperon lac só são transcritos em altos níveis na presença de lactose e na ausência de glicose • Na ausência de lactose, o repressor lac liga-se aos operadores lac e impede a RNA polimerase de iniciar a transcrição do óperon • A repressão catabólica impede a indução de óperons como enzimas codificadoras de lac participantes do catabolismo dos carboidratos na presença de glicose, a fonte preferida de energia • A ligação do complexo CAP/cAMPC ao seu sítio de ligação no promotor lac curva o DNA e torna-o mais acessível para a RNA polimerase • O repressor lac liga-se a dois operadores (O1 e O2) ou (O1 e O3) ao mesmo tempo e curva o DNA com formação de um grampo ou uma alça, respectivamente. 
O óperon de triptofano em E. coli: repressão e atenuação
Os genes estruturais no óperon triptofano só são transcritos quando o triptofano está ausente ou em baixa concentração. A expressão dos genes no óperon trp é regulada por repressão do início da transcrição e por atenuação (término prematuro) da transcrição quando o triptofano é prevalente no ambiente. 
O óperon trp de E. coli controla a síntese das enzimas catalisadoras da biossíntese do aminoácido triptofano. As funções dos cinco genes estruturais e as sequências reguladoras adjacentes do óperon trp foram analisadas em detalhes por Charles Yanofsky e colegas. Os 5 genes estruturais codificam enzimas que convertem o ácido corísmico em triptofano. A expressão do óperon trp é regulada em dois níveis: repressão, que controla o início da transcrição, e atenuação, que determina a frequência de término prematuro do transcrito. 
Repressão:
O óperon trp de E. coli é um óperon repressível negativo.
 O gene trpR, que codifica o repressor de trp, não está estreitamente ligado ao óperon trp. A região operadora (O) do óperon trp situa-se na região promotora primária (P1). Também há um promotor fraco (P2) na extremidade distal operadora do gene trpD. O promotor P2 aumenta o nível basal de transcrição dos genes trpC, trpB e trpA. Duas sequências de término da transcrição (t e t’) estão localizadas em posição 3’ em re-lação a trpA. A região trpL especifica uma sequência líder de mRNA com 162 nucleotídios. 
Ausência de triptofano (correpressor)/estado desreprimido: a RNA polimerase liga-se à região promotora e transcreve os genes estruturais do óperon. 
Presença de triptofano/estado reprimido: o complexo correpressor/repressor liga-se à região operadora e impede a RNA polimerase de iniciar a transcrição dos genes no óperon.
A taxa de transcrição do óperon trp no estado desreprimido (ausência de triptofano) corresponde a 70 vezes a taxa no estado reprimido (presença de triptofano). Em mutantes trpR, que não têm um repressor ativo, a taxa de síntese das enzimas de biossíntese do triptofano ainda é reduzida cerca de dez vezes pelo acréscimo de triptofano ao meio. Essa redução adicional na expressão do óperon trp é causada por atenuação, que é discutida a seguir. 
Atenuação
A síntese das enzimas de biossíntese do triptofano é regulada em um segundo nível por um mecanismo independente de repressão/ desrepressão e requer a presença de sequências nucleotídicas na região trpL do óperon trp. Esse segundo nível de regulação do óperon trp é denominado atenuação, e a sequência no trpL que controla esse fenômeno é denominada atenuador.
A atenuação ocorre por controle do término da transcrição em um sítio perto da extremidade da sequência líder do mRNA. Esse término "prematuro" da transcrição do óperon trp só ocorre na presença de tRNATrp com carga de triptofano. Quando ocorre esse término prematuro ou essa atenuação, há produção de um transcrito trp truncado (140 nucleotídios). 
A região atenuadora tem uma sequência de pares de nucleotídios praticamente idêntica aos sinais de término da transcrição encontrados nas extremidades da maioria dos óperons bacterianos. Esses sinais de término contêm um palíndromo rico em G:C seguido por vários pares de bases A:T. A transcrição desses sinais de término produz um RNA nascente com possibilidade de formar uma estrutura em grampo ligada por hidrogênio seguida por várias uracilas. Quando um transcrito nascente forma essa estrutura de grampo, modifica a conformação da RNA polimerase associada, ocasionando o término da transcrição na região seguinte de pareamento de bases de RNA-DNA, com ligações de hidrogênio mais fracas (A: U). Portanto, a sequência nucleotídica do atenuador explica sua capacidade de interromper prematuramente a transcrição do óperon trp. 
Mas como isso é regulado pela presença ou ausência de triptofano?
Primeiro, lembre-se de que a transcrição e a tradução estão acopladas em procariotos; isso é, os ribossomos começam a traduzir os mRNA ainda durante sua síntese. Assim, eventos que ocorrem durante a tradução também podem afetar a transcrição. Em segundo lugar, observe que a sequência líder de 162 nucleotídios do mRNA do óperon trp contém sequências cujas bases podem se emparelhar e formar estruturas em haste e alça ou em grampo. 
Pontos essenciais: 
O óperon trp de E. coli é um sistema repressível negativo; a transcrição dos cinco genes estruturais no óperon trp é reprimida na presença de concentração relevante de triptofano , • óperons como trp codificadores de enzimas participantes das vias de biossíntese de aminoácidos geralmente sãocontrolados por um segundo mecanismo regulador denominado atenuação • A atenuação ocorre pelo término prematuro da transcrição em um sítio na sequência líder do mRNA (a sequência em posição 5' em relação à região codificadora) quando o triptofano é predominante no meio de crescimento das bactérias. 
Regulação da expressão gênica por controle da tradução.
Geralmente, o ajuste fino da regulação da expressão gênica ocorre por modulação da frequência de início da tradução ou da taxa de alongamento da cadeia polipeptídica. Embora a regulação da expressão gênica em procariotos ocorra principalmente na transcrição, o ajuste fino costuma ser feito na tradução. Em procariotos, as moléculas de mRNA frequentemente são multigênicas, contendo as sequências codificadoras de vários genes. Por exemplo, o mRNA do óperon lac de E. coli abriga sequências nucle-otídicas codificadoras de beta-galactosidase, beta-galactosídio permease e beta-galactosídio transacetilase. Assim, os três genes codificadores dessas proteínas têm de ser ativados e desativados juntos na transcrição porque os genes são cotranscritos. Todavia, os três produtos gênicos não são sintetizados em quantidades iguais. Uma célula de E. coli que cresce em meio rico em lactose como única fonte de carbono contém cerca de 3.000 moléculas de beta-galactosidase, 1.500 moléculas de beta-galactosídio permease e 600 moléculas de beta-galactosídio transacetilase. E claro que as diferentes quantidades molares dessas proteínas por célula têm de ser controladas após a transcrição. É preciso lembrar que transcrição, tradução e degradação de mRNA estão acopladas em procariotos; uma molécula de mRNA costuma passar pelos três processos simultaneamente. Assim, os produtos gênicos podem ser produzidos em diferentes quantidades a partir do mesmo transcrito por vários mecanismos. 
1. Sabe-se que a eficiência de início da tradução é diferente nos códons de iniciação ATG de diferentes genes.
2. A alteração da eficiência de movimento do ribossomo ao longo das regiões intergênicas de um transcrito é bastante comum. A diminuição das taxas de tradução costuma ser causada por grampos ou outras formas de estrutura secundária que impedem a migração do ribossomo ao longo da molécula de mRNA. 
3. Também há taxas diferentes de degradação de regiões específicas de moléculas de mRNA. 
Pontos essenciais: 
• O ajuste fino da regulação costuma ocorrer no nível de tradução por modulação da taxa de iniciação da cadeia polipeptídica ou de alongamento da cadeia. 
Mecanismos reguladores pós tradução
Inibição por feedback/inibição pelo produto final: ocorre quando o produto de uma via de biossíntese inibe a atividade da primeira enzima da via, rapidamente interrompendo a síntese do produto.
 Nós comentamos, anteriormente neste capítulo, o mecanismo pelo qual a transcrição de genes bacterianos codificadores de enzimas em uma via de biossíntese é reprimida quando o produto dessa via está presente no meio de cultura das células. Um segundo e mais rápido ajuste fino da regulação do metabolismo costuma ocorrer no nível da atividade da enzima. A concentração suficiente do produto final de uma via de biossíntese costuma inibir a primeira enzima da via, a inibição por feedback. 
Essa inibição ocasiona a interrupção quase imediata da síntese do produto final quando ele é acrescentado ao meio. A via de biossíntese do triptofano em E. coli é uma boa ilustração da inibição por feedback. O produto final (triptofano) liga-se à primeira enzima da via -antranilato sintetase e inibe totalmente sua atividade, com interrupção quase imediata da síntese de triptofano.
 As enzimas sensíveis à inibição por feedback contêm um sítio (ou sítios) de ligação do produto final além do sítio (ou sítios) de ligação do substrato. No caso de enzimas multiméricas, o sítio de ligação do produto final ou regulador costuma ser uma subunidade (polipeptídio) diferente da existente no sítio do substrato.
Depois da ligação do produto final, essas enzimas sofrem transições alostéricas que reduzem sua afinidade pelos substratos. As proteínas que sofrem mudanças de conformação são denominadas proteínas alostéricas. Muitas enzimas, talvez a maioria delas, passam por transições alostéricas de algum tipo. As transições alostéricas também parecem ser responsáveis pela ativação da enzima, que costuma ocorrer quando uma enzima se liga a um ou mais de seus substratos ou a alguma outra pequena molécula. Algumas enzimas apresentam um amplo espectro de ativação e inibição por muitas moléculas efetoras diferentes. Um exemplo é a enzima glutamina sintetase, que catalisa a etapa final da biossíntese do aminoácido glutamina. A glutamina sintetase é uma enzima multimérica complexa tanto em procariotos quanto em eucariotos. A glutamina sintetase de E. coli responde, por ativação ou inibição, a 16 metabólitos diferentes, provavelmente por transição alostérica. 
Pontos essenciais: 
A inibição porfeedback ocorre quando o produto de uma via de biossíntese inibe a atividade da primeira enzima da via, com rápida interrupção da biossíntese do produto • A ativação da enzima ocorre quando um substrato ou outra molécula efetora estimula a atividade de uma enzima, aumentando a taxa de síntese do produto da via. 
Exercícios
1. Qual é a diferença entre mecanismos reguladores positivos e negativos? 
Resposta: As mutações de genes reguladores que geram produtos inativos têm efeitos muito diferentes em sistemas de controle positivos e negativos. Nos circuitos de controle positivo, essas mutações tomam impossível ativar a expressão dos genes regulados, enquanto nos circuitos de controle negativo, essas mutações tornam impossível a desativação da expressão dos genes regulados. 
2. Qual é a diferença entre óperons induzíveis e repressíveis? 
Resposta: Na ausência da molécula efetora, os óperons induzíveis são desativados, enquanto os óperons repressíveis são ativados. 
3. Qual é a diferença entre elementos reguladores cis e trans? 
Resposta: Esses elementos podem ser distinguidos por construção de diploides parciais nos quais os ele-mentos reguladores estejam em posição (1) cis em relação aos genes regulados e (2) trans em relação aos genes regulados. Um elemento de ação cis só influencia a expressão dos genes quando presente em configuração cis, enquanto um elemento de ação trans é eficaz tanto em configuração cis quanto trans.
 4. O que é atenuação? Qual é seu mecanismo? 
Resposta: Atenuação é um mecanismo de regulação da expressão gênica pelo término prematuro da trans-crição na região líder de um transcrito. No caso do óperon do triptofano (trp) de E. coli, por exemplo, a presença ou ausência do produto final, triptofano, determina se há ou não atenuação. A região líder do mRNA tem sequências que podem emparelhar suas bases para formar estruturas em grampo alternativas, uma das quais é um sinal típico de término da transcrição. A formação desse grampo depende da tradução de um peptídio líder contendo dois resíduos triptofano. Quando os níveis de triptofano são baixos, a tradução cessa nos códons Trp, o que impede a formação do grampo de término da transcrição. Quando a quantidade de triptofano é suficiente, a tradução ultrapassa os códons Trp até o códon de término da tradução, desorganizando o primeiro grampo. Isso, por sua vez, possibilita a formação do grampo de término da transcrição e a ocorrência de atenuação (término da transcrição no atenuador). A atenuação diminui em dez vezes a síntese das enzimas de biossíntese do triptofano. A atenuação é possível em procariotos porque a transcrição e a tradução estão acopladas, assim, os eventos ocorridos durante a tradução podem afetar a transcrição. 
5. O acréscimo de histidina ao meio de cultura de E. coli faz cessar sua síntese muito rapidamente, bem antes de cessar a síntese das enzimas de biossíntese da histidina. Qual é a explicação para isso? 
Resposta: Além de desativar a síntese das enzimas de biossíntese da histidina, a histidina também inibe a atividade da primeira enzima-N' -5' -fosforibossil-ATP transferase-da via de biossíntese da histidina, por um processo denominado inibição por feedback. A enzima tem um sítio de ligação de histidina, e quando se liga à histidina, sofre uma mudança de conformação que inibe sua atividade. Assim, a inibição por feedback acarreta a interrupção quase imediata da síntese de histidina.