Cap 8

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Biologia Molecular e Celular – Resumos Alberts 2009/2010 
 
Nádia Mourinho Bala 
 
Capitulo 8 – Controlo da Expressão Génica 
As células têm a capacidade de “seleccionar” os genes que serão expressos, sem alterar a 
sequência de nucleótidos do seu DNA. 
Note-se que todas as células possuem o mesmo conjunto de genes. 
Como já foi dito, as células têm a capacidade de seleccionar os genes que serão expressos sem 
no entanto, alterar o seu DNA. Mas como sabemos isto? 
Se o DNA fosse alterado irreversivelmente durante o desenvolvimento dos cromossomas nas 
células diferenciadas estas seriam incapazes de dar origem a um novo organismo. Comprovou-
se após ter sido removido o material genético de uma célula da pele de um sapo adulto e 
injectado num ovo, tendo-se constatado que o embrião se desenvolveu normalmente. 
Esta experiência mostrou que o DNA de células especializadas possuem toda a informação 
necessária para dar origem a um novo organismo. 
 
 Diferentes tipos de células produzem diferentes tipos de proteínas: 
 
Após ter sido realizada electroforese às proteínas de células do fígado, coração e cérebro 
concluiu-se que determinadas proteínas são características de determinados tecidos. No 
entanto, descobriu-se também que existem proteínas comuns a todas estas células, 
nomeadamente a RNA polimerase, enzimas de reparação do DNA, proteínas ribossomais, 
enzimas envolvidas na glicólise e outros processos básicos de metabolismo. 
Cada célula diferenciada produz proteínas específicas que irão determinar a sua função, forma, 
tamanho. 
Muitas proteínas são produzidas em poucas quantidades nas células não sendo detectadas por 
electroforese. Um outro método mais rigoroso designa-se “mass spectrometry” e é usado para 
detectar proteínas raras e fornecer informações acerca das suas ligações covalentes (por 
fosforilação, por exemplo). A expressão génica pode ainda ser estudada pela monitorização de 
mRNAs que codificam proteínas. 
 
 Estima-se que nas células diferenciadas sejam expressos cerca de 5000-15000 genes de um 
conjunto de 25000. 
 
 Cada tipo de célula produz proteínas especializadas que dotam a célula de diferentes 
capacidades. 
 
 A célula pode alterar a sua expressão génica de acordo com estímulos 
externos: 
 
Muitas células podem alterar a sua expressão génica de acordo com os estímulos externos, um 
exemplo são as células do fígado. 
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Quando as células do fígado estão expostas a hormonas glucocorticóides, a expressão de 
determinadas proteínas aumenta drasticamente. Isto ocorre quando o indivíduo está sujeito a 
longos períodos de exercício intenso, nestas situações estas hormonas induzem o fígado a 
produzir glicose a partir de aminoácidos e de outras pequenas moléculas. O leque de proteínas 
cuja produção é induzida pelos glucocorticóides inclui a tirosina aminotransferase que é 
utilizada na conversão de tirosina em glicose. Quando as hormonas glucocorticóides deixam de 
estar presente a produção de proteínas volta aos valores normais. 
Outros tipos de células reagem de forma diferente à presença de glucocorticóides, 
nomeadamente as “fat cells” (células gordas) que reduzem drasticamente a produção da 
enzima tirosina aminotransferase na presença desta hormona. 
Há ainda outras células que não têm qualquer resposta à presença deste composto. 
 
Estes exemplos ilustram a diversidade de respostas por parte de diferentes tipos de células 
face ao mesmo estímulo externo. 
 
 
 A expressão génica pode ser regulada em várias etapas: 
 
Desde a molécula de DNA até a formação de proteínas existem diversas maneiras de controlar 
a expressão génica. 
A célula controla a produção de proteínas determinando quando e com que frequência 
determinado gene é transcrito (1); controla também o splicing e a forma como o RNA é 
processado (2); selecciona os mRNAs que são exportados do núcleo para o citosol (3); Degrada 
determinadas moléculas de mRNA (4); selecciona quais os mRNAs que serão traduzidos pelos 
ribossomas (5); activando ou desactivando proteínas que foram produzidas (6). 
 
 
 
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 Controlo ao nível da transcrição: 
 
O promotor de um gene atrai a RNA polimerase e orienta correctamente a enzima de modo a 
formar a sequência correcta de RNA. 
Os promotores das bactérias e dos eucariotas possuem um “initiation site”, onde a transcrição 
tem início; possuem também uma sequência de aproximadamente 50 nucleótidos que se 
estende para além do initiation site e que contém sequências necessárias à ligação da RNA 
polimerase ao promotor. 
Junto do promotor, existe também um “Regulatory DNA sequences” que é usado para “ligar” 
ou “desligar” o gene. 
 
As “Regulatory DNA sequences” das células eucariotas possuem cerca de 10.000 pares de 
nucleótidos. Estes comandam a frequência com que o gene será expresso de acordo com os 
estímulos (sinais) da célula. 
 
Isoladamente as “Regulatory DNA sequences” não possuem qualquer efeito, necessitam de 
proteínas designadas “transcription regulators”, pois apenas em conjunto têm a capacidade 
de controlar a expressão génica. 
 
Diferentes proteínas irão reconhecer diferentes sequências de DNA onde se irão ligar através 
de pontes de hidrogénio, que isoladamente são fracas mas que em conjunto são bastante 
resistentes. 
As interacções entre DNA e proteínas são das mais especificas e das mais fortes ligações 
conhecidas na biologia. 
 
Embora, cada proteina reconheça determinada sequencia onde se irá ligar, muitas proteínas 
responsáveis pela regulação génica reconhece o DNA através de características estruturais 
especificas, nomeadamente o homeodominio, o zinco e a cadeia de leucina que estão 
presentes nestes locais em particular. 
 
 
 A regulação da transcrição permite à célula responder aos estímulos 
externos: 
 
O DNA da E.Coli codifica cerca de 4300 proteínas sendo que a sua expressão génica depende 
do alimento disponível no meio. 
Por exemplo, na E.Coli, cinco genes codificam enzimas para a produção do triptofano sendo 
que estas são transcritas num único mRNA, recorrendo apenas a um promotor. Quando o 
triptofano está presente no meio, estas proteínas deixam de ser necessárias e a sua síntese é 
inibida. 
 Este mecanismo designa-se operão. 
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O operão é constituído por um promotor que é uma sequência de 15 nucleótidos que será 
reconhecida pela proteína “transcription regulator”. Quando esta se liga ao promotor bloqueia 
o acesso da RNA polimerase ao operador, não ocorrendo transcrição. 
Neste operão a proteína “transcription regulator” é designada por tryptophan repressor. 
O tryptophan repressor é uma proteína alostérica. Quando o triptofano se liga a esta proteína, 
esta muda a sua configuração e liga-se ao operador. Se não houver triptofano no meio este 
não se liga ao tryptophan repressor consequentemente este não muda a sua estrutura 
tridimensional não se ligando ao operador, permitindo a transcrição dos genes. 
 
 
 
 
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 Os repressores bloqueiam a expressão génica enquanto que os 
activadores a promovem: 
 
O tryptophan repressor, tal como o nome sugere, é uma proteína repressora. Na sua forma 
activa inibe a transcrição. Outras bactérias possuem outras proteínas “transciption regulators” 
que fazem exactamente o oposto. Essas proteínas designam-se activator (activadores). Estas 
proteínas actuam sobre o promotor promovendo a ligação da RNA polimerase. 
À semelhança do “tryptophan repressor”, as proteínas activadoras têm de interagir com uma 
segunda molécula para se poder ligar ao DNA. Por exemplo a proteína activadora CAP têm de 
se ligar ao AMP cíclico antes de seligar ao DNA. Portanto, em determinadas bactérias, 
dependendo da concentração de AMP intracelular os genes são ou não transcritos. 
 
 
 Um activator e um repressor controlam o operão da Lactose: 
 
Muitas vezes a actividade de um único promotor é controlada por dois diferentes 
“transcription regulators”. 
O operão da Lactose na E.Coli é controlado por uma proteína activadora CAP e por um Lac 
repressor. 
Este operão codifica enzimas responsáveis pela digestão da lactose. 
Na ausência da glicose, a CAP activa os genes permitindo que a célula utilize recursos 
alternativos de carbono, incluindo a lactose. No entanto, na ausência de lactose iria ser um 
desperdício estar a produzir enzimas para a degradar. Daí que exista um repressor que actua 
na ausência de lactose. 
Sendo assim, apenas na ausência de glicose E na presença de lactose, estes genes são 
transcritos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 Os Transcription Regulators dos eucariotas controlam a expressão 
génica à distância: 
 
Os eucariotas utilizam também transcription regulators que regulam a sua expressão genica. 
As zonas especificas de DNA onde se ligam os activadores designam-se enhancers. No entanto, 
o que intrigou os cientistas foi o facto destes enhancers actuarem à distancia. 
Muitos modelos de “acção à distância” foram propostos desde então. 
O modelo mais aceite diz que a porção de DNA existente entre o enhancer e o promotor forma 
uma alça permitindo assim uma maior proximidade entre ambos (ver imagem). Deste modo a 
proteína activadora que se liga ao enhancer pode entrar em contacto com as proteínas 
adjacentes ao promotor (RNA polimerase e outros factores de transcrição). Existe ainda outro 
complexo de proteínas que favorece a ligação entre os transcription regulators e o enhancer, 
este complexo designa-se mediator. 
Nestes casos os activadores promovem a montagem de todo este complexo proteico essencial 
para que ocorra a transcrição enquanto que os repressores terão o efeito oposto. 
 
 
 
 Os nucleossomas dificultam o inicio da transcrição: 
 
O material genético das células eucariotas está “empacotado” nos nucleossomas. Então como 
é que os transcription regulators e a RNA polimerase pode ter acesso ao DNA? Os 
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nucleossomas podem inibir a transcrição se estiverem posicionados sobre um promotor uma 
vez que bloqueiam o acesso das proteínas e enzimas responsáveis pela transcrição. 
No entanto, a estrutura da cromatina pode ser alterada por complexos enzimáticos que 
alteram as histonas. 
Muitos repressores atraem histonas desacetilases que removem o grupo acetil das histonas 
inibindo assim a transcrição. Por outro lado, a acetilação das histonas promove a transcrição. 
Embora alguns repressores actuem apenas sobre um gene, existe ainda outro grupo de 
repressores que actua sobre grandes porções de cromatina, como é o caso da heterocromatina 
e de um dos cromossomas X das mulheres. 
 
 
 
 
 
 
 
 Mecanismos moleculares podem originar células especializadas: 
As células são capazes de “ligar” e “desligar” determinados genes de acordo com os 
estímulos/sinais do seu meio envolvente. 
As células dos organismos multicelulares têm uma capacidade extraordinária de desenvolver 
vários tipos de células diferenciadas, sendo que a memória da célula (cell memory) é um pré-
requisito para o desenvolvimento de tecidos especializados e pela manutenção da estabilidade 
das células diferenciadas. 
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 Os genes eucariotas são regulados por conjuntos de proteínas: 
 
O termo “combinatorial control” refere-se à forma como a transcrição de um determinado 
gene é regulado por um conjunto de proteínas. Estas proteínas podem ser inibidores e 
activadores e vão determinar o nível de expressão de um determinado gene. 
 
 
 
 A expressão de diferentes genes pode ser comandada por uma única 
proteína: 
Quando uma célula eucariota recebe um sinal para que se divida. Um conjunto de genes que 
ao momento não eram expressos, são activados. Ao contrário dos procariotas, nos eucariotas 
cada gene é transcrito e regulado individualmente. 
Então, como é que os eucariotas coordenam a sua expressão genica? 
Embora o controlo da expressão génica resulte da combinação de várias proteínas 
(combinatorial control), o efeito de um único regulador de transcrição pode ser decisivo para 
ligar ou desligar determinado gene uma vez que completa a combinação de proteínas 
necessária para activar ou reprimir a expressão desse mesmo gene. 
Note-se que, um regulador de transcrição pode fazer parte de diferentes combinações e deste 
modo activar ou reprimir a expressão de um conjunto de genes. 
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Um exemplo ilustrativo deste tipo de regulação nos humanos está presente na proteína 
receptora do glucocorticóide (regulador de transcrição). Para que este se ligue ao sítios de 
regulação do DNA, este regulador de transcrição tem de fazer parte de um complexo do qual 
faz parte a hormona glucocorticóide. Em resposta aos glucocorticóides, as células do fígado 
aumentam a expressão de diferentes genes, em que um deles codifica a enzima tirosina 
aminotransferase. Estes genes são todos regulados pela ligação da hormona glucocorticóide, 
que faz parte do complexo que regula a transcrição dos diferentes genes. Quando esta 
hormona deixa de estar presente a expressão de todos estes genes desce para o nível normal. 
Através deste exemplo podemos ver que apenas um regulador de transcrição pode estar 
envolvido no controlo de diferentes genes. 
 
 
 Combinatorial Control pode ser responsável pelos diferentes tipos de 
células: 
Descobriu-se o efeito de um único regulador de transcrição na diferenciação de tecidos através 
do estudo do desenvolvimento de células musculares. O músculo-esquelético mamário é 
bastante distinto do restante músculo-esquelético. É constituído por células grandes que 
resultam da fusão de muitas células precursoras de células musculares, designadas mioblastos. 
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Este músculo apresenta características específicas ao nível da actina e miosina, dos receptores 
de proteínas e nas proteínas dos canais iónicos que fazem com que estas células sejam 
sensíveis à estimulação do nervo. Neste tipo de tecido, todos os genes responsáveis por estas 
características estão activos. 
Através de estudos de células musculares diferenciadas foram identificadas “key transcription 
regulators” que se expressavam apenas em potenciais células musculares e que coordenavam 
a expressão deste tipo de genes. 
Estes “key transcription regulators” podem converter células não musculares em células 
musculares. Por exemplo, quando um dos reguladores pertencentes à “key transcription 
regulators”, nomeadamente o MyoD, é artificialmente expresso em culturas de fibroblastos 
estes começam a comportar-se com mioblastos e fundem-se para formar células que se 
assemelham às musculares. Isto acontece porque os fibroblastos derivam do mesmo folheto 
embrionário que as células musculares, daí que tenham acumulado reguladores de transcrição 
que fazem parte da conjunto de reguladores que coordenam a expressão de genes 
responsáveis pelas características musculares. Nos fibroblastos não esta presente o regulador 
que falta ao conjunto de reguladores, o MyoD, daí que este tenha sido adicionado. Daí que os 
fibroblastos não se diferenciem em células musculares naturalmente. 
Muitas outras células não se conseguem diferenciar em células musculares porque não 
acumularam reguladores de transcrição específicos para tal durante o seu desenvolvimentoembrionário. 
 
 Os padrões de expressão génica podem ser transmitidos às células 
filhas: 
As células altamente especializadas não se dividem, nomeadamente os neurónios e as células 
musculares. No entanto, muitas outras células se dividem tais como os fibroblastos, células do 
músculo liso e as células do fígado, que se dividem muitas vezes na vida de um indivíduo. 
Todos estes tipos de células originam células-filhas idênticas a elas próprias. Esta preservação 
de características significa que existe uma memória celular. 
As células têm diversas maneiras de “lembrar” às suas células-filhas que tipo de célula é 
suposto formarem. Uma maneira simples é através da “positive feedback loop”, onde a “key 
transcription regulator” activa a transcrição dos genes característicos daquele tipo de célula, 
tornando-a diferenciada. Uma outra maneira de manter o mesmo tipo de célula após a divisão 
esta relacionada com a estrutura da cromatina que pode permitir ou não a expressão de 
determinados genes; uma terceira maneira de transmitir informação acerca da expressão é 
através da metilação de DNA. Este processo modifica as ligações covalentes das citosinas, 
atraindo proteínas que impedem a transcrição. Os padrões de metilação são passados à 
descendência através de uma enzima que copia os padrões de metilação para as cadeias de 
DNA das células-filhas, imediatamente após a replicação. 
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Porque cada um destes mecanismos (positive feedback loop, condensação de cromatina e 
metilação de DNA) transmitem a informação as células filhas sem alterar a sequência 
nucleotídica de DNA, são consideradas formas de “epigenetic inheritance”. 
 
Fig. Feedback Loop – Cell Memory 
 
 
 A formação de um órgão pode ser conseguida através de um simples 
regulador de transcrição: 
 
Com já vimos anteriormente, um único regulador de transcrição pode fazer parte de diferentes 
combinações de proteínas (combinator control) e consequentemente “ligar” ou “desligar” 
diversos genes podendo converter um tipo de célula noutro tipo. 
Após o estudo da Drosophila chegou-se à conclusão que era possível fazer surgir olhos nas 
patas com apenas um regulador de transcrição (Ey) que fazia parte do controlo de diferentes 
genes. Alguns dos genes controlados por Ey irão actuar como reguladores e controlar a 
expressão de outros genes, provocando uma cascata de regulações e expressões de genes que 
irão levar à formação de um olho. 
 
 
 
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Controlos Pós-Transcrição: 
 
Até agora vimos os reguladores de expressão génica. No entanto, existem outras formas de 
regulação após a transcrição que actuam após a RNA polimerase se ter ligado ao promotor do 
gene e a síntese de RNA ter começado. Esta regulação é crucial para determinados genes. 
Os mecanismos de regulação estudados até então envolvem a participação de proteínas 
reguladoras. No entanto, os cientistas descobriram recentemente que determinados mRNAs 
podem regular a sua própria transcrição e tradução. Este mecanismo de auto-regulação 
contem ribowitches que são curtas sequencias de RNA que modificam a sua conformação 
quando se ligam a pequenas moléculas designadas metabolitos. Cada ribowitch reconhece 
uma determinada molécula que será responsável pela sua mudança de conformação que será 
determinante para a regulação da expressão genica. Este método de regulação é 
particularmente comum na bactéria. 
 
 As zonas do DNA que não são transcritas controlam a transcrição de 
genes: 
Quando uma molécula de mRNA está a ser sintetizada, uma das maneiras mais comuns de 
regular a quantidade de proteína que resultará desse mRNA é através do controlo ao nível da 
tradução. 
Embora os detalhes da iniciação da tradução difiram entre os eucariotas e as bactérias, ambos 
usam as mesmas estratégias básicas de regulação nesta etapa. 
O mRNA da bactéria contem uma pequena sequência de ligação ao ribossoma localizada a 
poucos nucleótidos de distância do codão AUG, onde a tradução se inicia. Esta pequena 
sequência irá ligar-se ao ribossoma, posicionando correctamente o codão AUG. 
Sendo que esta interacção é necessária para uma eficiente tradução, constitui uma etapa ideal 
para controlo. Nesta etapa, ao expor ou bloquear a sequência reconhecida pelo ribossoma, a 
bactéria pode promover ou inibir a tradução do mRNA. 
Nos eucariotas, o mRNA possui uma extremidade 5’ que não é transcrita e que ajuda a 
orientar o ribossoma na direcção do codão AUG, onde começa a tradução. Nas células 
eucariotas, os repressores podem inibir a tradução ligando-se à região do mRNA a esta 
sequência específica impedindo assim que o ribossoma encontre o codão de iniciação, 
controlando assim a tradução do mRNA. 
 
 
 
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 RNAs reguladores controlam a expressão de centenas de genes: 
Para além de o RNA ser um intermediário de informação genética, também podem ter um 
papel fundamental em reacções de catálise particularmente na síntese de proteínas. As 
recentes descobertas revelaram que o RNA possui um papel fulcral na regulação da expressão 
génica. 
Foi encontrado um RNA nas plantas e em animais, designado microRNA (miRNA). Sabe-se que 
os humanos produzem mais de 400 miRNAs diferentes que regulam cerca de um terço dos 
genes que codificam proteínas. Tal como o tRNA e o rRNA, o precursor do miRNA sofre um tipo 
especial de processamento tornando-se então em miRNA maturo que irá associar-se com 
proteínas especializadas, constituindo-se assim o RNA-induced silencing complex (RISC). O RISC 
irá percorrer o citoplasma procurando mRNA que lhe sejam complementares. Uma vez 
encontrado o mRNA complementar, este será destruído imediatamente por uma nuclease ou 
então a sua tradução será bloqueada enviando-o para uma região do citoplasma onde haja 
nucleases para o degradar. Após degradar esse mRNA, o miRNA irá procurar outros para 
degradar, impedindo assim a síntese da proteína que esse mesmo mRNA codifica. 
De facto, os miRNA são bastante úteis como reguladores da tradução, primeiro porque um 
único miRNA pode regular uma grande quantidade de mRNA desde que apresentem a 
sequência que lhe é complementar. Segundo, porque os genes que codificam os miRNA são 
muito mais pequenos em comparação com os genes que codificam os reguladores de 
transcrição, tanto que devido ao seu reduzido tamanho foram descobertos muito mais tarde. 
 
 O RNA Interference destrói duplas cadeias de RNA estranho: 
Muitas das proteínas que processam o miRNA também fazem parte dos mecanismos de defesa 
das células: elas determinam a destruição de moléculas de RNA estranhas, especialmente as 
que são constituídas por dupla cadeia. Muitos vírus e também transposões genéticos 
produzem duplas cadeias de RNA que por serem potencialmente perigosos são destruídos pelo 
RNA Interference (RNAi). 
A presença de cadeias de RNA estranhas atrai o RNAi que contem nucleases, designadas Dicer. 
A Dicer quebra as duplas cadeias de RNA transformando-as em pequenos fragmentos 
chamados small interfering RNAs (siRNAs). Estes pequenos fragmentos serão integrados nos 
RISC (complexos que contêm miRNAs). O RISC descarta uma das cadeias de RNA e usa a outra 
para procurar as restantes cadeias complementares. Desta forma, as moléculas de RNA 
estranho são rapidamente degradadas e o organismo é defendido contra os ataques de vírus, 
por exemplo. 
 
 
 
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Após vários estudos chegou-se à conclusão de que o RNAi permite “desligar” determinados 
genes o que poderá ser muito útil no tratamento de doenças, uma vez que muitas delas 
resultam de uma inapropriada expressão génica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Biologia Moleculare Celular – Resumos Alberts 2009/2010 
 
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