Regulação da Expressão gênica - genética animal

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De que forma os níveis de expressão gênica variam (produzem 
maior ou menor quantidade de RNA e proteínas)? 
 
Quais fatores em uma célula ou seu ambiente disparam 
alterações nos níveis de expressão gênica? 
 
O que determina a ativação ou inativação da expressão de 
determinados genes? 
 
Quais são os mecanismos moleculares de regulação da 
expressão gênica em procariotos e eucariotos? 
Controle da expressão gênica 
Questões fundamentais 
 Todas as células de um organismo contém uma mesma cópia do genoma; 
 Cada célula têm um padrão único de expressão; 
 Diferentes conjuntos de genes estão “ligados” ou “desligados”; 
 Apenas genes “ligados” (ativos) produzem mRNA. 
 Diferenciação; 
 Crescimento; 
 Função celular; 
 Resposta ao ambiente. 
Tecido A Tecido B 
O fluxo da informação genética 
Transcrição e tradução 
Procariotos 
Eucariotos 
Seis passos no controle da expressão gênica em eucariotos 
Passos chaves na regulação 
Economia metabólica 
A iniciação da transcrição em eucariotos deve 
levar em consideração a compactação do 
DNA nos nucleossomos e as formas mais 
compactas da estrutura da cromatina. 
Repressão 
gênica por 
remodelagem da 
cromatina 
Um repressor pode reprimir a 
expressão gênica recrutando 
fatores que silenciam o gene de 
três maneiras: 
 
1) um complexo de 
remodelamento da 
cromatina; 
 
2) uma histona-desacetilase; 
 
3) uma histona-
metiltransferase. 
Organização gênica de um cromossomo humano (22) 
48 Mb (48 x 106 pares de nucleotídeos) – 1,5% do genoma humano 
Estrutura generalizada de um gene eucariótico 
Seqüência codificadora de proteína 
Regulação do início 
da transcrição 
 
Terminação 
da 
transcrição 
Região transcrita 
Gene 
Estrutura de um promotor reconhecido pela RNA pol. II 
Região regulatória: Elementos de atuação cis 
Controle da Expressão Gênica 
Princípios Básicos 
• Envolve interações químicas e físicas entre aminoácidos dos 
elementos em trans (RNA polimerase, fatores de transcrição, 
proteínas regulatórias) e elementos em cis (seqüências de 
nucleotídeos no DNA, promotores, acentuadores, silenciadores). 
 
• Envolve ainda interações entre elementos em trans diferentes. 
 
• Estas interações podem estimular ou inibir a transcrição e, 
portanto, a expressão gênica; 
 
• São temporais (controle desenvolvimental), além de tecido-
específicas. 
A atividade gênica é regulada por interações específicas de produtos que atuam 
em trans (geralmente proteínas) com as seqüências que atuam em cis 
(geralmente sítios do DNA) → INTERRUPTORES GENÉTICOS 
Sítio, domínio ou motivo onde ocorrem 
interações que controlam a expressão 
gênica 
Ligação de moléculas regulatórias 
podem deformar o DNA 
Diferentes pares 
de bases no 
DNA podem ser 
reconhecidos a 
partir de suas 
bordas 
Ligação de proteína regulatória ao sulco maior do DNA 
• Podem ocorrer 10-20 desses contatos, com diferentes aminoácidos e diferentes 
energias de ligação. 
 
• Interações DNA-proteína são das mais fortes e mais específicas conhecidas. 
Região de controle gênico de um gene eucariótico típico 
• Formação de alças de DNA permite que as proteínas de regulação gênica 
ligadas em diferentes posições possam interagir com os fatores associados ao 
promotor. 
RNA polimerase II 
Aparato transcricional basal 
Enhancers 
Acentuadores ou Intensificadores da transcrição 
• Atuação independente da orientação (pode ser invertida em relação ao promotor); 
• Pode localizar-se a consideráveis distâncias do promotor; até mesmo no interior de 
introns. 
Estudos estruturais de várias interações mostrou um pequeno conjunto de 
motivos de ligação ao DNA, que usam alfa-hélices ou folhas beta para se 
ligar ao sulco maior. 
Motivos/domínios/sítios de ligação ao DNA: 
 
• Hélice-volta-hélice (“helix-turn-helix”); 
 
• Hélice-laço-hélice (“helix-loop-helix” - HLH); 
 
• Dedos de zinco (“zinc finger motif”); 
 
• Zíper de leucina (“Leucine zipper”). 
Motivo Hélice-volta-hélice 
• Reguladores do desenvolvimento; 
 
• Caracterizados primeiramente em Drosophila e identificados também em 
mamíferos, sendo altamente conservados. 
Estrutura 
protéica 
secundária 
Homeodomínios 
• Proteínas contendo homeodomínios podem atuar tanto como ativadoras ou 
repressoras da transcrição 
Homeodomínios ligam-se a alvos relacionados no DNA 
• A porção C-terminal da α-hélice-3 possui 17 aminoácidos e liga-se ao sulco maior 
do DNA, estabelecendo contatos tanto com o esqueleto de fosfato como com as 
bases específicas; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• O braço N-terminal do homeodomínio projeta-se para o interior do sulco menor 
do DNA; 
Motivo Hélice-laço-hélice 
• Proteínas Hélice-laço-hélice possuem um motivo de 40 a 50 aminoácidos que 
compreende duas α-hélices anfipáticas de 15 a 16 resíduos, separadas por uma 
alça de 10 a 24 resíduos. 
 
• As hélices são responsáveis pela formação de um dímero e pela ligação ao DNA, 
através de uma região básica (carregada positivamente) adjacente. 
• O laço é provavelmente 
importante por permitir 
liberdade de interação 
independentes entre as 
duas regiões α-hélices . 
 Motivo Dedos de zinco 
• Um dedo de zinco corresponde a uma alça de cerca de 23 aminoácidos que se 
projeta a partir de um sítio de ligação ao Zn2+, formado pelos aminoácidos His e 
Cys; 
 
• A porção C-terminal de cada dedo forma uma α-hélice que se liga a uma volta do 
sulco maior do DNA. 
Receptores de esteróides possuem motivos dedos de zinco 
• O domínio de ligação ao DNA de um receptor de esteróide é um tipo de dedo 
de zinco que possui resíduos de Cys, mas não de His; 
 
• Receptores de glicocorticóides e estrogênio possuem dois dedos de zinco, 
sendo o primeiro aquele que determina a especificidade em relação à seqüência 
de DNA-alvo. 
Motivo Zíper de leucina 
• O zíper de leucina é uma hélice anfipática que sofre dimerização e encontra-se 
adjacente à região básica que se liga ao DNA; 
 
• A dimerização forma o motivo bZIP, no qual as duas regiões básicas se ligam 
simetricamente a repetições invertidas no DNA (seqüências palíndromos). 
Fatores de 
transcrição são 
ativados de 
várias formas 
Padrões complexos de recomposição eucariótica de 
mRNA 
Um gene pode codificar a informação para mais de uma proteína 
(Ex. ± 25.000 genes →  100.000 proteínas no homem) 
• O fenômeno de imprinting genômico foi descoberto há quase 20 anos 
em mamíferos; 
 
• Alguns genes autossômicos têm padrões incomuns de herança (certos 
genes são expressos somente por um alelo, enquanto o outro é metilado 
(inativado)); 
 
• O imprinting genômico é um tipo de herança monoalélica na qual os 
alelos de determinado gene são expressos ou inativados de forma 
diferente, dependendo de qual progenitor foram herdados. 
 
• O genoma feminino e masculino são complementares um ao outro e 
certos genes podem ter sua expressão reduzida em 50%. 
• Imprinting materno: quando a cópia do gene derivada da mãe é 
inativa (só é expresso quando herdado do pai). 
 
• Imprinting paterno: quando a cópia do gene derivada do pai é 
inativa (só é expresso quando herdado da mãe). 
Situação conflitante 
no dia à dia de uma 
bactéria 
Bactérias geralmente existem em ambientes que mudam rapidamente, e 
algumas das enzimas que elas podem precisar em determinado 
momento passam a ser desnecessárias em outro momento. Da mesma 
forma, elas podem de repente precisar de uma enzima cuja presença era 
previamente desnecessária. 
A regulação pode ser positiva ou negativa 
Efetores alostéricos controlam a habilidade das proteínas 
ativadoras ou repressoras em se ligar a seus DNA-alvo 
Modelo Operon 
Jacob e Monod, 1961 
François Jacob e Jacques Monod 
Em procariotos, genes com funções relacionadas (atuam em uma mesma via) 
freqüentemente ocorrem em unidades reguladas coordenadamente, chamadas 
OPERONs. 
OPERON: 
 
Unidade transcricional, de um grupo de genes localizados adjacentemente;Produz mRNA policistrônico; 
Unidade de regulação e expressão gênica; 
Estutura: Promotor, Operador e Genes estruturais. 
Modelo do Operon lac 
O operon lac corresponde a ~ 6000 pb de DNA. À esquerda, o gene lacI possui seu próprio 
promotor e terminador. O final da região lacI é adjacente ao promotor (P). O operador (O) 
situa-se nos primeiros 26 pb da unidade transcricional. O longo gene lacZ começa na base 
39, sendo seguido pelos genes lacY e lacA e por um terminador. 
O operon lac é transcrito apenas na presença de lactose (indutor) 
Repressão catabólica do operon lac: Controle positivo 
Escolher o melhor açúcar para metabolizar 
• O operon lac tem um nível adicional de controle, de modo que sua ativação na 
presença de glicose é mais fraca, mesmo que lactose também esteja presente. 
 
• Um efetor alostérico, cAMP (Adenosina monofosfato cíclica), liga-se ao ativador 
CAP (Proteína ativadora do catabolismo) para permitir a indução do operon lac. 
 
• Entretanto, altas concentrações de catabólitos de glicose produzem baixas 
concentrações de cAMP, deixando de produzir cAMP-CAP e, assim, deixando de 
ativar o operon lac. 
Preferência pela glicose 
Lactose +  operon lac ativo; 
 
Lactose -  operon lac inativo; 
 
Lactose +; Glicose +  baixos níveis de ativação do operon lac; 
 
↑[glicose]  ↓ [cAMP]  operon lac inativo ou ativo em baixos 
níveis na presença de lactose; 
 
↓[glicose]  ↑ [cAMP]  operon lac ativo em altos níveis na 
presença de lactose. 
Resumindo 
Controle positivo e negativo do operon lac pelo repressor Lac e ativador CAP, 
respectivamente: