Regulação da expressão gênica

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Regulaçã� d� �pressã� Gênic�
Controle das etapas da expressão gênica, essas
etapas que vão desde as alterações na estrutura da
cromatina. Começando pela síntese do DNA, pelo
processamento, síntese de proteínas, até a ativação
da proteína.
✓ Controle das etapas da etapas da expressão
gênica:
Expressão espacial – histoespecífica: Determina
o tipo celular; (Porque tecidos diferentes,
produzem células diferentes, regulando a
expressão dos seus genes e com isso ativando
determinadas proteínas em algumas células, como
também inativando outras em outro tipo de
células. Por exemplo: Neurônios produzem
neuropeptídeos, Linfócitos produzem anticorpos,
células pancreáticas produzem insulina, as
hemáceas serãos responsáveis por transportar
gases no sangue - Portanto, é um tipo de
expressão que nomeamos de permanente, as
proteínas que determinada células estão
expressando é que vai determinar o tipo de função
daquela célula).
- Durante o desenvolvimento
embrionário: ocorre após a célula se
diferenciar.
Expressão temporal: Depende do momento
fisiológico; (Regulação que é momentânea, que
vai depender do momento fisiológico do
organismo, ou seja, durante um determinado
momento é necessário regular a quantidade
daquele produto na célula ou adaptar a produção
daquele produto/proteína. Por exemplo: Quando
somos infectados por algum patógeno, as nossas
células de defesa sofrem regulação na expressão
de seus genes para produzir respostas ao contato
com o agente patogênico, como, quando estamos
fazendo um exercício físico e precisamos
aumentar a síntese de proteínas contráteis que
fortaleça o músculo e quando o estímulo é
cessado as proteínas deixam de ser estimuladas).
- Durante o desenvolvimento
embrionário: ocorre até o momento em
que a célula se diferencia. (formando a
célula e determinar o destino celular -
qual célula será um neurônio, hemácia,
muscular…
*Quando a célula se torna realmente diferenciada,
na expressão gênica ela passa a ser
espacial/histoespecífica, porque a célula já sabe
quais as proteínas que ela vai expressar e quais as
proteínas que vão determinar a sua função.
● Etapas:
O gene pode ser ativado ou inativado, e como a
expressão gênica pode ser regulada?
- Existem vários mecanismos que regulam a
expressão gênica e atuam em várias etapas.
- O primeiro ponto de controle é a alteração na
estrutura da cromatina, ela precisa estar
descondensada (precisa estar na forma de
eucromatina, para que a leitura do gene possa
ocorrer, para que as proteínas da transcrição
possam acessar esse gene. Se estiver condensada
na forma de heterocromatina, a leitura do gene
não será possível e isso vai inibir a expressão
daquele gene).
- Outro ponto de controle ocorre na transcrição,
que é o controle transcricional, em que esse ponto
vai decidir se o RNA vai ser produzido a partir da
molécula de DNA, vai decidir se esse gene vai ser
transcrito ou não.
- Outro ponto de controle é no processamento do
RNA, o RNA pode ser processado de várias
formas gerando diferentes RNA’s mensageiros
que vão codificar diferentes proteínas.
- Há o controle do transporte e da localização, que
dependendo do RNA, este RNA pode permanecer
no núcleo ou ele pode ser exportado para o
citosol.
- Temos o controle da degradação do RNA
mensageiro. Então a célula sintetiza RNA,
transportou para o citoplasma, mas decidiu que
esse RNA não vai ser traduzido em proteína,
então esse RNA irá sofrer degradação.
- Temos o controle na tradução, que podemos
controlar a síntese da proteína no nível traducional
e temos o nível de controle pós-traducional, ou
seja, após a síntese da proteína. Portanto, não é
porque a proteína foi produzida que ela ficará
necessariamente ativa, existe esse último nível
que vai determinar se aquela proteína vai ficar
ativa ou inativa na célula.
➔ Alteraçã� d� estrutur� d� cromatin�:
✓ Cromatina compactada → inibe a expressão
gênica (heterocromatina);
✓ Cromatina descompactada → estimula a
expressão gênica (eurocromatina);
✓ Principais mecanismos que alteram a
estrutura da cromatina:
- Remodelagem da cromatina;
- Modificação de histonas;
- Metilação do DNA;
- Remodelagem da cromatina:
- O processo de remodelagem da cromatina é o
reposicionamento dos nucleossomos. Essa
remodelagem ocorre pela ação dos complexos de
remodelagem da cromatina. Esse complexo se liga
ao DNA e reposiciona os nucleossomos utilizando
ATP e esse reposicionamento dos nucleossomos
expõe as regiões promotoras do DNA. E aí esses
fatores de transcrição e a RNA polimerase, podem
se ligar ao promotor e iniciar o processo de
transcrição.
- Modificação de histonas:
✓ Fosforilação e acetilação: ativam a expressão
gênica; (promovem a descompactação da
cromatina)
✓Metilação: inibe a expressão gênica; (promove
a compactação da cromatina, porque atrai
proteínas envolvidas na compactação da
cromatina, portanto geralmente inibindo a
expressão gênica - Porque em alguns casos
dependendo do resíduo de aminoácido metilado, a
metilação em histonas pode estimular a expressão
gênica - mas na maioria dos casos, essa metilação
vai inibir a expressão).
-
- As enzimas acetilases, vão adicionar os grupos
acetil as histonas, promovendo a descompactação
da cromatina e a cromatina ficará ativa. A presença
dos grupos acetil enfraquece a interação das
histonas com o DNA, porque deixam as histonas
com a carga mais negativa e como o DNA também
tem a carga mais negativa a acetilação acaba
enfraquecendo essa interação do DNA com as
histonas, meio que se repelem. A fosforilação
também tem esse efeito, também deixa as histonas
com a carga mais negativa.
- E as desacetilases elas vão retirar os grupos
acetil, promovendo a compactação da cromatina e a
cromatina fica inativa, a remoção desses grupos
acetil aumenta a interação entre as histonas e o
DNA, porque as histonas ficam mais positivas.
- Metilação do DNA:
✓ Comum em citosinas adjacentes a guaninas
(ilhas CpG)
✓ DNA metilado: inibe a transcrição;
✓ DNA não metilado: estimula a transcrição;
- Os grupos metil além de poderem ser
adicionados às histonas, eles também podem ser
adicionados ao DNA. A metilação do DNA é mais
comum nas bases citosinas, que ficam adjacentes
aos nucleotídeos de guanina. As regiões do DNA
com muitas sequências de citosina e guanina são
chamadas de ilha CPG e são comumente
encontradas próximas ao sítio de transcrição.
- A adição de grupos metil ao DNA, que é uma
reação catalisada por um DNA metiltransferases
adicionando um grupo metil no DNA. E a adição
desses grupos metil deixa a cromatina mais
compactada, inibindo a transcrição. A metilação
acaba atraindo proteínas desacetilases que vão
remover os grupos acetil das histonas e a remoção
dos grupos acetil torna a cromatina mais
compactada.
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- Já a desmetilação do DNA possibilita que as
acetiltransferases adicionem grupos acetil,
desestabilizando assim a interação do DNA com a
histonas, descompactando a cromatina
promovendo a transcrição. Então o gene vai ser
expresso, vai poder ser transcrito quando ele
estiver acetilado e não metilado.
● Característica Importante da estrutura
da cromatina:
✓ Herança epigenética: herança dos estados da
cromatina que passam de uma geração celular
para a outra; (Os padrões de metilação e
acetilação podem passar em uma célula para outra
de indivíduo para indivíduo)
✓ Fatores epigenéticos: fatores não genéticos
(não são a sequência do DNA) que podem ser
transmitidos para a progênie celular após a divisão
celular, mas que não são atribuíveis diretamente
às sequências de DNA; (são fatores que afetam a
estrutura do DNA)
- A herança da metilação do DNA é mais bem
compreendida de que as heranças das
modificações das histonas, a metilação do DNA é
mais estável do que as modificações das histonas
e aí geralmente a metilação do DNA está
associado a regiões do genoma que são mantidas
em um estado inativo durante todo o período de
vida de um organismo).
✓ Exemplos da atuação de mecanismos
epigenéticos:
- Inativação do cromossomo X
- Imprinting parental
● Mecanismos Epigenéticos:
✓ Inativação do cromossomoX;
Sexo Feminino: XX
Sexo Masculino: XY
- Para que a quantidade dos produtos gênicos
expressos pelos genes do cromossomo X sejam
equivalentes em homens e mulheres, um
cromossomo X fica inativado nas mulheres. Esse
cromossomo fica altamente condensado em um
tipo de heterocromatina, ficando inativo. O
cromossomo X apresenta um locus que é chamado
de Centro de inativação do X “XIC”. Então nesse
locus existe um gene que produz um RNA não
codificador denominado chiste, o cromossomo
que expressa XIST, ele se torna inativo - porque
isso vai levar a formação da heterocromatina.
- Esse RNA não codificador que é codificado pelo
gene XIST, ele recruta proteínas modificadoras da
cromatina para o cromossomo X e essas proteínas
vão promover a metilação ao longo de todo o
cromossomo, promovendo a inativação desses
cromossomos. E esse padrão de metilação é
passado para as células filhas.
- No cromossomo X que fica ativo, o gene XIST é
transcricionalmente silencioso, ou seja, ele não é
transcrito, não tem a produção de RNA nesse
gene, consequentemente, esse gene não vai ser
expresso e aí os outros genes expresso no
cromossomo x vão poder ser expresso.
✓ Imprinting parental:
- Introdução de “marcas epigenéticas” (a
metilação por exemplo) em locais específicos do
genoma de células germinativas/gametas de um
dos progenitores (ou vai está no pai ou na mãe);
- Expressão monoalélica do gene; (Porque
quandos os gametas se unem na fecundação, um
dos alelos desse gene não vai se expressar, porque
ele vai estar metilado, aí a expressão vai ser
monoalélica, ou seja, apenas um alelo vai ser
expresso);
- O padrão de metilação se mantém em todas as
gerações;
- O Imprint ele ocorre durante a gametogênese,
durante a formação dos gametas, antes da
fertilização (união desses gametas). Ele vai
marcar determinados genes como sendo origem
materna ou paterna, se o gene materno está
metilado, ele não vai se expressar, então aquele
gene vai ser de origem paterna e vice-versa. A
expressão desse gene vai depender se ele vai ser
herdado da mãe ou do pai, quando a cópia
herdada do pai é ativa, a herdada da mãe vai ser
silenciosa e vice-versa.
- Após a fecundação o zigoto formado e o
indivíduo formado a partir desse zigoto vai manter
esse imprint/marca no padrão de metilação em
todas gerações.
➔ Control� Transcriciona�:
✓ Ocorre na etapa da transcrição - do DNA para
o RNA;
✓ Maior nível de controle da expressão gênica;
(principal nível, porque o controle transcricional
pode garantir que nenhum componente não
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essencial, seja sintetizado. A célula evita gastar
energia desnecessária).
✓ Sequências regulatórias: acentuadoras
(enhancer) ou repressoras (silenciadoras); (são
utilizadas para ativar ou inativar o gene, essa
sequências são reconhecidas por proteínas
regulatórias, chamadas de:)
✓ Reguladores transcricionais: proteínas
ativadoras ou repressoras;
- Reguladores transcricionais se ligam às
sequências regulatórias;
✓ Região de controle gênico: sequências
regulatórias + promotor;
✓ Proteínas ativadoras se ligam à sequências
acentuadoras e aos fatores de transcrição,
estimulando a transcrição; (que estão na região
promotora do gene, formando uma espécie de alça
e essa interação vai estimular/potencializar a
transcrição, inclusive, conseguimos observar em
microscópios eletrônicos a formação dessa alça)
- Ajudam na associação da RNA pol e
fatores de transcrição;
- Atraem proteínas que modulam a estrutura da
cromatina; (descondensando as proteínas e
permitindo que os fatores da transcrição e o RNA
polimerase, tenham acesso ao promotor - Então
elas atraem proteínas que modificam histonas,
atraem complexo de remodelamento da cromatina
etc, que vão atuar nessa descompactação da
cromatina). Frequentemente também há
participação de proteínas adicionais que servem
justamente para interligar os reguladores
transcricionais ao promotor, essas proteínas
adicionais formam um grande complexo que
conhecemos como Mediator, então para que a
transcrição de um gene ocorra de maneira
eficiente, além da ligação de RNA polimerase e
dos fatores de transcrição ao promotor, é
necessário a atuação dessas proteínas ativadoras)
✓ Mediador: interligar reguladores
transcricionais distantes do promotor.
✓ Proteínas repressoras: inibem a transcrição
de várias formas;
- Essas proteínas podem inibir a transcrição de
várias maneiras, podendo competir com as
proteínas ativadoras pela ligação, às mesmas
sequências reguladoras de DNA, impedindo assim
a ligação da proteína ativadora.
- No lado D, as proteínas repressoras não
competem pelo sítio de ligação. Cada proteína
reguladora vai se ligar à sua sequência, mas as
proteínas repressoras impedem a atuação das
proteínas ativadoras. Essas proteínas repressoras
também podem interagir com fatores da
transcrição, bloqueando a montagem dos fatores
de transcrição na região promotora do gene.
Como também podem alterar as proteínas
repressoras podem alterar a estrutura da
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cromatina, recrutando um complexo de
remodelagem da cromatina para o promotor,
promovendo a compactação da cromatina, podem
também atrair as histonas desacetilases para o
promotor, atrair histonas metiltransferases que vão
adicionar grupos metil nas histonas etc.
✓ A regulação da expressão gênica usando
splicing alternativo pode: Que irá remover os
introns;
- Alterar a produção de uma proteína não
funcional para a produção de uma
proteína funcional (ou vice-versa);
- Gerar diferentes versões de uma proteína
em diferentes tipos celulares, de acordo
com as necessidades da célula;
- Exemplo de um splicing alternativo, gerando
proteínas diferentes a partir de um mesmo
DNA mensageiro. No caso temos um RNA
mensageiro que na tireóide esse RNA mensageiro
vai sofrer um processamento/splicing que vai
gerar um péptido de calcitonina que está
envolvido no controle da quantidade de cálcio no
sangue.
- No hipotálamo, esse mesmo RNA mensageiro
sofre outro processamento, um outro splicing
alternativo que vai gerar o peptídeo vasodilatador
que é relacionado ao gene da calcitonina.
➔ Control� d� degradaçã� d� RNA:
- Outra forma de regular a expressão gênica é
degradando os RNAs mensageiros maduros.
- O RNA foi produzido, mas a célula não precisa
que ele seja traduzido naquele momento. O RNA
mensageiro pode ser degradado através dos RNAs
de interferência que vão se ligar ao RNA
mensageiro alvo e vão direcionar esse RNA
mensageiro para a degradação, por isso nomeia-se
como silenciamento da expressão gênica.
❖ RNAs de interferência (RNAi);
- miRNA, siRNA (micro RNA)
❖ Silenciamento da expressão gênica;
- O RNA por meio de complementaridade de
bases entre as suas próprias regiões, ele forma
estruturas de dupla fita. Essa dupla fita é clivada
por uma enzima chamada de Dicer, clivando a
molécula maior para um menor. Esse RNA vai se
associar com o complexo chamado de complexo
de RISC (Complexo induzido por RNA). E o
RNA em vermelho ele vai ser clivado gerando um
RNA simples fita.
- Esse RNA simples fita, que é o RNA de
interferência associado ao complexo RISC. Vão
buscar pelo RNA mensageiro alfa através de
complementaridade de bases. Cada RNA de
interferência vai com RNA mensageiro
específico. Quando o RNA de interferência se liga
ao RNA mensageiro alvo, esse RNA é
direcionado para a degradação, tendo uma
redução de quantidade de determinado RNA
mensageiro na célula.
❖ RNAs de interferência (RNAi) no
tratamento de doenças:
- Esse mecanismo de interferência do RNA ele já
vem sendo aplicado no desenvolvimento de
terapias para controlar diversas doenças. Porque
várias doenças resultam da expressão alterada do
gene, então, se eu consigo silenciar esse gene, eu
posso controlar essa doença.
Por exemplo: Nos casos de câncer, se o gene
mutado responsável pelo desenvolvimento
daquele câncer é silenciado, o câncer poderá ser
controlado. E no caso de uma doença respiratória
causada por vírus, se conseguimos silenciar o
genes do vírus envolvidos na replicação deste
vírus, podemos controlar essa doença. -
Tecnologia que estásendo estudada, com
resultados e expectativas promissoras.
➔ Control� traduciona�:
✓ Repressores traducionais → se ligam à
extremidade 5’; (bloqueando a ligação da
subunidade menor do ribossomo e assim inibindo
a tradução)
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✓ miRNAs → inibem a tradução;
✓ Fosforilação de eIF2; ( F2- Fator do início de
tradução/ e a Fosforilação deste fator ocorre em
resposta a situações como a falta de nutrientes,
infecções virais...)
- O eIF2 forma um complexo com o GTP e a
formação desse complexo é crucial para iniciar a
síntese da proteína, porque esse complexo vai mediar
a ligação do RNA transportador iniciador a
subunidade ribossômica menor. |Logo, ocorre a busca
pelo AUG, que é o códon de iniciação da tradução.
- Quando o AUG é reconhecido, o GTP ligado ao
eIF2 ele é hidrolisado ao GDP e aí o eIF2 fica
inativo. Então para que a tradução inicie, eIF2 precisa
estar ligado a GTP (forma ativa), e eIF2 ligado ao
GDP ficará na forma inativa.
- Sendo que quando eIF2 está ligado ao GDP, ele não
quer se desligar dele, portanto uma OUTRA
molécula chamada eIF2B entra em ação e ela induz a
troca de GDP por GTP no eIF2.
- Sendo que quando o eIF2 sofre uma fosforilação,
ele vai se ligar fortemente ao eIF2B e inativando o
eIF2B, ou seja, ele não irá promover a troca de GDP
por GTP em eIF2.
✓ Controle pós-traducional:
- Ativa ou inativa a proteína;
- Depois que a proteína é sintetizada não
significa que ela irá desempenhar sua
função, existe outro nível de controle que
determina se a proteína após ser
sintetizada, ela vai ficar ativa ou não. Esse
mecanismo é bastante importante quando
o organismo precisa de uma resposta
rápida, em que ele não pode esperar todo
o processamento da proteína para depois
ficar ativa. Precisando que a proteína
fique pronta esperando somente ser
ativada, como os fatores de coagulação,
que já estão prontos e que só precisam ser
ativados para exercer a sua função (se não
fosse isso, poderia ocasionar várias
hemorragias graves).
*Foi observada uma menor quantidade de RNA
de oncogenes depois que células tumorais foram
tratadas com uma droga testada para avaliar seu
potencial anti tumorigênico Qual o nível de
regulação?
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