Expressão Gênica em Procariotos

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BIOLOGIA MOLECULAR
ACH5564-2022
AULA_2- TRANSCRIÇÃO PROCARIOTOS
Prof. Luiz Paulo Andrioli
O que é um gene?
2
EXPRESSÃO GÊNICA
O que é expressão gênica?
FLUXO INFORMAÇÃO
DOGMA CENTRAL DA BIOLOGIA MOLECULAR 
DNA
(GENE) RNA PROTEÍNA
TRANSCRIÇÃO TRADUÇÃO
REPLICAÇÃO
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EXPRESSÃO GÊNICA
GÊNICA
EXPRESSÃO GÊNICA
DIFERENÇAS ENTRE EUCARIOTOS E PROCARIOTOS 
• Nas bactérias a transcrição e tradução ocorrem simultaneamente no citoplasma; 
• Nos eucariotos esses processos ocorrem em regiões distintas, estão 
desacoplados.
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• Os mecanismos envolvidos no fluxo da informação gênica são muito 
conservados entre procariotos eucariotos.
• A transcrição é um processo celular que 
guarda semelhanças com a replicação;
• A polimerização (síntese) de RNA é realizada 
por uma enzima principal, a RNA polimerase;
• A polimerização utiliza uma cadeia de DNA 
como molde;
• Nucleotídeos livres, complementares, são 
incorporados na extremidade 3’ OH do último 
nucleotídeo da cadeia; 
• Diferente da replicação:
- Não necessita de primer
- Uma única cadeia é utilizada como molde na 
transcrição
 
5
TRANSCRIÇÃO
• A transcrição ocorre da extremidade 5’para 3’;
6
TRANSCRIÇÃO
• O início da transcrição ocorre a partir da extremidade 3’ da cadeia molde 
(template);
• Portanto, o RNA transcrito é complementar a cadeia molde (ou cadeia 
transcrita); 
• O RNA transcrito tem a mesma sequência da cadeia não molde (ou cadeia 
codificadora). 
• A RNA polimerase reconhece sequências específicas de DNA na região próxima 
do início da transcrição, denominada região promotora (promotor);
• A região promotora compreende até o primeiro sítio do transcrito (nucleotídeo 
+1);
• Regiões posteriores ao início de transcrição (downstream/ jusante) recebem 
números positivos, enquanto regiões anteriores (upstream/ montante) são 
números negativos. 
upstream downstream 7
TRANSCRIÇÃO
TRANSCRIÇÃO
• Unidade de transcrição: sequência que inclui a região 
promotora mais todo transcrito (até sítio de término). 
8
• A transcrição é um processo conservado entre 
 bactérias e eucariotos
9
• Modelo em bactérias E. coli; 
 
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK562895/
TRANSCRIÇÃO
RNA POLIMERASE 
• Uma única RNA 
polimerase de bactéria 
transcreve todos os tipos 
de genes;
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• O core (núcleo) da enzima é composto por 5 subunidades; 
• A subunidade β e a subunidade β’ são as subunidades catalíticas e as maiores do complexo;
• As sequências das subunidades β (catalíticas) são conservadas entre bactérias, 
arqueobactérias e eucariotos;
• As duas subunidades α têm papel estrutural, reconhecimento do DNA e interação com 
proteínas reguladoras; 
• A subunidade ω (ômega) atua na montagem do complexo e tem papel regulador.
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• A incorporação da subunidade (fator) σ (sigma) gera a holoenzima (enzima funcional);
• O fator σ possibilita a iniciação da transcrição;
• Reconhece e liga na região promotora de forma específica;
• Tb é responsável pela separação das cadeias de DNA para iniciar a transcrição;
• Existem diferentes fatores sigma nas bactérias;
• Que reconhecem sequências de genes diferentes, e são utilizadas em situações fisiológicas 
distintas; 
• A holoenzima lembra uma garra de caranguejo sendo as subunidades β as pinças da garra.
RNA POLIMERASE 
RNA POLIMERASES DE FAGOS
• Mas que realiza todas as funções do core 
da RNA polimerase de bactéria;
• Além disso, possui estrutura geral e 
domínios funcionais homólogos;
• Utiliza diferentes fatores sigma para 
síntese de genes em cascata;
• Com uma velocidade de síntese da ordem 
de 10x maior.
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• RNA polimerase do fago T7 codificada por 
um único gene gera uma proteína de 
cadeia única;
upstream downstream
• O promotor (região promotora) é uma sequência existente em todos os genes;
• O promotor posiciona a RNA polimerase e define o início de transcrição e qual 
fita de DNA será molde; 
• Inicialmente a holoenzima cobre toda a região promotora e mais um pouco da 
região upstream, entre os nucleotídeos -55 +1 (complexo fechado) -55 +20 
(complexo aberto); 
PROMOTOR
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• Para o fator σ70, o fator que transcreve a maior parte dos genes de E coli em situações 
fisiológicas normais;
• São duas as principais regiões de interação do promotor com a holoenzima, 
os blocos -10 e -35.
• Os blocos -10 (TATA box) e -35, regiões conservadas com 6 nucleotídeos cada;
• A distância entre esses dois blocos, de 16 a 18 pb também é muito conservada;
• Mas não a sequência dessa região espaçadora;
• A região do início de transcrição é em 90% dos casos uma purina, frequentemente uma 
adenina, inserida na sequência CAT;
14
PROMOTOR
• No promotor, existe variação de sequências, mas alguns blocos e a distância 
entre eles é conservada entre os genes; 
• A conservação de blocos pode ser observada pela existência de sequências 
consenso.
PROMOTOR
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• Os blocos -10 e -35 são os principais pontos de interação e reconhecidos pelos dos domínios 
de interação mais importantes do fator sigma; 
• Mas outras regiões do promotor tb podem fazer contato com a holoenzima, e outras 
subunidades além do fator sigma podem interagir diretamente com o DNA;
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• A subunidade α tb reconhece 
regiões do promotor;
• Essas regiões estão no 
elemento UP, e podem 
contribuir substancialmente 
para o reconhecimento em 
alguns casos. 
PROMOTOR
FATOR CIS FATOR TRANS
SEQUÊNCIAS 
DNA
PROTEÍNAS
INTERAÇÃO
BIOLOGIA 
MOLECULAR
PRODUTOS GÊNICOS
ALVOS RECONHECIMENTO
GENÉTICA
RNA 
POLIMERASEPROMOTOR
LÓGICA MOLECULAR
FATORES CIS
FATOR TRANS
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• Transcrição pode ser dividida em 3 etapas:
- INICIAÇÃO: reconhecimento e ligação da RNA polimerase na 
região promotora do gene, formação da bolha, início da 
transcrição e escape da região promotora; 
- EXTENSÃO/ ALONGAMENTO: síntese do RNAm até a 
finalização do processo, pode ter pausas/paradas; 
- TERMINAÇÃO: finalização da incorporação de nucleotídeos e 
desmanche do complexo transcricional entre polimerase, DNA 
e RNA. 
 
TRANSCRIÇÃO
• A holoenzima “vasculha” o genoma em busca de regiões promotoras;
• Se associa e desassocia de sequências do DNA até encontrar região promotora 
onde se liga com alta afinidade;
• Existe uma transição do complexo binário formado pela holoenzima do estado 
fechado para o estado aberto (quando é formada a bolha de transcrição).
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INICIAÇÃO
• A bolha inicial é formada pela 
separação das cadeias de DNA 
na região do bloco -10 com 
sequência rica em A/T;
• A RNA polimerase possui 
atividade de helicase diferente 
da DNA polimerase; 
• Em seguida é dado início a 
síntese de pequenas cadeias 
contendo entre 2 a 9 
nucleotídeos em ciclos que se 
sucedem;
20
INICIAÇÃO
21
INICIAÇÃO
• A cada ciclo a pequena cadeia é 
liberada e a RNA polimerase 
assentada no promotor retoma a 
síntese a partir da posição +1;
• As reinicializações compreendem o 
ciclo abortivo; 
• Em determinado momento a cadeia 
contendo agora de 10 a 15 
nucleotídeos rompe esse ciclo e 
inicia a fase de alongamento 
(escape da região promotora). 
• O escape é possivelmente conferido pelo desbloqueio do canal de saída;
• O canal de saída é por onde o RNA emergente sai do complexo;
• Mas durante o ciclo abortivo está obstruído pelo domínio σ 3.2;
• Eventualmente o canal de saída é liberado e o RNA emergente pode sair e o RNA ser 
estendido;
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INICIAÇÃO
• O escape é acompanhado 
pela liberação do fator σ;
EXTENSÃO
• Após o escape, a RNA polimerase altera sua conformação e não retorna mais 
para a região promotora; 
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• A região de DNA 
desemparelhada (que forma a 
bolha) tem 17 pb sendo de 8 a 
9 pb formando uma molécula 
híbrida; 
• A região coberta pela RNA 
polimerase durante a 
transcrição incorpora entre 30 
-35 pb de base.
• Velocidade de síntese é de 30 
a 100 nucleotídeos por 
segundo; 
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• A bolha desliza no DNA na direção 5’ para 3’ enquanto o transcrito nascente 
aumenta e vai sendo exposto para fora da bolha; 
• A frente da bolha o DNA é desenrolado(fitas são separadas) e logo após a bolha, 
o DNA torna a ser enrolado (as pontes de hidrogênio são refeitas);
• A movimentação da bolha gera estresse na hélice do DNA, ao desenrolar o DNA 
e ao restaurar a dupla fita, respectivamente aliviado por girases e 
topoisomerases.
EXTENSÃO
• Eventualmente podem ocorrer situações de parada/ pausa da transcrição, por 
exemplo, por causa de DNA danificado;
• Para a retomada da transcrição a RNA polimerase volta para trás e remove os 
últimos nucleotídeos (atividade estimulada por proteínas acessórias);
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• Eventos de parada causam 
desalinhamento do término 3’ do 
RNA nascente do sítio catalítico 
para o canal secundário;
• O canal secundário é a passagem 
de entrada dos ribonucleotídeos;
• E a clivagem dos últimos 
nucleotídeos da cadeia é a forma 
de reposicionar a cadeia no sítio 
ativo para retomada da síntese. 
EXTENSÃO
• A terminação da transcrição pode ocorrer antes do final do 
gene devido a uma pausa/parada acidental ou como parte 
de um mecanismo particular de regulação de alguns genes; 
• No entanto, espera-se que a transcrição seja terminada no 
final do gene;
• Em qualquer das situações, a terminação depende da 
parada de adição de nucleotídeos, liberação da cadeia de 
RNA e da dissociação da polimerase do DNA;
• Embora precisar o sinal de término da transcrição seja difícil 
em alguns casos;
• Dois mecanismos intrínsecos são bem conhecidos em E coli.
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EXTENSÃO
TERMINAÇÃO
• Independente de rho:
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• É causada por um sinal bipartido; 
• Uma sequência palindrômica gera um grampo 
no RNAm;
• O grampo tem repetições GC na base da haste e 
7 resíduos de U imediatamente após o grampo; 
• As interações A-U são instáveis, tendem a 
desacoplar o híbrido o que por si só contribui 
para o término da transcrição;
• Além disso desaceleram a polimerase e 
possibilitam a formação do grampo;
• O grampo deve invadir o canal de saída e gerar 
um desalinhamento do 3’ do RNA nascente. 
• Proteína (Fator) Rho (ρ) reconhece a sequência rut no 
RNA nascente exposto;
• E segue pelo RNA até encontrar a RNA polimerase;
• A proteína Rho é uma helicase, desestabiliza a RNA 
polimerase e desfaz o complexo terciário; 
• A RNA polimerase encontra sequências que a fazem 
desacelerar ou parar, permitindo a proteína Rho 
alcançar o complexo;
• Por outro lado, sítios de terminação dependentes de 
Rho podem ser regulados pela tradução simultânea 
que mascara e impede a terminação da transcrição.
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• Dependente de rho:
TERMINAÇÃO
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• Constituem 80 a 90% do total de transcritos 
da célula;
• Formam estruturas secundárias e terciárias 
nas moléculas;
• Capacitam suas funções e proporcionam 
estabilidade;
• RNAs são modificados e processados.
RNAS RIBOSSOMAIS e RNAS TRANSPORTADORES
RNAS
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• Não são processados;
• Não formam estruturas secundárias 
estáveis; 
• Vida média de RNAm bacteriano é 
de 1 a 3 min; 
RNAS MENSAGEIROS
RNAS
• Diferentes RNases existem nas bactérias;
• Podem ser agrupadas em endonucleases e exonucleases;
• As exonucleases podem atuar a partir da extremidade 5’;
• Ou, a partir da extremidade 3’. 
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• ENVOLVE A FORMAÇÃO OU QUEBRA DE LIGAÇÕES 
COVALENTES NA CADEIA DURANTE OU APÓS A 
TRANSCRIÇÃO
MODIFICAÇÃO
• ENVOLVE A ALTERAÇÃO QUÍMICA DE BASES OU 
AÇÚCARES DA MOLÉCULA
PROCESSAMENTO
X
RNAS
•Os RNAs são passíveis de alterações:
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PROCESSAMENTO e MODIFICAÇÃO RNAS
• RNAts provavelmente são os RNAs mais extensivamente processados 
e modificados. MODIFICAÇÃO
PROCESSAMENTO
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GENES RNA RIBOSSOMAL e TRANSPORTADOR
• Os genes responsáveis pelos diferentes RNAs ribossomais estão agrupados 
(formam um cluster);
• Em geral são encontrados vários clusters de RNA ribossomal no genoma;
• Em E coli existem 7 clusters dispersos no genoma; 
• Genes de RNA transportador podem estar no cluster de RNArs;
• Mas tb podem ser encontrados: 
• Como genes isolados, formando clusters com diferentes genes RNAts, ou 
em clusters com outros genes do aparato de tradução.
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TRANSCRIÇÃO 
RNA RIBOSSOMAL e TRANSPORTADOR
• O cluster dos genes RNA ribossomais é um operon;
• Operon: forma de organização de expressão típica de bactérias;
• Unidade operacional onde genes contíguos são transcritos 
simultaneamente gerando um transcrito único (uma única unidade de 
transcrição). 
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TRANSCRIÇÃO 
RNA RIBOSSOMAL e TRANSPORTADOR
• Os genes são transcritos a partir de um promotor a frente do primeiro 
gene do cluster;
• E a transcrição termina com um sinal de término de transcrição 
localizado após o último gene do cluster;
• Gerando uma única molécula de RNA que possui os transcritos de 
cada gene covalentemente ligados entre si.
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TRANSCRIÇÃO 
RNA RIBOSSOMAL e TRANSPORTADOR
• Os transcritos são separados por processamento;
• Pela atuação de RNAases que removem regiões espaçadoras entre eles;
• Além das regiões mais externas das extremidades 5’ e 3’.
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