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Tópico 02 Biologia Molecular e Biotecnologia Regulação da expressão dos genes em organismos procariotos 1. Introdução Os procariotos estão presentes em diversos ambientes sujeitos a diferentes estímulos, como variações de luminosidade, oxigênio, presença ou ausência de carboidratos. Esses sinais, estímulos, são transmitidos à célula que responde por meio da regulação da expressão de seus genes. Os genes estão organizados dentro da célula em um cromossomo único. A Escherichia coli, por exemplo, possui 4400 genes nesse cromossomo. Para responder a um estímulo, a célula tem que selecionar quais genes serão transcritos para gerar uma proteína. Esse é o princípio básico da regulação gênica, genes específicos serão ativados para responder à estímulos em uma determinada situação. A seguir, vamos compreender como esse processo acontece, da síntese do RNA mensageiro à transformação dessa mensagem em proteína. 2. Transcrição em procariotos As células em procariotos não possuem compartimentação, isto é, seus componentes não estão separados por membranas por isso, os processos de transcrição e tradução acontecem simultaneamente. Para dar início à transcrição de um gene, e gerar o RNA mensageiro (mRNA), a enzima RNA polimerase precisa se ligar a um segmento de DNA denominado de promotor. Fazem parte do promotor sequências de nucleotídeos que são necessárias para reconhecimento da RNA polimerase. Nos procariotos existem sequências específicas no DNA que marcam o lugar exato onde a transcrição deve começar. Essas sequências são ditas consenso porque são encontradas em uma grande variedade de procariotos. O local onde o primeiro nucleotídeo será transcrito em mRNA é o ponto +1 no DNA, conhecido como sítio de iniciação. As sequências consenso dos promotores estão a 10 pares de bases antes do primeiro nucleotídeo a ser transcrito, por isso, –10 com sequência TATAAT, também conhecida como caixa de Pribnow ou TATA BOX. A outra sequência de reconhecimento para a RNA polimerase se localiza a –35 do primeiro nucleotídeo a ser transcrito, sequência TTGACG. Veja como os elementos do promotor estão dispostos na imagem abaixo: Promotor procarioto. Os procariotos possuem, em sua maioria, um único tipo de RNA polimerase. A fita de DNA que será transcrita será determinada pela identificação da sequência de promotores pela RNA polimerase. O reconhecimento do promotor pela RNA polimerase também é ajudado por uma outra proteína, o fator de transcrição sigma. O fator sigma se encaixa na RNA polimerase para iniciar a transcrição. Assim que a transcrição se inicia, o fator sigma se dissocia da RNA polimerase (LODISH et al., 2014). Para que a transcrição ocorra é necessário que a fita de DNA se abra, para isso ela é desnaturada com ruptura das pontes de hidrogênio, se abrindo, permitindo que a RNA polimerase a copie. Lembre-se de que somente uma fita do DNA será transcrita. O gene está orientado de 5´ para 3´ (fita codificadora do DNA). A fita complementar possui orientação oposta, ou seja, 3´ para 5´. A fita complementar será utilizada como molde para síntese de mRNA (5´para 3`). A RNA polimerase sintetiza cadeias de RNA mensageiro complementar ao DNA no sentido 5’ para 3’, adicionando ribonucleotídeos na extremidade 3’ OH da fita em alongamento. Nesse caso, a RNA polimerase não precisa de primer para começar a síntese como a DNA polimerase. As cadeias de RNA sintetizadas começam com A ou G, estando carregadas de três grupos fosfatos. Assim, o grupo 5’-trifosfato não é clivado para liberar PPi, permanecendo intacto durante toda a transcrição servindo como marcação da ponta 5’. Durante o processo de transcrição o DNA estará pareado ao RNA que está sendo formado, formando a bolha de transcrição. Após começar a transcrição o mRNA será alongado. O alongamento do mRNA é interrompido quando, ou finaliza quando os sinais de término são encontrados, dissociando a RNA polimerase. A RNA polimerase catalisa as ligações de fosfodiester entre os ribonucleotídeos para gerar a cadeia de mRNA a partir de Trancrição do DNATrancrição do DNA https://www.youtube.com/watch?v=fynGKohVYHw nucleotídeos livres, ATP, GTP, CTP, UTP. Uma vez que a RNA polimerase se ligou ao promotor, a transcrição pode começar. Veja abaixo a imagem para entender melhor como a transcrição ocorre: Transcrição do DNA em mRNA. Os genes das bactérias são encontrados em operons. Vamos entender quais elementos compõe um operon. OPERONS O gene está organizado em uma unidade gênica chamada operon. O operon é formado por regiões que vão codificar proteínas e por regiões que não vão codificar proteínas, mas que servirão para regulação da transcrição desse operon. Entre as regiões que servirão para ligação de proteínas está o promotor onde a RNA polimerase realiza a transcrição. No operon também existem as regiões que vão servir para ligação de proteínas reguladoras da transcrição. Essas proteínas reguladoras são conhecidas como operadoras e se ligam ao operador. As operadoras irão ativar ou reprimir a transcrição dos genes do operon (JOHNSON et al., 2017). Veja na imagem de referência abaixo como um operon bacteriano se parece: Operon bacteriano. Os operons bacterianos codificam para mais de uma proteína ao mesmo tempo. O conceito de cistron diz que ele é um segmento de DNA que codifica para uma cadeia polipeptídica que contém os sinais de iniciação e término da proteína. Os operons serão transcritos em RNA mensageiros (mRNA), são ditos policistrônicos nos procariotos porque eles codificam para mais de um cistron ao mesmo tempo, ou seja, para várias proteínas de uma só vez (LODISH et al., 2014). Vamos estudar a regulação da transcrição a seguir. 3. Mecanismos reguladores da transcrição A regulação dos genes permite garantir que determinados genes sejam transcritos para responder a um estímulo durante um determinado tempo (LODISH et al., 2014). A interação dessas proteínas com o DNA ocorre envolvendo sequências específicas de DNA. A proteína vai interagir com as cadeias laterais de seus aminoácidos com bases de DNA, assim como os grupos fosfatos e açúcares do DNA vão interagir com os aminoácidos das proteínas. Quando a proteína se combina com um sítio específico do DNA, ela promove consequências dessas ligações. Se essa proteína for a RNA polimerase, sua ligação ao DNA irá promover a transcrição do DNA em uma molécula de RNA mensageiro, mRNA. Já no caso dos mecanismos de regulação da transcrição, essa ligação irá levar ao bloqueio da transcrição (controle negativo), ou ativação da transcrição (controle positivo) desse operon. Transcrição é o primeiro passo do fluxo da informação genética DNA-mRNA. Quanto mais parecida (conservada) as sequências do promotor estiverem com as sequências dos elementos -10 (TATAAT) e -35 (TTGACG), mais facilmente a RNA polimerase poderá reconhecer seu sítio de ligação. Esse promotor é considerado forte, quanto maior for a similaridade dessas sequências aos elementos -10 e -35. Com isso, esse gene terá mais chance de ser transcrito do que aqueles que possuem promotor fraco, ou seja, com sequências dos elementos de reconhecimento para a RNA polimerase não tão conservadas. O gene também pode ter sua frequência de tradução aumentada. Para que a tradução aconteça, é necessário que o ribossomo se ligue, através da sua subunidade menor, 16S ao mRNA. O ribossomo possui duas subunidades, uma maior, a subunidade 50S e uma menor, 16S. A subunidade menor 16S se liga por complementação a uma sequência específica, localizada próxima ao códon AUG de iniciação. Essa sequência é conhecida como sequência Shine-Dalgarno (AGGAGG). Quanto mais conservada essa sequência for, mais facilmente ocorrerá a associação do ribossomo, aumentando a frequência de tradução desse gene. Veja na imagem abaixo um esquema do mRNA e da sequência Shine-Dalgarno, onde o RNA ribossomal se pareia para iniciar a tradução: Pareamento do ribossomocom mRNA. Vimos como a transcrição pode ser aumentada devido à similaridade de sequência do promotor. No entanto, existem vários tipos de mecanismos de regulação da transcrição em procariotos. Esses mecanismos controlam a síntese de enzimas do operon . O controle da transcrição pode ser estimulado ou reprimido pela presença ou ausência de determinadas moléculas no meio em que este organismo está crescendo (LODISH et al., 2014, ZAHA et al., 2014). Essas moléculas vão interagir com proteínas especificas, as operadoras do operon para controlar sua transcrição. Vamos ver como isso funciona. 4. Controle negativo da transcrição por repressão A transcrição é regulada definindo quais genes serão transcritos, e quais as quantidades desses produtos gênicos serão expressas. Normalmente, a transcrição de um determinado gene precisa de energia. Então, é importante que a energia gasta seja feita de forma eficiente. Isso ocorre através da regulação da transcrição. Uma forma de se controlar o gasto desnecessário dessa energia seria impedir a síntese de um produto quando ele já está presente no meio onde as bactérias estão crescendo, por exemplo. Esse mecanismo é conhecido como repressão (controle negativo) e pode ser visto em enzimas envolvidas na síntese de amino ácidos, e das bases nitrogenadas purinas e pirimidinas. Em muitos casos o produto final da via biossintética também pode reprimir a síntese dessa via enzimática (feedback). O elemento que vai controlar essa síntese de mRNA é chamado de repressor e é uma proteína que se liga ao DNA no sítio do operador, impedindo que a RNA polimerase inicie a transcrição. Vamos ver um exemplo de como esse controle funciona estudando o operon triptofano. O operon triptofano possui os 5 genes que codificam para enzimas envolvidas na síntese desse aminoácido dispostos em sequência, uma na frente da outra, codificando os genes trpE, trpD, trpC, trpB, trpA. Esses genes são transcritos a partir de um promotor comum em um único mRNA, portanto policistrônico, isto é,que será traduzido para produzir as cinco enzimas de uma vez (JOHNSON et al., 2017). Nesse operon, podemos ver também o promotor (sítio de ligação da RNA polimerase) e um operador (sítio de ligação de uma proteína repressora, reguladora). Vamos entender melhor como a regulação destes genes acontece. Analise a figura a seguir, para compreender mais facilmente. Operon para síntese do triptofano. Quando o triptofano está presente, ele atua como o co-repressor porque ele se liga à proteína repressora, que por sua vez muda sutilmente de conformação e se liga ao site do operador do DNA, impedindo que a RNA polimerase se ligue ao promotor. Assim, os cinco genes para a via do triptofano não serão transcritos, desligando (inativando) a transcrição desses genes. Entendendo mais facilmente, quando ligado ao triptofano, o repressor trp bloqueia a expressão do operon. Quando há pouco triptofano na célula, o repressor trp fica inativo (porque não há triptofano disponível para se ligar e ativá- lo). Então, não ocorre a ligação do repressor com o DNA, nem o bloqueio da transcrição, permitindo que o operon trp seja transcrito pela RNA polimerase (operon ligado, ativado), transcrevendo as enzimas para catalisação da produção do triptofano. Além disso, o operon possui uma sequência líder (leader), que está envolvida na regulação. Se a célula tem suficiente triptofano, o pepetídeo líder será sintetizado. Como isso pode acontecer? Lembre-se: transcrição e tradução ocorre simultaneamente nos procariotos. Enquanto a transcrição continua, os primeiros genes transcritos já estão sendo traduzidos (LODISH et al., 2014, JOHNSON et al., 2017). Esse tipo de regulação só acontece quando os níveis de triptofano estão altos, e é conhecida como atenuação da transcrição. Em vez de bloquear a iniciação da transcrição, a atenuação impede o término da transcrição. Acontece que a Óperon Trp - UFPAÓperon Trp - UFPA https://www.youtube.com/watch?v=J65z1bKf88o cadeia nascente de mRNA adota uma estrutura que a induz a interagir com a RNA-polimerase de maneira a abortar a transcrição, impedindo que a transcrição prossiga. Apenas um curto mRNA é transcrito, um que não codifica todas as enzimas da biossíntese do triptofano. Nesse caso, o recém-formado mRNA se dobra formando uma dupla fita, espécie de loop, gerando a parada da RNA poliymerase. Quando o produto gênico é necessário novamente (triptofano), devido à baixa quantidade de triptofano, proteínas reguladoras ligam-se à cadeia nascente de mRNA e removem a atenuação, permitindo a transcrição de uma molécula completa de mRNA (JOHNSON et al., 2017). O repressor do operon do triptofano é uma proteína que atua como repressor transcricional e em sua forma ativa ele desliga genes. Alguns reguladores transcricionais fazem o contrário, eles ativam a transcrição. Vamos ver como a indução da transcrição ocorre. 5. Controle positivo da transcrição por indução O controle positivo da transcrição ocorre quando a síntese da enzima que vai catabolizar o carboidrato presente no ambiente é induzida, ou seja, quando a presença do carboidrato promove a transcrição do gene para a enzima que irá quebrá-lo. Um exemplo clássico de indução é o que acontece no operon lac, este operon está representado na figura abaixo: Operon lac. Quando a lactose não está presente no meio, a enzima ß galactosidase (gene LacZ) não é sintetizada. Nesse caso, o repressor está ligado ao DNA (no operador), e o operon não pode ser transcrito porque a RNA polimerase não pode se ligar ao promotor (ZAHA et al., 2014, JOHNSON et al., 2017). No entanto, assim que lactose é adicionada no meio, essa enzima começa a ser transcrita. Um composto com fórmula idêntica à Você sabia que substâncias parecidas com o indutor ou o repressor podem ter o mesmo efeito que as substâncias originais, causando a indução ou a repressão do operon? Essas substâncias são chamadas análogos. Isopropylthiogalactoside (IPTG), induz a ß galactosidase sendo assim um indutor artificial do operon lac. lactose, mas com estruturas distintas, o isômero alolactose, se liga ao repressor, ele muda sutilmente de conformação e não pode se ligar ao DNA. Alolactose é sintetizada quando a lactose está presente. A substância que induz a produção da enzima (alolactose) é chamada de indutor. Então agora a RNA polimerase pode se ligar e transcrever o operon lac. O operon lac contém três genes: lacZ, lacY e lacA. Esses genes são transcritos como um único mRNA (policistrônico), sob o controle de um promotor. O gene lacZ codifica uma enzima chamada β- galactosidase, enzima que quebra a lactose em glicose e galactose. A β -galactosidase pode hidrolisar um composto artificial da lactose, o X-gal. Na biologia molecular esse conhecimento é utilizado para selecionar qual colônia bacteriana inseriu um DNA exógeno. A técnica é conhecida como triagem azul-branca (Blue-White screening). Quando o DNA exógeno é inserido dentro do gene da β –galactosidase, essa enzima não pode mais clivar o X-gal, e as colônias aparecem brancas. Enquanto que as bactérias, que não possuem o DNA exógeno continuam a clivar o X-gal, e aparecem azuis. Veja na imagem como essas colônias bacterianas aparecem na placa de cultivo. Seleção azul branca de colônias bacterianas. X-Gal é um substrato cromogênico para a enzima β-galactosidase que hidrolisa X-Gal, formando galactose e 5-bromo-4-cloro-3-indoxil que na presença de oxigênio é convertido no corante azul 5,5“-dibromo-4,4”-dicloro- índigo dando cor azul as colônias bacterianas. Brancas não hidrolisaram o X.Gal. O gene lacY codifica uma proteína de membrana chamada lactose permease, que permite que a célula coloque a lactose para dentro. O gene lacA codifica uma enzima conhecida como transacetilase que transfere um grupo acetil de acetil-CoA a beta-galactosídeos (JOHNSON et al., 2017). A bactéria pode escolher qual carboidrato será usadoprimeiro, quando na presença de vários outros, através do controle global da transcrição. Vamos ver a seguir como isso funciona. 6. Repressão catabolica Outro tipo muito importante de controle da transcrição acontece quando uma variedade de enzimas que estão em operons diferentes e não relacionadas umas com as outras, são inibidas. Operon Lac - Controle da expressão de genesOperon Lac - Controle da expressão de genes…… https://www.youtube.com/watch?v=1kezX-XLPp4 Como a glicose foi a primeira substância que foi demonstrada tendo esse efeito, esse tipo de controle é chamado de efeito da glicose ou repressão catabólica. Repressão catabólica garante que o açúcar (fonte de carbono) que vai render mais energia seja quebrado primeiro (catabolizado). Quando, por exemplo, o microrganismo está crescendo em um meio com glicose e lactose, a enzima β-galactosidase não é sintetizada (ela é reprimida), o microrganismo cresce usando somente glicose deixando a lactose intocada. A repressão catabólica envolve o controle da transcrição através de proteínas ativadoras, sendo assim um controle positivo. No caso da síntese de enzimas passíveis de repressão catabólica, a ligação da RNA polimerase ao DNA só pode ocorrer se outra proteína chamada de proteína ativadora catabólica se ligar primeiramente ao DNA. Essa proteína ativadora foi denominada de CAP (catabolite activator protein). Veja na figura abaixo o sítio de ligação da CAP no operon lac. A CAP não se liga na presença de glicose. Vamos entender melhor. Você sabia que outra consequência da repressão catabólica é a geração de uma curva de crescimento bacteriano chamada de curva de crescimento diáuxico? Quando os microrganismos estão crescendo em um meio com glicose e lactose, a glicose é utilizada primeiro, sendo que a enzima β-galactosidase se encontra reprimida. Após a exaustão da glicose os microrganismos entram em fase lag (sem aumento no seu número de bactérias) até que β-galactosidase seja sintetizada para que elas voltem a crescer novamente usando a lactose. Ausência da transcrição do operon lac na presença de glicose. A CAP é uma enzima regulada por modificações não-covalentes, chamadas de alostéricas, isto é, ela possui um sítio para a ligação de outra molécula que controla se ela vai poder se ligar ao DNA ou não. Vamos entender isso melhor. A CAP possui um sítio para ligação para uma pequena molécula chamada de adenosina 3“,5”-monofosfato cíclico (cAMP ou AMP cíclico). cAMP é sintetizado a partir do ATP (pela adenilato ciclase). Glicose entra na célula e inibe a síntese de cAMP e estimula seu transporte para fora da célula. Quando a glicose é transportada para dentro da célula, o nível de cAMP fica baixo e a ligação da RNA polimerase ao promotor não ocorre. Então, os operons que estão sob o controle da CAP não serão transcritos, sendo nesse momento reprimido (LODISH et al., 2014, JOHNSON et al., 2017). Como muitos operons estão sob o controle da CAP, ela exerce um controle global na expressão de genes. O operon lac está sob o controle da CAP, por exemplo, a CAP ativa a transcrição do operon, mas somente quando os níveis de glicose estão baixos. Quando a glicose está baixa, cAMP se liga à CAP, o sítio de ligação CAP se localiza antes do sítio da RNA polimerase (promotor). Quando a CAP está ligada a esse sítio, ela ajuda a RNA polimerase a reconhecer o promotor iniciando a transcrição, por isso, esse controle é positivo. Como pode ser observado na figura abaixo: Ativação da transcrição do operon lac na presença da CAP (proteína ativadora catabólica). Vimos até agora a regulação da transcrição, porém a regulação acontece em outros níveis, como na tradução, como veremos a seguir. 7. Regulação da tradução Uma forma de regulação dos níveis do produto transcrito, ou seja, dos níveis de proteína a ser gerada, é através do controle da etapa em que a tradução é iniciada, já que um mRNA já foi sintetizado. Os mRNAs bacterianos, possuem uma região conservada de três a nove nucleotídeos, a sequência Shine- Dalgarno, que é sempre encontrada a alguns nucleotídeos antes do códon de iniciação AUG. Essa sequência é fundamental porque está envolvida na ligação do mRNA ao RNA ribossomal (rRNA 16S, subunidade menor) para começar a tradução. Em bactérias, mecanismos de controle traducional envolvem em sua maioria o sequestro da sequência Shine-Dalgarno. Como exemplo, o controle traducional desempenhado por proteínas ou moléculas de RNA (riboswitches). Eles modificam estruturalmente o mRNA e permitem a exposição ou bloqueio da sequência de Shine-Dalgarno (LODISH et al., 2014, ZAHA et al., 2014, JOHNSON et al., 2017). Proteínas repressoras de tradução podem se ligar a sequências específicas do mRNA, impedindo que o ribossomo se ligue a ele, e este mesmo mRNA não poderá ser traduzido. Algumas dessas proteínas que se ligam ao mRNA podem impedir a tradução do seu próprio mRNA. Outro mecanismo de controle traducional ocorre com ligações de pequenas moléculas, como S-adenosilmetionina ao mRNA. Essa ligação promove uma mudança de conformação desse mRNA com a formação de uma espécie de “dobra” do mRNA, estruturas chamadas de haste-alça. Esse rearranjo sequestra, envolve, a sequência Shine-Dalgarno e a iniciação da tradução é inibida. Esse tipo de controle também acontece com o mRNA da S- adenosilmetionina, inibindo, com isso, a tradução das enzimas que a sintetizam. Outra forma de controlar a tradução é a ligação de um RNA complementar (anti-senso) ao mRNA específico, envolvendo a sequência Shine-Dalgarno, resultando no bloqueio da tradução. Esse tipo de regulação acontece em bactérias que expressam proteínas de estocagem de ferro. Esses mecanismos de regulação permitem que as células mantenham quantidades equilibradas de várias proteínas (JOHNSON et al., 2017). 8. Conclusão Você sabia que na bactéria patogênica Listeria monocytogenes existe um mecanismo de controle tipo “termossensor” de RNA? Ele permite que o início da tradução dos genes de virulência aumentem a 37 °C, isso porque somente nessas temperaturas a ocorre uma mudança estrutural, desfazendo a “dobra” do mRNA! Este tópico procurou mostrar que os genes das bactérias são encontrados em uma unidade genética, os operons. Vimos que os RNA mensageiros são ditos policistrônicos nos procariotos porque eles codificam para várias proteínas de uma só vez. Entendemos que as enzimas produzidas podem ser controladas no nível da transcrição. A transcrição pode ser reprimida (controle negativo da transcrição) ou induzida (controle positivo da transcrição). Existe também o controle global da transcrição de enzimas que não estão relacionadas. Esse controle é realizado pela proteína ativadora CAP (catabolite activator protein). A regulação da expressão também pode ser no nível da tradução. Nesse caso, proteínas ou moléculas de RNA expõem ou bloqueiam a sequência de Shine-Dalgarno, impedindo que o RNA ribossomal se ligue, para que haja a tradução. Estudamos aqui exemplos de regulação gênica, ela serve para utilização de diferentes carboidratos, mas ela é muito mais ampla, servindo também para diferenciação celular e outros processos na célula. Todos esses controles da regulação são importantes para que a célula tenha na quantidade certa as proteínas necessárias para um dado momento. 9. Referências LODISH, Harvey F et al. Biologia celular e molecular. 7.ed. Porto Alegre, RS: Artmed, 2014. xxxiv, 1210 p., ISBN 9788582710494. JOHNSON, Alberts et al. Biologia molecular da célula. 6. ed. Porto Alegre RS: Artmed, 2017. 1464 p., ISBN 978-85-8271-423- 2. ZAHA, Arnaldo et al. Biologia molecular básica. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. 407 p. ISBN 978-85-8271-058-6. YouTube. (2010). MrHyuugaNeji. Transcrição do DNA. 01min27. Disponível em:<https://www.youtube.com/watch? https://www.youtube.com/watch?v=fynGKohVYHw v=fynGKohVYHw> YouTube. (2011). Amarílis Aragão Dias. Operon Trp. 05min00.Disponível em: <https://www.youtube.com/watch? v=J65z1bKf88o>. YouTube. (2016). Dimensão Molecular. Operon Lac – Controle da expressão de genes em bactérias. 02min20. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=1kezX-XLPp4&t=73s>. Parabéns, esta aula foi concluída! Mínimo de caracteres: 0/150 O que achou do conteúdo estudado? Péssimo Ruim Normal Bom Excelente Deixe aqui seu comentário https://www.youtube.com/watch?v=fynGKohVYHw https://www.youtube.com/watch?v=J65z1bKf88o https://www.youtube.com/watch?v=J65z1bKf88o https://www.youtube.com/watch?v=1kezX-XLPp4&t=73s Enviar
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