Regulação da transcrição em bacteria

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30/04/15 
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Controle da Transcrição 
O modelo bacteriano de regulação gênica 
Tópicos abordados 
•  A lógica da regulação gênica em bactérias 
•  O modelo do operon Lac 
•  O modelo do operon Mer 
•  O modelo do operon Trp 
•  O modelo o operon SAM 
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Figure 6-8a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O DNA é transcrito pela enzima 
RNA Polimerase (RNA Pol) 
Um promotor bacteriano típico apresenta três 
componentes: 
 região -35 
 região -10 
 posição de início da transcrição 
sequências	
  consensuais	
  
	
  sequência	
  -­‐10:	
  T80A95T45A60A50T96	
  
	
  	
  sequência	
  -­‐35:	
  T82T84G78A65C54A45	
  
Adaptado de Lewin, B. (2000) Genes VII/Benjamin Lewin; trad. Henriue Ferreira ... [et al.]. - Porto Alegre: Artmed Editora, 2001. 
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A holoenzima reconhece o promotor além 
de elementos a montante (Upstream) 
Controle da expressão gênica 
(Nível da Transcrição) 
•  Expressão constitutiva 
 
•  Expressão regulada 
–  Induzível 
–  Reprimida 
 
•  Reguladores 
–  Fatores específicos 
•  Repressores (Regulação negativa) 
•  Ativadores (Regulação positiva) 
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Sinais extracelulares ßà Controle da expressão de genes 
Proteínas Regulatórias 
Proteínas Ativadoras 
Proteínas Repressoras 
(Proteínas que se ligam ao DNA) 
A grande maioria dos genes bacterianos são organizados na forma de 
OPERONS – REGULAÇÃO COORDENADA E SIMULTÂNEA DE GENES 
Metabolismo da 
lactose em E. coli 
β-galactosidase - 2 reações: 
 
- reação principal: metabolismo 
-reação secundária: indutor 
do operon lactose (operon lac) 
Adaptado de Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). 
Lehninger Principles of Biochemistry,. 
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Curva de crescimento de E. coli, em presença 
de diferentes fontes de carbono 
(2 diferentes açúcares: glicose, lactose ou ambos simultaneamente) 
Tortora et al. (2003). Microbiology: An Introduction,. 
Operon Lac 
3 genes estruturais: lacZ, lacY e lacA 
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Watson, J.D et al (2008), Molecular Biology of the Gene, 6th edition 
Ativação pelo recrutamento da RNA Polimerase (RNA Pol) 
Na ausência de repressor e ativador, 
a RNA Pol ocasionalmente liga-se ao 
promotor à nível basal de 
transcrição 
A ligação do repressor ao 
operador à bloqueio da ligação 
da RNA Pol ao promotor à 
inibição da transcrição 
A ligação do ativador à sequência 
ativadora recruta a RNA Pol 
(ligação cooperativa) à altos níveis 
de transcrição 
Bactérias 
Relação entre as sequências do operador e do 
promotor lac 
sobreposição dos sítios de ligação para a RNA Pol e o Repressor. 
Dois sinais controlam a expressão do operon lac 
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O repressor Lac liga-se ao operador principal e a um dos pseudo-
operadores, aparentemente formando um “loop” no DNA. 
Adaptado de Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of 
Biochemistry, 
proteína (cinza) 
DNA (azul) 
O Repressor Lac interage com 
as bases do DNA 
O Domínio ligante é do tipo 
hélice-volta-hélice e interage 
diretamente com o DNA 
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Ο β-galactosídeo IPTG, estruturalmente relacionado à 
alolactose, é um indutor artificial e não metabolizável 
do operon lac 
Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd edition, Worth Publishers 
Mudança conformacional do repressor Lac causada pela ligação do 
indutor artificial IPTG. O repressor tetramérico é mostrado sem a 
ligação do IPTG (imagem transparente) e com a ligação do IPTG 
(imagem sólida sobreposta). 
Adaptado de Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry, 3nd edition, Worth Publishers. 
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Manuscritos do Francois Jacob 
Watson, J.D et al (2008), Molecular Biology of the Gene 
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O operon lac pode ser regulado por 2 
mecanismos principais 
Repressão (- indutor): circuito operador-repressor – RNA pol 
não consegue se ligar ao promotor 
Ativação (- glicose): sítio ativador (CRP ou CAP) ocupado - 
ativação alostérica da RNA Pol 
Dois sinais controlam a expressão do operon lac 
Proteína Repressora 
 Liga-se ao DNA na forma de tetrâmero) 
 Depende dos níveis de Lactose (alolactose) 
 
Proteína CAP 
 Liga-se ao DNA e cAMP na forma de dímero 
 A disponibilidade de cAMP depende dos níveis de Glicose 
á Glicose – â cAMP 
â Glicose – á cAMP cAMP•CAP 
CAP também controla outros genes: atuação em mais de 100 genes de E.coli 
Uma proteína ativadora e outra 
repressora controlam os genes lac 
	
  
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Revisando a regulação do Operon Lac 
Lodish et al. (2004). Molelcular Cell Biology (5ª edição), cap 4. 	
Lodish et al. (2004). Molelcular Cell Biology (5ª edição), cap 4. 	
Revisando a regulação do Operon Lac 
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Operon MerT responde ao fator 
MerR induzindo torção no DNA 
http://parts.igem.org/Part:BBa_K346002 
Resistência ao 
Mercúrio 
A ligação de MerR não 
interfere com a ligação 
da RNA pol ! 
Organização do operon triptofano de E. coli 
Watson, J.D et al (2008), Molecular Biology of the Gene 
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O Operon Triptofano (operon trp) 
Atenuação 
Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry 
genes estruturais: trpE - trpA 
Repressão 
ü  Repressão - circuito Repressor/Operador: 
regulação pelos níveis de Trp livre 
 
ü  Atenuação Transcricional: resposta aos níveis 
celulares de tRNATrp (carregado) 
Dois mecanismos de regulação: dois sensores do conteúdo de 
triptofano na célula em dois mecanismos diferentes, permitindo um 
ajuste fino da biossíntese de Trp para manter uma adequada taxa de 
síntese de proteínas	
Operon Triptofano (Trp) 
responde diretamente à necessidade da célula por tRNATrp para a síntese protéica. 
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O repressor triptofano (repressor Trp) 
O repressor é um homodímero com ambas as subunidades de cerca de 107 
resíduos de aminoácidos (cinza e azul) ligando ao DNA por meio dos 
motivos hélice-volta-hélice. 
Em vermelho é 
mostrado as 
moléculas de trp 
ligadas ao 
repressor 
Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd edition, Worth Publishers 
Acoplamento da transcrição e 
tradução em procariotos 
O mRNA é traduzido pelos ribossomos enquanto ainda está sendo 
sintetisado pela RNA Polimerase a partir do DNA 
Ribossomo MM=2,7x106 Da 
RNA Polimerase MM= 3,9x105 Da 
O acoplamento 
da transcrição 
com a tradução 
é crucial na 
regulação por 
atenuação 
(síntese do 
peptídeo líder) 
Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of 
Biochemistry, 3rd edition, 
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A formação do grampo induz a 
terminação 
Sequência e estrutura 
secundária do grampo de 
terminação da região final 
do RNA líder do operon 
Trp 
Watson, J.D et al (2008), Molecular Biology of the Gene 
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baseado em estruturas secundárias alternativas 
(grampo) na região 5’ líder do RNA situada a 
montante dos genes estruturais 	
 
 
processo acoplado com a tradução 
resposta aos níveis celulares de tRNATrp (carregado) 
O Mecanismo de Atenuação 
genes estruturais: trpE - trpA 
Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd edition, Worth Publishers 
Organização da região lider 
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O princípio da atenuação é que algum 
evento externo controla a formação de um 
grampo necessário para a terminação 
intrínseca. 
Se há a formação do grampo de terminação, este 
impede a RNA polimerase de transcrever os genes 
estruturais – a transcrição é abortada 
Se o grampo não é formado, aRNA polimerase elonga 
além do terminador e os genes são expressos. 
Diferentes tipos de mecanismos são empregados 
em diferentes sistemas para o controle da 
estrutura do RNA. 
Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd edition, Worth Publishers 
Dois tipos de gampos são 
possíveis 
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Nelson, D. and Cox, M., M. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd edition, Worth Publishers 
Escassez de tRNATrp 
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Disponibilidade de tRNATrp 
A atenuação acontece em 
outros operons biossintéticos 
Sequência de peptídeos líder: 
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Estrutura geral do riboswitch 
Mecanismo de ação 
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Mecanismo de ação	
  
Sensores do tipo riboswitch 
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Riboswitch de T. maritima 
regulado por lisina