Regulação gênica em eucariotos

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5920508 - Genética I I 2014 
Regulação da expressão gênica em eucariotos 
Prof. Dr. Tiago Campos Pereira 
tiagocampospereira@ffclrp.usp.br 
3602 3818 – sala 13, bloco 14 
Snustad & Simons 6th Edition - Cap 20 
Assuntos abordados nesta aula: 
 
• regulação em procariotos versus eucariotos 
• dimensões da regulação gênica 
• padrões de expressão gênica 
• indução da transcrição por fatores biológicos e ambientais 
• promotor e elementos próximos 
• enhancers e ativadores (Gal4) 
• expressão gênica e organização cromossômica (eu- e heterocromatina) 
• variegação por efeito de posição 
• amplificação gênica 
 
 
 
Procariotos: o estado fundamental 
dos genes é “ligado”. 
 
RNA polimerase tem livre acesso 
ao DNA para transcrição contínua. 
 
 
Eucariotos: o estado fundamental 
dos genes é “desligado”. 
 
O DNA está associado a nucleossomos, 
são necessárias proteínas regulatórias 
para que a transcrição ocorra. 
 
 
 
vb
 vb
 
vb
 
vb
 
v b
 
v
b 
v
b 
vb
 
Compartimentalização permite níveis 
distintos de controle da expressão gênica. 
 
Nível 1: controle transcricional. 
A indução ou repressão gênica 
é mediada por interações 
DNA-proteína. 
 
Reguladores positivos ou negativos 
se ligam a regiões específicas do DNA 
e são denominados: fatores de 
transcrição 
 
 
 
 
Nível 2: splicing alternativo. 
As formas alternativas de 
recomposição dos transcritos 
de troponina de rato 
provavelmente agem de 
maneiras ligeiramente 
distintas, contribuindo para a 
variabilidade na ação 
muscular. 
Nível 3: controle citoplasmático da estabilidade do mRNA 
A longevidade do mRNA pode ser influenciada por diversos fatores: 
 
- a cauda poli-A parece estabilizar os mRNAs 
 
- a sequência 3’ UTR (antes da poli-A) também afeta a estabilidade: 
RNAs de pequena duração possuem diversas cópias da sequência “AUUUA” na 3’ UTR. 
Quando esta sequência é artificialmente transferida para a 3’ UTR de mRNAs mais 
estáveis eles se tornam instáveis. 
 
- compostos químicos (e.g., hormônios): 
Em Xenopus laevis, o gene da vitelogenina é transcricionalmente ativado pelo 
hormônio esteróide estrógeno, que também é capaz de aumentar a longevidade do 
mRNA correspondente. 
 
- microRNAs (miRNAs) regulam negativamente a estabilidade dos mRNAs (clivagem, 
decapping, deadenilação) assim como sua taxa de tradução (inibição da tradução). 
Marilena
Realce
- Transcrição mediada por cinco RNA 
polimerases diferentes. 
- RNAs são extensivamente 
processados durante a transcrição. 
- RNA polimerase II é muito maior e 
mais complexa que a sua contraparte 
procariótica. 
 
Eucariotos multicelulares precisam 
coordenar a expressão de dezenas de 
milhares de genes durante o 
desenvolvimento e nos diferentes 
tecidos. 
 
Neste sentido, a regulação gênica deve 
ser capaz de gerar milhares de padrões 
distintos de expressão. 
Genes de expressão constitutiva: 
expressos em todos as fases 
do desenvolvimento. 
 
Genes de expressão ubíqua: 
expressos em todos os tecidos. 
 
Genes regulados (indutíveis): 
controle de expressão 
espaço-temporal. 
Choque térmico: 
Heat-shock proteins (HSPs) 
Moléculas sinalizadoras: hormônios 
 
Este processo de transmissão do sinal hormonal 
através da célula até o núcleo é chamado 
transdução de sinal. 
 
 
Hormônio esteróide: 
liposolúvel. 
Moléculas sinalizadoras: hormônios 
 
Hormônio peptídico: não liposolúvel. 
 
 
A regulação gênica em eucariotos envolve a interação de vários conjuntos de proteínas 
com diversos elementos cis-regulatórios no DNA. 
O primeiro conjunto de proteínas engloba o complexo RNAP II e os fatores gerais de 
transcrição (maquinaria basal). 
O início da transcrição envolve a interação destas proteínas com o promotor e os 
elementos próximos. Tanto estas proteínas, quanto estes elementos regulatórios, são 
basais e comuns a diversos genes (inespecíficos). 
Enhancers (=UAS: sequências de ativação upstream) correspondem à segunda classe 
de elementos cis-regulatórios no DNA. Eles geralmente são particulares, distantes do 
promotor e são alvos de fatores de transcrição mais específicos, gerando padrões 
diferenciais de expressão gênica. 
Enhancers (=UAS: sequências de ativação upstream) correspondem à segunda classe 
de elementos cis-regulatórios no DNA. Eles geralmente são particulares, distantes do 
promotor e são alvos de fatores de transcrição mais específicos, gerando padrões 
diferenciais de expressão gênica. 
Características de fatores de transcrição (gerais e específicos): 
- um domínio que reconheça sequências regulatórias no DNA 
- um domínio que interaja com uma ou mais proteínas do aparato transcricional 
- um domínio que influencie a (des-)condensação da cromatina 
- um domínio que aja como um sensor de condições fisiológicas dentro da célula 
A célula humana apresenta aproximadamente 1500 diferentes fatores de transcrição, o 
que permite uma regulação gênica fina. 
Ativador é uma classe específica (não basal) de fatores de transcrição que se ligam aos 
enhancers. GAL4 é um ativador de S. cerevisiae que se liga a um UAS e em seguida 
recruta TFIID/TBP (TATA Box binding protein) e o “complexo mediador”, o qual interage 
diretamente com a RNAP II e a recruta para o promotor. 
 
A afinidade desta interação se correlaciona com a potência de GAL4 como um ativador. 
GAL4 irá coordenar a transcrição intensa de genes associados com a metabolização da 
galactose na presença deste composto. 
Cromossomos plumosos de oócitos de anfíbios. 
 
Pulso com 3H-uridina seguido de 
autorradiografia revela sinais localizados 
próximo às alças, não ao eixo condensado. 
 
3H-uridina relaciona-se à taxa de transcrição, 
portanto DNA aberto estaria acessível ao 
aparato transcricional, DNA condensado seria 
transcricionalmente inativo. 
 
 
 
 
Cromossomos politênicos de drosófila: centenas de cópias de cromátides irmãs alinhadas 
lado a lado. 
 
CP apresentam bandas (cromômeros) mais ou menos intensamente coradas, que 
pareciam possuir algum significado funcional uma vez que, ao longo do desenvolvimento, 
certas bandas se expandiam em puffs difusos e bem menos corados. 
 
Os eventos de puffing são controlados, por exemplo, pelos pulsos do hormônio esteróide 
ecdisona ou pela alteração da temperatura de crescimento das larvas de drosófila. 
 
 
 
 
 
 
Estudos com autorradiografia e hibridização in situ demonstraram que puffs são regiões 
transcricionalmente ativas (i.e., locais onde há produção de mRNAs). 
 
 
 
 
 
 
Estudos com cromossomos politênicos e plumosos levantaram a questão: o DNA 
transcricionalmente ativo é de fato “mais aberto” do que o DNA não transcrito? 
Como testar esta hipótese? 
 
Tratamento com desoxiribonuclease I (DNase I). 
 
Em 1976, Mark Groudine e Harold Weintraub trataram DNA de células vermelhas de 
galinha com DNase I. Eles sabiam que estas células transcreviam -globina, mas não 
ovoalbumina. 
 
Após a sondagem do DNA residual, eles perceberam que o 50% do DNA do gene para -
globina havia sido digerido, contra apenas 10% do DNA do gene de ovoalbumina. 
 
 
 
 
 
 
Harold Weintraub Mark Groudine 
Tratamento de cromatina isolada com pequenas quantidades de DNase I promove 
algumas poucas clivagens em pontos específicos, denominados sítios hipersensíveis a 
DNase I. 
 
Alguns destes sítios localizam-se upstream de genes transcricionalmente ativos, em 
regiões promotoras ou enhancers, sugerindo que estas regiões estão localmente abertas, 
talvez porque a transcrição tenha se iniciado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
No caso dos genes para β-globina, diversos sítios hipersensíveis para DNase I estão 
localizados em um domínio de 15kbdenominada região controladora do locus (LCR). 
 
LCR é um conjunto de enhancers que controlam a transcrição diferencial dos diversos 
genes de -globina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A unidade básica da cromatina é o nucleossomo: 
um octâmero de histonas 2A, 2B, 3 e 4 envolvido 
por duas voltas de DNA (150 pb). 
 
Remodelamento da cromatina: 
alteração da posição do nucleossomo, permitindo 
assim o controle da expressão gênica. 
Como a RNAP transcreve o DNA que está empacotado em nucleossomos? 
O nucleossomo precisa ser desmontado antes do DNA ser transcrito? 
 
Surpreendentemente, a RNAPII é capaz de atravessar os nucleossomos com a ajuda do 
complexo proteico FACT (facilitates chromatin transcription). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nucleossomos são 
octâmeros de histonas. 
Este complexo remove dímeros H2A/H2B dos nucleossomos. O DNA fica “afrouxado” ao 
hexâmero restante, permitindo a passagem da RNAPII. 
 
Logo em seguida, FACT e outras proteínas ajudam a redepositar os dímeros de histona, 
restaurando a estrutura dos nucleossomos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
direção da transcrição 
SWI-SNF: complexo de 
remodelamento da cromatina. 
(to nudge: empurrar, acotovelar) 
Complexo SWI/SNF regula a transcrição 
através do deslizamento dos octâmeros 
de histonas ao longo do DNA. Ele também 
pode transferir os octâmeros para outras 
locais no DNA. 
Código das histonas 
Código das histonas 
São conhecidas mais de 150 outras modificações 
possíveis além da metilação, acetilação, 
ubiquitinação e fosforilação. 
 
A acetilação de lisinas de histonas é reversível e é a 
modificação mais bem caracterizada. Com 44 
resíduos de lisina disponíveis para modificação, a 
quantidade de informação no “código de histonas” é 
imenso. 
 
Histone acetyltransferase (HAT) 
Histone deacetylase (HDAC) 
 
Nucleossomos de regiões ativas – hiperacetilados. 
Nucleossomos de regiões inativas – hipoacetilados. 
 
Heterocromatina: cromatina altamente condensada, densamente corada. 
Eucromatina: cromatina levemente corada, pouco condensada. 
 
HDAC: deacetilases de histonas HAT: acetiltransferases de histonas 
 
Aproximadamente 30% do DNA de drosófila é heterocromático: 
 
- a maioria está localizada próxima ao centrômero (heterocromatina centromérica) 
- heterocromatina telomérica 
- heterocromatina intercalar (dispersa na eucromatina) 
 
A maioria das regiões heterocromáticas de drosófila é rica em elementos repetitivos, 
por exemplo, elementos transponíveis. 
 
Contudo, a heterocromatina possui também alguns genes expressos (rRNAs e outros 
20 genes codificadores de proteínas). Portanto a heterocromatina não é sempre 
associada a completa inativação gênica. 
 
A maioria dos genes eucarióticos está localizada na eucromatina. 
 
O que acontece com a expressão de um gene que for natural ou artificialmente 
reposicionado no genoma, passando da eucromatina para heterocromatina (ou vice-versa)? 
Algumas vezes, a expressão gênica é facilitada pelo aumento do número de cópias do 
gene, processo denominado amplificação gênica. 
 
Quanto maior o número de cópias do gene, maior é o número de DNA molde para 
transcrição, portanto, maior a quantidade de RNA produzida. 
 
Provavelmente o exemplo mais dramático de amplificação gênica seja o de genes para 
rRNAs de oócitos de X. laevis. 
 
Há 4 tipos de rRNA: 5S 5,8S 18S e 28S (estes últimos três derivam de um RNA 
policistrônico). 
 
O oócito de X. laevis precisa de aproximadamente 1012 ribossomos, cada qual exige 
uma cópia de cada um dos 4 tipos de rRNA. 
 
Para que esta demanda seja suprida, os genes de rRNA sofreram intensos eventos de 
amplificação gênica. 
Amplificação gênica de rRNAs: 
 
- Há 24.000 cópias de rRNA 5S espalhadas por todo o genoma de X. laevis. 
- Há bem menos cópias de gene para 5,8-18-28S (800 - 1000 ). 
 
Os genes 5,8-18-28S são novamente amplificados nos oócitos, por meio da criação de 
mini-cromossomos circulares de replicação independente do genoma. 
 
O processo pelo qual este cromossomos supranumerários são criados ainda não é 
bem conhecido. 
 
 
 
DNA Transcription (Advanced) 
http://www.youtube.com/watch?v=SMtWvDbfHLo 
 
 
Regulated Transcription 
http://www.youtube.com/watch?v=vi-zWoobt_Q 
 
 
How Genes are Regulated: Transcription Factors 
http://www.youtube.com/watch?v=MkUgkDLp2iE 
 
 
Chromatin, Histones and Modifications, Rate My Science 
http://www.youtube.com/watch?v=eYrQ0EhVCYA 
 
 http://www.youtube.com/watch?v=29doT6Hf2MI 
Maquinaria basal de transcrição 
Fatores de transcrição basais + 
promotor e elementos próximos ao promotor 
Regulação gênica 
Fatores de transcrição 
específicos + 
enhancers, silenciadores 
e isoladores