Regulação gênica em procariotos - Parte a

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5920508 - Genética I I 2014 
Regulação gênica em procariotos 
Prof. Dr. Tiago Campos Pereira 
tiagocampospereira@ffclrp.usp.br 
3602 3818 – sala 13, bloco 14 
 
Snustad & Simons 5th Edition - Cap 19 
Assuntos abordados nesta aula: 
 
• expressão gênica constitutiva, indutível e reprimível 
• controles positivos e negativos da expressão gênica 
• operons 
• operon da lactose: indução e repressão catabólica 
• operon do triptofano: repressão e atenuação 
• interruptores de RNA 
• regulação gênica pós-transcricional 
 
 
 
Contudo, a regulação no nível transcricional é o mecanismo com maiores efeitos 
no fenótipo. 
Alguns genes, como tRNA, rRNA, proteínas ribossomais, subunidades da RNA 
polimerase e enzimas catalizadoras de processos metabólicos são frequentemente 
denominados de “genes de manutenção da casa” (housekeeping genes) pois são 
essenciais para quase todas as células. 
 
Tais genes são continuamente expressos, sendo denominados genes constitutivos. 
 
Por outro lado, outros produtos gênicos são necessários apenas em certas situações 
ambientais. A expressão constitutiva destes genes seria um desperdício de energia, 
que poderia ser utilizada para uma replicação mais rápida. 
 
A evolução de mecanismos regulatórios que permitem a expressão destes produtos 
apenas quando necessários claramente concederia uma vantagem seletiva. 
 
Tal fato explica porquê espécies atuais, incluindo bactérias e vírus, exibem 
mecanismos altamente eficientes para o controle da expressão gênica. 
 
E. coli é capaz de crescer usando qualquer um de vários carboidratos (glicose, 
sacarose, galactose, arabinose, lactose). Se glicose está presente no meio, ela é 
preferencialmente utilizada. 
 
Contudo, se ela estiver crescendo em meio contendo apenas lactose, E. coli irá 
sintetizar 2 proteínas (-galactosidase e permease de -galactosídeos). 
 
E. coli possui um mecanismo de “ligação” destes 2 genes apenas quando há lactose 
no meio, evitando assim um desperdício de energia quando este composto não está 
disponível. 
 
 
Se células de E. coli crescendo em meio sem lactose são transferidas para um meio 
contendo lactose como única fonte de carbono, elas rapidamente começam a 
síntese das enzimas requeridas para utilização da lactose. 
 
Este processo de “ligar” a expressão de genes em resposta a uma substância no 
ambiente é denominado indução. 
 
Genes cuja expressão é regulada desta maneira são denominados genes indutíveis 
(em oposição a genes constitutivos). 
 
 
Genes envolvidos nas vias de catabolismo (degradação), tais como as de utilização 
de lactose, galactose ou arabinose são tipicamente indutíveis. 
 
Indução ocorre no nível da transcrição, alterando a taxa de síntese do mRNA da 
enzima, e não a ativação de enzimas pré-existentes. 
 
Portanto, indução não deve ser confundida com ativação enzimática, a qual ocorre 
quando a ligação de uma pequena molécula (e.g. grupo fosfato) em uma enzima 
aumenta sua atividade sem afetar sua taxa de síntese. 
 
Marilena
Nota
inducao nao é = a ativacao enzimatica (ligacao de uma mol a enzima aumenta a ativ desta mas nao altera sua taza de sintese)
Bactérias podem sintetizar a maioria das moléculas orgânicas necessárias para o 
crescimento (aminoácidos, purinas, pirimidinas e vitaminas). 
 
E. coli, por exemplo, possui 5 genes para enzimas da via de biossíntese de 
triptofano, que devem ser expressos em casos de ausência deste aa no meio. 
 
Quando E. coli está em um meio contendo triptofano em quando suficiente para 
permitir o crescimento, a síntese de enzimas da via biossintética de triptofano 
torna-se um desperdício. 
 
Marilena
Nota
o gene para triptofano geralmente esta sendo transcrito, no entanto quando a bacteria esta em um meio que tem triptofano ela deve desligar o gene para as enzimas biossinteticas de triptofano para que nao haja perda de energia. genes que devem ser desligados sao chamados de genes repressiveis, o processo é chamado de repressao quando a expressao dele é ligada diz se que houve desrepressao. 
Marilena
Nota
as enzimas das vias anabolicas (biossintese) em geral sao repressiveis.
Marilena
Nota
repressao nao é = a inibicao por feedback (quando o produto da via biossintetica se liga a atividade da primeira enzima da via e a inibe nao afetando a sintese da enzima).null
Marilena
Nota
genes que codificam enzimas de via catabolica> sao genes repressiveis > desligados na presenca do produto final da via. nao é inibicao por feedback, ja que esta só altera a atividade enzimatica e nao a sintese da enzima
Nesta situação, tais genes são “desligados” pelo processo oposto ao da indução, a 
repressão, que também ocorre no nível transcricional. 
 
Quando estes genes são “ligados” diz-se que eles foram desreprimidos. 
 
Enzimas que são componentes de vias anabólicas (biossíntese) são frequentemente 
reprimíveis. 
 
Repressão não deve ser confundida com inibição por feedback, a qual ocorre 
quando o produto da via de biossíntese inibe a atividade da primeira enzima da via, 
sem afetar a síntese da enzima. 
A regulação gênica (indução ou repressão) pode ser alcançada tanto por 
mecanismos de controle positivos quanto negativos. 
 
Ambos mecanismos envolvem a participação de genes reguladores, i.e., genes cujo 
produtos regulam a expressão de outros genes. 
 
Nos mecanismos de controle positivo, o produto do gene regulador é necessário 
para ligar a expressão de 1 ou mais genes estruturais. 
 
Nos mecanismos de controle negativo, o produto do gene regulador é necessário 
para desligar a expressão dos genes estruturais. 
 
 
 
Marilena
Nota
entao ele é ativadornull
Marilena
Nota
repressor (produto do gene regulador)null
Um gene é expresso quando a RNAP se liga ao seu promotor e sintetiza o transcrito. 
 
O produto do gene regulador se liga a um sítio denominado “sítio de ligação da 
proteína reguladora” (RPBS) adjacente ao promotor do gene estrutural. 
 
No sistema de controle positivo, o produto do gene regulador (denominado 
ativador) se liga a RPBS ativando a transcrição. 
 
No sistema de controle negativo, o produto do gene regulador (denominado 
repressor) se liga a RPBS desligando a transcrição. 
 
 
 
 
 
Marilena
Nota
os genes reguladores sao chamados de ativadores quando atuam em sistemas de controle positivo e sao repressores quando atuam em sistemas de controle negativo. o produto do gene regulador se liga ao sitio de ligacao do regulador. esses produtos genicos se ligarem a esse sitio depende das mol efetoras as quais podem induzir a expressao genica (indutores) e reprimir a expressao genica (repressores).
A capacidade da proteína reguladora de se ligar ou não ao RPBS depende da 
presença ou ausência de moléculas efetoras (geralmente aa, açúcares ou 
metabólitos similares). 
 
As moléculas efetoras envolvidas na indução são denominadas indutores; as 
envolvidas na repressão são denominadas co-repressores. 
 
A molécula efetora se liga à proteína reguladora promovendo alterações em sua 
estrutura conformacional (= transição alostérica), modificando assim sua habilidade 
de se ligar a RPBS. 
 
 
 
 
 
Em 1961 Fraçois Jacob e Jacques Monod desenvolveram o modelo do operon para 
explicar a regulação de genes requeridos para a utilização de lactose por E. coli. 
 
Eles propuseram que a transcrição de um conjunto de genes contíguos é regulada 
por 2 elementos de controle: (i) o repressor (=proteína reguladora) que se liga ao 
(ii) operador (= RPBS). 
 
Portanto, os operons descritos a seguir são do tipo controle negativo, indutível ou 
reprimível. 
 
 
 
 
 
 
 
Francois Jacob 
França, 1920-2013 
Nobel 1965 
Jacques Monod 
França, 1910-1976 
Nobel 1965 
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Realce
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Realce
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MarilenaRealce
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Realce
Marilena
Nota
sitio de regulacao do regulador
Marilena
Nota
a transcricao de genes estruturais continuos é regulada por DOIS elementos CONTROLADORES um deles é o gene regulador que codifica um repressor, por isso operon é para controle negativo e o outro elemento é o operador, onde o produto do regulador se liga.
Marilena
Nota
operador e promotor sao sempre continuos as vezes as regioes de DNA deles podem se sobrepor, compartilhando seq de DNA. ha operon indutivel e repressivel. o operon indutivel o repressor livre se liga ao operador desligando a transcricao. o repressivel apenas o complexo repressor efetor (correpressor) é ativo em se ligar ao operador
Marilena
Nota
um unico mRNA tem a inf codificante do operon inteiro. os mRNA de operon que tem mais de um gene estrutural sao multigenicos (policistronico).
Marilena
Nota
A beta galactosidio permease bombeia a lactose para dentro da celula e a beta galactosidase degrada lactose dentro da cel em galactose e em glicose. a sintese dessas duas enzimas gasta muita energia por isso ela deve ser ligada e desligada. essas enzimas catabolizam a lactose sendo ligada na presença da lactose e desligada na ausencia dessa esse operon que ira produzir o mRNA que resultara nessas proteinas.
Marilena
Nota
se essas cels sao passadas de um meio semlactose para um meio com lactose como unica fonte de C elas comeca a produzir as enzimas necessarias ao uso de lactose, havera uma ligacao da expressao dos genes que codificam essas enzimas que catabolizam a lactose, havendo entao uma resposta ao meio, esse é o processo de inducao. os genes que tem expressao regulada assim, que devem ser ligados, sao chamados de genes indutiveis e suas respectivas enzimas sao chamadas de enzimas indutiveis.
Marilena
Nota
enzimas de vias catabolicas (degradacao) sao indutiveis.
Marilena
Nota
ele é constituido de promotor, operador (ligacao do regulador) e dos genes estruturais. o lac é um gene regulador, pois ele codifica um produto que vai interferir em outras vias metabolicas. o gene regulador lac codifica um repressor. dentro desse operon tem os genes lac Z(beta galactosidase), lazy(beta galactosidio permease) e lac a(b galactosidio tranferase). o operon lac é indutivel de controle negativo, na ausencia de indutor o repressor se liga a lac e impede a transcricao dos genes lac estruturais, mas uma pequena transcricao é feita, a qual possibilitara a inducao do operon lac porque porque o indutor do operon é a alolactose qé derivada da lactose em uma reacao catalisada pela beta galactosidase.
Marilena
Nota
o gene regulador lac(geneI) codifica um repressor. na ausencia de molecula efetora indutor o repressor se liga no operador e entao nao ha trancricao dos genes estruturais do operon, ha na verdade em peq qntidadeo que é fundamental para ter a beta galactosidase que ira ser responsavel pela producao de alolactose que é indur, ela ligada ao repressor libera este do operador, induzindo a transcricao dos genes estruturais lacz,y e a. o produto do gene lac I é um repressor que atua na cel de modo difundivel, pois o I+ conseguirá reprimir os a transcricao dos dois cromossomos, entao ele age em trans tambem, ele regula a transcricao de genes localizados em cis(msm cromossomo) ou em trans (outro cromossomo, no homologo)
Marilena
Nota
o operador constitutivo age apenas em cis, no msm cromossomo, as mutacoes Oc afetam apenas no msm cromossomo que ocorreram.
Pequenas quantidades de lacZ, lacY e lacA são sintetizadas mesmo no estado 
reprimido, provendo um nível basal de atividade enzimática. 
 
Isto permite que, ao se detectar lactose no meio, este açúcar seja convertido em 
allolactose, que é o indutor do operon. 
Operon Lac 
 
Vídeo 1 
https://www.youtube.com/watch?v=h5p05aFzWdA 
 
Vídeo 2 
https://www.youtube.com/watch?v=iPQZXMKZEfw 
 
Vídeo 3 
https://www.youtube.com/watch?v=oBwtxdI1zvk 
A presença de glicose inibe a 
produção de (cAMP), impedindo 
a transcrição o operon lac, 
favorecendo, assim, a 
metabolização de glicose. 
 
Marilena
Nota
as mutações do promotor vao influenciar apenas na eficiencia da ligacao da rna pol a este. o promotor lac tem dois componentes separados o sitiop de ligacao da rna pol e o sitio de ligacao da CAP, este garante o uso preferencial de glicose quando ela esta disponivel no meio.
Marilena
Nota
a presenca de glicose impede a inducao do lac esse fenomeno é conhcido como repressao catabolica (efeito da glicose) assegura que a glicose seja metabolizada em preferencia a outras fontes de en menos eficientes.
Marilena
Nota
a repressao catabolica do operon lac e dos outros operon de carboidratos sao feitas pela CAP ligada ao cAMP quando ele esta presente em concentracao suficiente.
Marilena
Nota
a ligacao do CAP- cAMP é feita na regiao do promotor do operon, ele tem a funcao contraria a do repressor. o cAMP funciona como mol efetora, qnd ele esta ligado a CAP os genes estrturais do operon serao transcritos
Marilena
Nota
a presenca de glicose resulta na diminuicao da concentracao de cAMP pois ela impede a ativacao da adenilciclase (ATP > cAMP)
Marilena
Nota
o complexo CAP-cAMP faz um controle positivo da transcricao do operon
O operon de trp de E. coli apresenta controle negativo reprimível. 
Ele é regulado em dois níveis: repressão (transcricional) e atenuação (governa a 
frequência de terminação transcricional prematura). 
 
 
 
 
trpR: codifica o repressor do 
operon trp 
Marilena
Nota
o operon trp tem 5 genes estruturais que codificam enzimas para biossintese de triptofano
Marilena
Nota
os cinco genes estruturais codificam enzimas que transformam o ac corismico em triptofano. a expressao do operon do trp é regulada em 2 niveis 1 repressao que controla o inicio da transcricao e 2 atenuacao que controla a frequencia do termino premataturo do transcrito
Marilena
Nota
trpR que codifica o repressor do operon nao esta proximamente ligado ao operon do trp. a regiao do operador fica dentro da regiao do promotor primario. tem tambem um promotor fraco na ponta distal ao gene trp D o qual resulta em um nivel aumentado de transcricao dos genes trp C,B e A
Marilena
Nota
na ausencia de trp a rna pol trancreve o operon se ligando na regiao do promotor e na presenca deste o complexo correpressor/repressor se liga a regiao do operador e impede a transcricao
trpR: codifica o repressor do 
operon trp 
 
O aminoácido trp (que é o produto final 
da via) age como molécula efetora, do 
tipo co-repressor. 
 
O complexo repressor/co-repressor 
se liga ao operador e reprime o sistema. 
 
O nível de transcrição no estado desreprimido 
(sem trp no meio) é 70x  que no estado 
reprimido. 
Marilena
Realce
Vídeo 4 (apenas parte A) 
 
https://www.youtube.com/watch?v=8aAYtMa3GFU 
A região trpL especifica uma sequência líder de 
162 nt no mRNA. 
 
Deleções de parte de trpL resultam em níveis 
elevados de transcrição, sem afetarem a 
repressibilidade do operon, i.e., 
a repressão e desrepressão ocorrem 
exatamente como em trpL+. 
 
Marilena
Nota
as delecoes que removem parte da regiao trpL resultam em taxas aumentadas de expressao do openos trp
Marilena
Realce
Marilena
Realce
Estes dados indicam que o operon trp possui um segundo nível de regulação: a 
atenuação, sendo a sequência de trpL denominada atenuador. 
 
A atenuação ocorre pelo controle do término prematuro da transcrição em um sítio 
próximo ao fim da sequência líder do mRNA. 
 
Esta terminação ocorre apenas na presença de tRNATrp carregado, liberando um 
transcrito truncado de apenas 140 nt. 
 
O atenuador possui uma sequência nucleotídica essencialmente idêntica aos sinais 
de terminação de transcrição encontrados no final da maioria dos operons 
bacterianos: palíndrome rico em C:G seguido de diversos A:T 
 
Marilena
Nota
a sequenciadentro de trp L que controla esse fenomeno sendo chamada de atenuador
Marilena
Nota
terminacao prematura
A sequência rica em “CG” cria uma estrutura no formato de grampo que retarda o 
movimento da RNAP, causando uma pausa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Marilena
Nota
a transcricao desses sinais gera um RNA nascente com o potencial de formar uma estrutura em grampo com pontes de h seguidas de varias uracilas. quando o transcrito primario forma esse grampo ha uma mudanca na RNApol resultando em um termino da transcricao por causa dessas regioes mais fracas, onde ha menos energia na ligacao, sendo mais facil de romper a ligacao, pareamento entre DNA e RNA, nas regioes A U, já que ha duas pontes de H aqui e nao tres. tendo portanto uma menor energia.
Neste momento o complexo fica fragilmente ligado apenas por uma região A:U. 
Imagina-se que isto facilite a liberação do transcrito recém sintetizado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Marilena
Nota
ha duas estruturas secundarias possiveis para a seq lider trp 1 a regiao 1 pareada com 2 e a 3 com a 4> grampo de transcricao pelo pareamento de 3 e 4 ou regiao 2 pareada com 3 e 1 e 4 nao pareadas. a presenca ou ausencia de trp determina qual sera a estrutura secundaria formada.null
Marilena
Nota
na ausencia de trp (tRNAtrp) o ribossomo parara antes de encontrar a estrutura de par de bases formada pelas regioes lideres 2 e 3... pag 549. na presenca de trp a transcricao geralmente termina no atenuador reduzindo a a quantidade de mRNA para os genes estruturais trp.
Na ausência de trp o ribossomo para na sequência líder, permitindo o pareamento 
das regiões 2 e 3, não formando assim o sinal de terminação de transcrição 
(pareamento das regiões 3 e 4). 
 
A transcrição, portanto, procede permitindo a produção 
de proteínas da via de biossíntese de trp. 
 
 
Na presença de trp o ribossomo não para na sequência líder, permitindo assim a 
formação do sinal de terminação de transcrição (pareamento das regiões 3 e 4). 
 
A transcrição, portanto para, não havendo a produção 
de proteínas da via de biossíntese de trp. 
 
 
 
 
Vídeo 5 
https://www.youtube.com/watch?v=42RqqAYs8Fk 
 
Vídeo 4 (parte B) 
https://www.youtube.com/watch?v=8aAYtMa3GFU 
 
Como visto anteriormente, a 
repressão é uma forma de 
controle negativo que age no nível 
transcricional. 
 
Contudo, uma forma mais rápida 
de controle é a inibição por 
feedback ou inibição pelo produto 
final, que age no nível proteico. 
 
Um exemplo é a via biossintética 
de triptofano em E. coli: a primeira 
enzima da via, anthranilate 
synthetase, possui um sítio de 
ligação ao produto final (trp). A 
interação do produto final com a 
enzima promove uma transição 
alostérica na mesma, reduzindo 
sua atividade pelo seu substrato. 
Fatores F’ contendo o operon lac são utilizados para o estudo das interações entre os diversos 
componentes do sistema; formam-se diploides parciais (=merozigotos). 
I-: repressor não funcional Oc: operador mutado, repressor não consegue se ligar a ele. 
O complexo CAP/cAMP se liga ao promotor, ativando a 
transcrição. 
 
A presença de glicose inibe a produção de (cAMP), 
impedindo a transcrição o operon lac, favorecendo, assim, 
a metabolização de glicose. 
 
A CAP (catabolite activator protein) se liga ao AMP cíclico (cAMP), que é uma 
molécula efetora.