Controle da expressão gênica procariontes

Prévia do material em texto

O controle da expressão 
gênica em procariontes
Mar
lise
BLG
 101
7 Bactérias têm grande capacidade de se 
adaptarem a diversas condições experimentais
Capacidade de ligar e 
desligar conjuntos de genes 
específicos
� Liga quando os 
produtos gênicos 
são necessários
� Desliga quando 
não são mais 
necessários
Economia de energia que 
pode ser utilizada para 
aumentar a taxa de 
crescimento do organismo
Quais são os mecanismos 
usados pelos procariontes para 
regular a expressão gênica em 
resposta a mudanças no 
ambiente?
2 CATEGORIAS GERAIS DE MECANISMOS
1.Ligação e desligamento rápido da expressão 
gênica em resposta a mudanças ambientais
2. Circuitos pré-programados ou cascatas de 
expressão gênica 
> Efeito no fenótipo
GENES
Constitutivos – continuamente expressos
Indutíveis – expressos apenas na presença de 
metabólitos específicos, os indutores
Genes para tRNAs, rRNAs, proteínas 
ribossômicas, subunidade de RNA-
polimerases, etc (manutenção)
Genes para enzimas envolvidas nas vias 
catabólicas de lactose, galactose, etc
“Repressíveis” – desligados quando na 
presença do produtos final de uma via 
biossintética (anabólica) triptofano
Genes reguladores
(codificam produtos que regulam a expressão de 
outros genes, por indução ou repressão)
Mecanismos de Controle + Mecanismos de Controle -
Produto do regulador 
necessário para ligar 
a expressão de 1 ou + 
genes estruturais
Produto do regulador 
necessário para 
desligar a expressão 
de 1 ou + genes 
estruturais
Produto do gene regulador
(proteína reguladora)
Liga-se ao sítio de ligação da proteína 
reguladora (RPBS) adjacente ao 
promotor do gene estrutural
ATIVADOR
(Sistema de 
controle +)
REPRESSOR
(Sistema de 
controle -)
PROTEÍNA REGULADORA
Liga ou não ao RPBS dependendo da presença ou 
ausência de MOLÉCULAS EFETORAS
(aminoácidos, açucares, etc) nas células 
Indutoras
(indução da 
expressão)
Co-repressoras
(repressão da 
expressão)
Moléculas efetoras (INDUTORES E CO-
REPRESSORES) ligam-se a produtos do 
gene regulador (ATIVADORES E 
REPRESSORES)
TRANSIÇÕES ALOSTÉRICAS 
(mudanças conformacionais na estrutura 
proteica resultantes da ligação de 
pequenas moléculas)
Alteração na atividade da proteína
PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE OS 4 
MECANISMOS
Produto do gene 
regulador
Ação Controle
Ativador Ligar a expressão 
gênica
positivo
Repressor Desligar a 
expressão gênica
negativo
Indutível: O ativador/repressor precisa estar 
ligado ao indutor/co-repressor para induzir a 
transcrição
Repressível: O ativador/repressor precisa estar 
ligado ao indutor/co-repressor para reprimir a 
transcrição
Controle positivo Sist. indutível Sist. repressível
Proteína reguladora Ativador Ativador
Molécula efetora Indutor Co-repressor
Efeito na 
transcrição
Ativador + Indutor 
= indução
Ativador + Co-repressor 
= repressão
Controle negativo Sist. indutível Sist. repressível
Proteína reguladora Repressor Repressor
Molécula efetora Indutor Co-repressor
Efeito na 
transcrição
Repressor + Indutor 
=indução
Repressor + Co-repressor = 
repressão
MODELO DO OPERON
Jacob & Monod, 1961: regulação coordenada da 
expressão gênica
Nobel de Medicina em 1965
OPERON 
INDUTÍVEL:
Repressor livre 
liga-se ao 
operador, 
desligando a 
transcrição
OPERON 
REPRESSÍVEL:
• Repressor livre 
não pode ligar-se 
ao operador
• Complexo 
repressor/molécula 
efetora (co-
repressor) é ativo 
e liga-se ao 
operador
OPERON DE LACTOSE –
MODELO DE J & M
I = codifica o repressor
P = promotor
O = operador
Genes estruturais:
lacZ = ββββ-galactosidase
lacY = ββββ-galactosídeo-
permease
lacA = ββββ-galactosídeo-
transacetilase
i p o z y a
Obs:
 Embora
 o
 
modelo
 de
 J
 &
 M
 
tivesse
 apenas
 
um
 operador
,
 +
 2
 
foram
 
descobertos
OPERON lac
• Indutível, controlado negativamente; catabólico 
repressível
• genes lacZ, lacY, lacA são expressos apenas na 
presença de lactose
• algumas moléculas dos produtos gênicos do 
operon lac são produzidas no estado não induzido, 
fornecendo nível baixo de atividade enzimática
Necessário para que a ββββ galactosidase 
converta lactose em alolactose
Indutor do operon
OPERON lac E CONSTRUÇÃO DE 
MEROZIGOTOS (DIPLÓIDES PARCIAIS)
• Mutações constitutivas em I e O (I- e Oc)
• Tipo selvagem monoplóide: I+P+O+Z+Y+A+
• Alelos selvagens dominantes sobre Z-Y-A-
• I+ dominante sobre I-
• Oc atua apenas em cis
REPRESSÃO CATABÓLICA
• = EFEITO DE GLICOSE
• glicose impede a indução do operon lac e de 
outros operons que controlam enzimas 
envolvidas no catabolismo de carboidratos
• assegura a metabolização preferencial da 
glicose
• mediada por proteína reguladora CAP 
(proteína ativadora do catabolismo) e molécula 
efetora de AMP cíclico (Controle +)
• Na ausência de cAMP, CAP não se liga ao promotor
• ↑↑↑↑ [glicose] →→→→ ↓↓↓↓ [cAMP]
• Na presença de glicose transcrição do operon lac 2% 
da induzida na ausência
Pelo mesmo mecanismo de repressão Pelo mesmo mecanismo de repressão 
catabcatabóólica, envolvendo cAMP e CAP, os lica, envolvendo cAMP e CAP, os 
operons de arabinose (operons de arabinose (araara) e galactose () e galactose (galgal) ) 
de de E. coliE. coli não são induzidos na presennão são induzidos na presençça de a de 
glicoseglicose
OPERON TRIPTOFANO
•• Genes estruturais sGenes estruturais sóó são transcritos quando são transcritos quando 
triptofano esttriptofano estáá ausente no meio ou presente em ausente no meio ou presente em 
↓↓↓↓↓↓↓↓ [ ][ ]
•• Controle da expressão do operon Controle da expressão do operon trptrp: : 
Repressão do inRepressão do iníício da transcricio da transcriççãoão
AtenuaAtenuaçção (tão (téérmino prematuro) da rmino prematuro) da 
transcritranscriçção quando triptofano ão quando triptofano éé
prevalente no meioprevalente no meio
O
PE
RO
N
 
T
RI
PT
O
FA
N
O
OPERON TRIPTOFANO
Repressão 
• Controle negativo
• gene trp codifica repressor trp e não está
ligado próximo ao operon trp
• O esta dentro de P1
• P2 = promotor fraco na ponta distal ao 
operador do gene trpD; ↑↑↑↑ nível basal de 
transcrição de trpC, trpB e trpA
• t e t’ = sequências de término
• trpL espceifica sequência líder do mRNA com 
162 nts
Taxa de transcriTaxa de transcriçção do operon ão do operon trptrp
no estado desreprimido (ausência de trp) no estado desreprimido (ausência de trp) éé
70 x a taxa do operon reprimido!70 x a taxa do operon reprimido!
Mutantes Mutantes trpRtrpR (repressor não(repressor não--funcional) funcional) 
tem taxa de transcritem taxa de transcriçção reduzida em 10X ão reduzida em 10X 
por atenuapor atenuaçção!ão!
MECANISMOS REGULADORES TRADUCIONAISMECANISMOS REGULADORES TRADUCIONAIS
• Frequência de início da tradução
• Velocidade de alongamento da cadeia 
polipeptídica
Os 3 genes estruturais 
do operon lac são co-
transcritos. Será que as 
qtds de seus produtos 
gênicos são iguais em 
uma E.coli?
Em uma E.coli crescendo em meio rico em lactose:
• 3.000 moléculas de ββββ-galactosidase
• 1.500 moléculas de ββββ-galactosídeo-permease
• 600 moléculas de ββββ-galactosídeo transacetilase
Controle pós-transcricional!
Procariontes
Transcrição Tradução
Degradação
do mRNA
Produtos gênicos podem ser feitos em qtds diferentes 
a partir dos mesmos transcritos:
1) Eficiências diferentes do início da tradução nos 
códons iniciais ATG de genes diferentes
2) Eficiências alteradas de movimento de ribossomos 
por regiões intergênicas de um transcrito
3) Taxas diferenciais de degradação de regiões 
específicas do mRNA
PROTEÍNAS RIBOSSOMAIS DE E. coli:
Exemplo de mecanismos controladores em nível de 
tradução
Grupo de genes da proteína ribossômica S10
• 11 genes co-transcritos
• qtds equimolares na montagem do ribossomo
• síntese coordenada com transcrição de rRNA
• produto de um dos genes inibe a tradução do 
transcrito multigênico
AutoAuto--regularegulaçção negativa ou Regulaão negativa ou Regulaçção ão 
autautóógena negativagena negativa
MECANISMOS REGULADORES PMECANISMOS REGULADORESPÓÓSS--TRADUCIONAISTRADUCIONAIS
• Inibição por feedback – o produto de uma via 
biossintética inibe a atividade da primeira enzima 
da via, interrompendo rapidamente a síntese do 
produto
• Ativação da enzima – substrato ou outra 
molécula efetora acentua a atividade da enzima, 
aumentando a taxa de síntese do produto da via 
biossintética
Levam a transições 
alostéricas
MECANISMOS REGULADORES PMECANISMOS REGULADORES PÓÓSS--TRADUCIONAISTRADUCIONAIS
Inibição 
por 
feedback