Regulação Expressão Gênica

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CONTROLE DA EXPRESSÃO GÊNICA
PROCARIONTES
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Estrutura Gênica e Definição de Termos
Gene: toda a sequência de ácido nucleico que é necessária para a síntese de um polipeptídio funcional ou molécula de RNA.
Promotor: a sequência mínima necessária do DNA que é reconhecida pela RNA polimerase para que a transcrição se inicie corretamente. Faz parte do gene.
Elementos Reguladores em Cis: segmentos de DNA que antecedem a sequência codificadora e regulam a iniciação da transcrição. Fazem parte do gene.
Unidade de Transcrição: segmento de DNA que codifica a sequência no transcrito primário.
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Estrutura Gênica e Definição de Termos (2)
Transcrição: processo de formação de RNA a partir de uma fita molde de DNA.
Splicing: Corte seletivo do transcrito primário.
Transcrito primário: segmento de RNA com os introns e os exons.
Exon: segmento do DNA que é transcrito em RNA e traduzido em proteína.
Intron: Segmento de DNA que é transcrito para o RNA, mas é cortado antes da tradução.
Tradução: processo de formação de uma proteína nos ribossomos usando o RNAm para determinar a sequência de aminoácidos.
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EXPRESSÃO GÊNICA 
A expressão gênica é o processo em que a informação contida em um determinado gene é decodificada em uma proteína. 
Regulação da expressão gênica em qualquer uma das etapas do processo pode levar a uma expressão gênica diferencial. 
Expressão constitutiva ocorre para genes indispensáveis à sobrevivência, os quais expressam-se em todas as células, o tempo todo.
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Objetivos da regulação da expressão gênica
Bactérias:
 O controle da expressão gênica serve principalmente para permitir que as células se ajustem às mudanças nutricionais no ambiente, de forma que o seu crescimento e divisão sejam otimizados.
Organismos multicelulares:
 a expressão gênica controlada regula um programa genético fundamental para o desenvolvimento embrionário e a diferenciação.
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Expressão gênica 
em 
bactérias
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Operon de E. coli
Operon
 Séries de genes que codificam para produtos específicos e os elementos reguladores que controlam esses genes.
Lac operon
 Segmento de DNA necessário para a produção de enzimas responsáveis pelo metabolismo da lactose.
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Lac operon - Definição
Genes estruturais para o metabolismo da lactose são expressos apenas quando a lactose está presente no meio de incubação da bactéria.
Como o operon controla a expressão dos genes?
Repressão
Ativação
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Partes do Lac operon 
Operador (O)
 segmento do DNA no qual se liga uma proteína inibidora que bloqueia a transcrição.
Promotor (P)
 segmento do DNA reconhecido pela RNA polimerase e que promove a transcrição.
 Genes estruturais (z, y, a)
 Genes que codificam para polipeptídeos específicos.
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Partes do Lac Operon
Lac operon
Sequência que codifica a proteína repressora (i) e seu promotor 
(p)
p = promotor
o = operador
z, y, a = genes estruturais
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Repressão
Quando a lactose está ausente:
Um proteína repressora liga-se ao DNA na sequência do operador (o) e impede a ligação da RNA polimerase ao DNA
Resultado: Não ocorre transcrição dos genes que codificam para as enzimas que metabolizam lactose (z, y, a).
O controle da transcrição é devido ao gene regulador (i) que codifica para a produção da proteína repressora.
 A sequência de DNA que codifica a proteína repressora (i) não faz parte do Lac operon.
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Ativação
 Início da transcrição só ocorre quando a proteína repressora é retirada.
 Quando a lactose está presente, liga-se à proteína repressora no operador (o)
Resultado: A proteína repressora desliga-se do DNA e a RNA polimerase pode iniciar a transcrição dos genes estruturais (z, y, a).
Lactose é o indutor da expressão gênica, pois sua presença resulta na indução da expressão dos genes.
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REPRESSÃO
ATIVAÇÃO
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Expressão Gênica em 
Eucariotos
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Expressão Gênica em Eucariotos
 Genomas são muito maiores em eucariotos do que em procariotos.
 DNA dos eucariotos está localizado em vários cromossomos ao invés de um único cromossomos circular dos procariotos.
 Os eucariotos são geralmente multicelulares:
 Diferentes tipos células precisam produzir diferentes proteínas;
 Nem todos os genes serão expressos em todas as células.
 Não são encontrados operons nos eucariotos.
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Como uma célula eucariótica controla quais proteínas que ela fabrica?
Controlando quando e como um determinado gene é transcrito;
Controlando como um transcrito primário de RNA sofre o “splicing” ou é processado;
Selecionando quais RNAm são traduzidos;
Ativando ou inativando seletivamente as proteínas depois da sua síntese.
 Controlando a velocidade de degradação das proteínas ativas.
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Pontos de controle da expressão gênica em eucariotos
Morfogênese: plantas vs. animais
Animais:	
Movimentos de células e tecidos são necessários no desenvolvimento embrionário para chegar à forma final do organismo.
Continuidade do desenvolvimento nos adultos restrito à diferenciação de células continuamente repostas ao longo da vida.
Plantas:		
Morfogênese e crescimento ao longo de toda a vida da planta; 
Meristemas apicais mantém-se com características embrionária, responsáveis pelo contínuo crescimento das plantas.
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Expressão gênica diferencial
As diferenças entre células advém das diferença na expressão gênica (genes ligados e desligados), e não da diferença nos genomas.
Evidências:
Equivalência Genômica: todas as células de um organismo tem os mesmos genes.
Totipotência: células podem manter o potencial zigótico para formar todas partes do organismo maduro (células vegetais; clonagem)
Determinação: restrição do potencial de desenvolvimento, resultando na limitação das possibilidades de desenvolvimento de cada célula à medida que o embrião se desenvolve; alteração nos RNAm transcritos.
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Técnicas para detectar
expressão gênica diferencial
Eletroforese bidimensional
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Microarray -  é uma técnica experimental da Biologia Molecular que busca medir os níveis de expressão de transcritos em larga escala, ou seja, medindo muitos (em alguns casos todos os) transcritos simultaneamente. 
Proteoma - é o conjunto de proteínas e variantes de proteínas que podem ser encontrados numa célula específica quando esta está sujeita a um certo estímulo. O termo foi criado em 1995 pelo pesquisador Marc Wilkins. Grosso modo, é o equivalente proteico do genoma. O projeto proteoma humano dedica-se a aplicar a proteômica aos seres humanos.
Determinação  Diferenciação
Determinação: à medida que o embrião se desenvolve, o destino possível de cada célula torna-se mais limitado.
Diferenciação: especialização das células depende do controle da expressão gênica.
Indução: a habilidade de um grupo de células embrionárias em influenciar o desenvolvimento de outro; determinantes citoplásmicos que regulam a expressão gênica. (efeito de vizinhança)
Genes homeóticos: genes que controlam o plano corporal global através do controle do destino de desenvolvimento de grupos de células.
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Diferenças na iniciação da transcrição entre eucariotos e bactérias (1)
RNA-polimerase:
 Bactérias contêm um único tipo de RNA-polimerase, 
 Células eucarióticas apresentam três tipos:
 RNA-polimerase I 
 RNA-polimerase II 
 RNA-polimerase III 
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Início da transcrição:
 A RNA-polimerase bacteriana é capaz de iniciar a transcrição sem o auxílio de proteínas adicionais. 
 As RNA-polimerases eucarióticas precisam da ajuda de várias proteínas: os fatores gerais de transcrição. 
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Diferenças na Iniciação da Transcrição em Eucariotos e Bactérias (2)
Sequências reguladoras:
 Em eucariotos, tais sequências podem estar localizadas no DNA a milhares de pares de nucleotídeos distante do promotor de um gene; 
 Em bactérias, os genes são frequentemente controlados por uma
única sequência regulatória, tipicamente localizada próxima ao promotor.
 A iniciação da transcrição em eucariotos deve levar em consideração a compactação do DNA nos nucleossomos e as formas mais compactas da estrutura da cromatina.
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As Três RNA-Polimerases das Células Eucarióticas
 RNA-polimerase I - transcreve os genes para rRNA.
 RNA-polimerase II - transcreve todos os genes que codificam proteínas, mais alguns genes que codificam pequenos RNAs (p.ex., aqueles presentes nos “spliceossomos”).
 RNA-polimerase III – transcreve os genes de tRNAs, rRNA 5S e genes para pequenos RNAs estruturais.
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Fatores Gerais de Transcrição
 Os fatores gerais de transcrição são proteínas responsáveis:
 pelo posicionamento correto da RNA-polimerase no promotor; 
 ajudam na separação das fitas de DNA, para permitir o início da transcrição;
 liberam a RNA-polimerase do promotor quando a transcrição se inicia.
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Etapas na formação do complexo de iniciação da transcrição em eucariotos
TFIID liga-se a região TATA, possibilitando a ligação de TFIIB.
A seguir ligam-se o TFIIF e RNA-polimerase II.
TFIIE, TFIIH e TFIIF então se juntam ao complexo.
TFIIH usa ATP para fosforilar a RNA-polimerase II, mudando a sua conformação e liberando a RNA-polimerase do complexo e Início da transcrição. 
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Fatores de Transcrição Seletivos
Os promotores isolados são geralmente ineficientes. Fatores de transcrição seletivos ligam-se à região “upstream” (rio acima) e a “enhancers” (potenciador) e aumentam a iniciação da transcrição.
Proteínas adicionais (mediadores, coativadores) podem ser necessárias para estimular a transcrição.
Proteínas que se ligam a sequências de “enhancer” devem atuar de forma semelhante àquelas que se ligam próximas ao promotor. 
O DNA entre o “enhancer” o promotor forma uma alça para permitir que as proteínas ativadoras ligadas ao “enhancer” façam contato com as proteínas ligadas ao promotor.
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As proteínas reguladoras da expressão gênica (repressores e ativadores) podem influenciar a iniciação da transcrição, mesmo quando estão ligadas no DNA a milhares de pares de nucleotídeos distante do promotor. 
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Fatores de Transcrição Seletivos
Fatores de transcrição seletivos
Fatores de transcrição gerais
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Domínios Funcionais dos Fatores de Transcrição Seletivos 
São sequências de aminoácidos no fator de transcrição:
Domínio de ligação ao DNA - liga a proteína no sítio de ligação do DNA.
Sequências de localização nuclear – necessárias para o transporte da proteína para dentro do núcleo. 
Domínio de ativação transcricional - realiza o contato com os fatores gerais de transcrição.
Região de dimerização – requerido para formar homo ou heterodímeros com outras proteínas.
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Domínio de ligação de ligante – necessário para ligação de composto que pode funcionar como ativador do fator. 
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Motivos de ligação nos fatores de transcrição
Homeodomínio – consiste de três -hélices adjacentes. A maior parte do contato com as bases do DNA é feita pela hélice 3. Exemplos: proteínas Hox e outras proteínas reguladoras do desenvolvimento.
Dedo de zinco (Zinc finger) - Esse motivo é constituído de uma -hélice e uma folha  pregueada unidas por um íon zinco. Exemplos: receptores de hormônios esteróides, Sp1.
Região básica e zíper de leucina (ou bZip) – A região básica serve para o contato com o DNA e o zíper de leucina serve para a formação do dímero. Exemplos: Fos, Jun (complexos Fos-Jun teriam função central na mediação de resposta nuclear a sinais na superfície celular).
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Hélice-alça-hélice – Contém um motivo estrutural muito semelhante a b-zip, exceto que uma alça não helicoidal separa as duas -hélices em cada monômero. Exemplo: MyoD (fator regulador importante na determinação e diferenciação de músculo).
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Zipper de leucina
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Genes Eucarióticos São Regulados por Combinação de Proteínas
A maioria das proteínas reguladoras de genes atuam como parte de um “comitê” de proteínas reguladoras, todas essenciais para a expressão de um determinado gene na célula correta, em reposta a uma dada condição, no tempo certo e no nível requerido.
O termo controle combinatorial refere-se a forma como grupos de proteínas trabalham juntas para determinar a expressão de um único gene. 
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Ação de fatores de transcrição gerais e seletivos
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Uma única proteína pode coordenar a expressão de diferentes genes
Embora o controle da expressão gênica em eucariotos seja combinatorial, o efeito de uma única proteína reguladora pode ser decisiva para ligar e desligar, simplesmente completando a combinação necessária para ativar ou reprimir um gene. 
Exemplo: Em seres humanos, o receptor de glicocorticoide. Para se ligar aos sítios no DNA, o receptor precisa formar um complexo com uma molécula de um hormônio esteroide (p.ex. cortisol). Em resposta aos hormônios glicocorticoides, as células do fígado aumentam a expressão de vários genes. 
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Efeito de uma única proteína reguladora na diferenciação celular
 Estudos com células musculares em diferenciação, em meio de cultura, possibilitaram a identificação de proteínas reguladoras importantes, expressadas somente em células musculares, que coordenam a expressão gênica. 
 Quando o gene que codifica uma dessas proteínas reguladoras, MyoD, é introduzido em fibroblastos, eles passam a se comportar como mioblastos e fundem-se para formar células semelhantes às musculares. 
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Um Único Gene que Codifica uma Proteína Reguladora Pode Estimular a Formação de um Órgão Inteiro
Estudos sobre o desenvolvimento de olho em Drosophila, camundongo e humanos mostraram que um único gene que codifica uma proteína reguladora (Ey em moscas e Pax6 em vertebrados) é crucial para o desenvolvimento do olho.
Quando expressado num tipo celular apropriado, Ey pode desencadear a formação do órgão inteiro (olho), composto de diferentes tipos de células, todas corretamente organizadas no espaço tridimensional.
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Influência da Estrutura da Cromatina na Transcrição em Eucariotos
A maior parte do DNA em uma célula eucariótica está complexada nos nucleossomos e a estrutura espiralada dificulta o acesso de fatores de transcrição e da RNA-polimerase.
 A iniciação da transcrição depende da remoção dos nucleossomos da região promotora do gene.
Durante a síntese de DNA, quando os nucleossomos são substituídos, poderia haver competição entre as histonas e os fatores de transcrição (p.ex. TFIID) pelos sítios promotores.
A ligação e ruptura dos nucleossomos por ativadores. 
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Empacotamento do DNA 
e a 
expressão gênica
O empacotamento do DNA ao redor das histonas pode silenciar grandes trechos do genoma, às vezes de maneira não reversível em determinados tipos celulares.
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Ruptura e Reorganização 
do 
Nucleossomo
Complexos poderiam estar envolvidos na ruptura dos nucleossomos:
Participação de fator GAGA e fator de remodelamento de nucleossomo (nucleosome-remodeling factor, NURF)
Participação do complexo SW1/SNF 
Existe uma boa correlação entre acetilação de histona e a atividade transcricional da cromatina.
Competição entre histonas e fatores de transcrição poderia estar envolvida no controle da expressão gênica.
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Desmontagem dos nucleossomos
Enquanto o TATA box está enovelado no nucleossomo, não se inicia a ligação dos fatores gerais de transcrição.
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Regiões Controladoras de Locus (Locus Control Regions - LCRs)
Regiões controladoras de lócus (LCRs) são sequências de DNA essenciais para o estabelecimento de uma configuração “aberta” da cromatina. 
Elas são capazes de inibir a transcrição normal de áreas relativamente grandes contendo vários genes. Um dos mais bem estudados é o LCR que controla a expressão tecido-específica da família de -globin.
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Expressão diferencial
em função da etapa do desenvolvimento
Vida intra-uterina
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“Splicing” diferencial do transcrito primário
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Metilação do promotor e inatividade gênica
Em células sanguíneas vermelhas de humanos e de galinhas, o DNA que codifica para a síntese de globina está completamente (ou quase completamente) não-metilado.
O gene de ovalbumina de galinha não está metilado nas células do oviduto, mas metilado nos outros tecidos. 
Nos somitos de camundongo, a demetilação de um “enhancer” de MyoD antecede a transcrição do gene MyoD e é essencial para a especificação dessas células como precursoras de músculo.
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Um pouco de regulação da expressão gênica nos separa dos ...
Genomas 98,5% idênticos
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