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Expressão gênica 1
EXPRESSÃO GÊNICA
O termo expressão gênica refere-se ao 
processo em que a informação codificada 
por um determinado gene é decodificada 
em uma proteína. Teoricamente, a 
regulação em qualquer uma das etapas 
desse processo pode levar a uma 
expressão gênica diferencial. 
Expressão gênica 2
Objetivos da regulação da expressão gênica em 
bactérias e em organismos multicelulares
• Nas 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.
• Em organismos multicelulares a expressão 
gênica controlada regula um programa genético 
fundamental para o desenvolvimento 
embrionário e a diferenciação.
Expressão gênica 3
Como uma célula pode controlar as 
proteínas que ela faz?
• Controlando quando e como um determinado 
gene é transcrito;
• Controlando como um transcrito primário de 
RNA sofre o “splicing” ou é processado;
• Selecionando quais mRNAs são traduzidos;
• Ativando ou inativando seletivamente as 
proteínas depois da sua síntese.
Expressão gênica 4
Estrutura Gênica e Definição de Termos
• Gene: toda a seqüência de ácido nucléico que é 
necessária para a síntese de um polipeptídeo 
funcional ou molécula de RNA.
• Unidade de Transcrição : segmento de DNA que 
codifica a seqüência no transcrito primário.
• Promotor: a seqüência mínima necessária para 
que a transcrição se inicie corretamente.
• Elementos Regulatórios em Cis: elementos que 
regulam a iniciação da transcrição.
Expressão gênica 5
Expressão gênica 6
Diferenças na Iniciação da Transcrição 
em Eucariotos e Bactérias
• Enquanto as bactérias contêm um único tipo de 
RNA-polimerase, as células eucarióticas 
apresentam três: RNA-polimerase I, RNA-
polimerase II e RNA-polimerase III. 
• A RNA-polimerase bacteriana é capaz de iniciar a 
transcrição sem o auxílio de proteínas adicionais. 
As RNA-polimerases eucarióticas requerem a ajuda 
de um grande conjunto de proteínas chamadas 
fatores gerais de transcrição.
Expressão gênica 7
Diferenças na Iniciação da Transcrição 
em Eucariotos e Bactérias
• Em eucariotos as proteínas reguladoras da expressão 
gênica (repressores e ativadores) podem influenciar a 
iniciação da transcrição, mesmo quando estão ligadas ao 
DNA a milhares de pares de nucleotídeos distante do 
promotor. Em bactérias os genes são freqüentemente 
controlados por uma única seqüência 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.
Expressão gênica 8
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 “spliceosomes”).
• RNA-polimerase III – transcreve os genes de tRNAs, 
rRNA 5S e genes para pequenos RNAs estruturais.
Expressão gênica 9
Fatores Gerais de Transcrição
Os fatores gerais de transcrição são 
responsáveis pelo posicionamento correto 
da RNA-polimerase no promotor, ajudam na 
separação das fitas de DNA para permitir o 
início da transcrição, e liberam a RNA-
polimerase do promotor quando a 
transcrição se inicia.
Expressão gênica 10
Formação do Complexo de Iniciação 
da Transcrição
• TFIID liga-se a região TATA, possibilitando a 
ligação de TFIIB.
• Isso é seguido pela ligação de TFIIF e RNA-
polimerase II.
• TFIIE, TFIIH e TFIIJ então se juntam ao 
complexo.
• TFIIH usa ATP para fosforilar a RNA-
polimerase II, mudando a sua conformação de 
forma que a RNA-polimerase é liberada do 
complexo e é capaz de iniciar a transcrição. 
Etapas na formação do complexo de 
iniciação da transcrição em eucariotos
Expressão gênica 12
Estrutura tridimensional da Proteína que se liga 
a TATA (TATA-Binding Protein TBP)
Expressão gênica 13
Complexo TBP-DNA
Expressão gênica 14
Complexo TBP-TFIIA-DNA
Expressão gênica 15
Complexo TBP-TFIIA-TFIIB-DNA
Expressão gênica 16
Os Fatores Transcricionais Seletivos 
Aumentam a Atividade do Promotor
• Os promotores isoladamente são geralmente ineficientes. 
Fatores de transcrição seletivos que se ligam à região 
“upstream” e a “enhancers” aumentam a iniciação.
• Em alguns casos, proteínas adicionais (mediadores, 
coativadores) são requeridos para estimular a transcrição.
• Proteínas que se ligam a seqüências de “enhancer” devem 
atuar de forma semehante àquelas que se ligam próximas 
ao promotor. O DNA entre o “enhancer” e o promotor forma 
uma alça para permitir que as proteínas ativadoras ligadas 
ao “enhancer” façam contato com as proteínas ligadas ao 
promotor.
Expressão gênica 17
Domínios Funcionais dos Fatores 
Transcricionais Seletivos
• Domínio de ligação ao DNA - liga a proteína no sítio de 
ligação do DNA.
• Seqüências de localização nuclear – requeridas para 
transporte 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.
• Domínio de ligação de ligante – necessário para ligação 
de composto que pode funcionar como ativador do fator. 
Expressão gênica 18
Motivos de Ligação a DNA 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 constituido de uma -
hélice e uma folha  pregueada unidas por um íon zinco. Exemplos: 
receptores de hormônioo 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)
• 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 regulatório importante na 
determinação e diferenciação de músculo).
Expressão gênica 19
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. 
Expressão gênica 20
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 combinaçção necessária para ativar ou 
reprimir um gene. 
Um exemplo disso em humanos é o caso do receptor de 
glicocorticóide. Para se ligar aos sítos no DNA o receptor 
precisa formar um complexo com uma molécula de um 
hormônio esteróide (p.ex. cortisol). Em resposta aos 
hormônios glicocorticóides, as células do fígado aumentam a 
expressão de vários genes.
Expressão gênica 21
Efeito de uma Única Proteína Reguladora 
na Diferenciação
• Estudos comcélulas musculares em diferenciação, 
em cultura, possibilitaram a identificação de proteínas 
reguladoras importantes, expressadas somente em 
céleulas 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. 
Expressão gênica 22
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 flies e 
Pax6 em vertebrados) é crucial para o desenvolvimento do 
olho. Quando expressado num tipo celular apropriado, Ey 
pode desencadear a formação de um órgão inteiro (olho), 
composto de diferentes tipos de células, todas corretamente 
organizadas no espaço tridimensional.
Expressão gênica 23
Os processos de iniciação, alongamento, 
processamento e terminação da transcrição são 
acoplados em eucariotos
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
Expressão gênica 24
Acoplamento das 
maquinarias envolvidas 
na transcrição, capping, 
splicing e poliadenilação
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
Expressão gênica 25
Modelo de 
acoplamento de 
splicing a 
exportaçao do 
mRNA e 
decaimento 
mediado por 
nonsense (NMD)
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
Expressão gênica 26
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 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 sítos promotores.
– A ligação e dirupção dos nucleossomos por ativadores. 
Expressão gênica 27
Disrupção e Reorganização do Nucleossomo
• Complexos poderiam estar envolvidos na disrupção dos 
nucleossomos:
– Participação de fator GAGA e fator de remodelamento de 
nucleossomo (nucleosome-remodeling factor, NURF)
– Participação de 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 genica.
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Regiões Controladoras de Lócus (Locus 
Control Regions, LCRs)
• Regiões controladoras de lócus (LCRs) são seqüências de 
DNA essenciais para o estabelecimento de uma 
configuração “aberta” da cromatina. 
• Elas são capazes de inibir a repressão normal da transcrição 
sobre 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 gênica 30
Expressão gênica 32
Correlações entre a Metilação do Promotor 
e Inatividade Gênica
• Em células sangüíneas vermelhas de humanos e galinhas, o 
DNA envolvido na síntese de globina está completamente 
(ou quase completamente) não-metilado.
• O gene de ovalbumina de galinha ñão está metilado nas 
células do oviduto, mas metilado nos outros tecidos. 
• Nos somitos de camundongo, a demetilação de um 
“enhancer” de MyoD precede a transcrição de MyoD e é 
essencial para a especificação dessas células como 
precursoras de músculo.