02 Controle da expressão genica

Prévia do material em texto

GENÉTICA VETERINÁRIA 
CONTROLE DA EXPRESSÃO GÊNICA 
Biologia Molecular Básica – Módulo III: Avançado Organização gênica – Aula 1 
Profª. Christina Gaspar Villela – Extensão de Biologia – Fundação CECIERJ/CEDERJ 2
a produção de uma proteína. Portanto, 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 dos genes que codificam proteínas e 
dos genes que codificam RNAs funcionais. 
A partir de um DNA molde até a produção de uma proteína funcional, 
existem vários pontos que podem influenciar a expressão gênica. A 
Figura 1 ilustra tais pontos. 
 
 
 
 
 
 
2. Por que regular a expressão gênica? 
Alguns produtos gênicos, como as moléculas de tRNA, rRNA, proteínas 
ribossomais, RNA polimerase e enzimas que participam de processos 
metabólicos essenciais, são chamados moléculas de “manutenção”, 
pois são componentes essenciais de quase todas as células de 
qualquer organismo vivo. Os genes responsáveis pela produção dessas 
moléculas de “manutenção” são expressos continuamente e são, por 
isso, chamados genes constitutivos. Em contrapartida, a quantidade 
de genes em uma determinada célula, ou tipo celular, é muito maior do 
que o número de proteínas necessário para o funcionamento daquela 
célula. A expressão desnecessária de genes e a conseqüente produção 
de proteínas resultariam em um gasto energético muito grande. Então 
podemos concluir que é vantajoso regular a transcrição, modulando 
assim os níveis de RNAs que são produzidos em um determinado 
momento da vida daquela célula. Se pensarmos em termos evolutivos, a 
existência de um mecanismo de regulação provavelmente ofereceu aos 
organismos uma vantagem seletiva sobre os organismos que não o 
possuíam, e por isso muitos dos organismos – como bactérias 
Figura 1: Diferentes etapas do fluxo da informação gênica e os diferentes 
pontos em que a produção de uma proteína funcional pode ser regulada. 
•  Expressão	gênica	
•  Importância	do	controle	da	expressão	gênica	
•  Genes	cons7tu7vos	
•  Genes	reguladores	
1.   Controle	 posi7vo:	 o	 produto	 do	 gene	 regulador	
a7va	 a	 expressão	 de	 um	 ou	 mais	 genes	
estruturais.	ATIVADOR	
2.   Controle	 nega7vo:	 o	 produto	 do	 gene	 regulador	
desa7va	 a	 expressão	 de	 genes	 estruturais.	
REPRESSOR	
Controle	da	expressão	gênica	em	procariotos	
•  Moléculas	indutoras:	par=cipam	em	conjunto	com	
um	a=vador.	
•  Moléculas	 co-repressoras:	 par=cipam	 em	
conjunto	com	um	repressor.	
Controle	da	expressão	gênica	em	procariotos	
	
•  Regulação	 nega7va:	 o	 repressor	 está	 ligado	 ao	
operador	na	ausência	da	molécula	co-repressora.		
	
•  Regulação	posi7va:	o	a=vador	se	liga	ao	operador	
na	 ausência	 da	 molécula	 indutora,	 a=vando	 a	
transcrição.		
Controle	da	expressão	gênica	em	procariotos	
	
•  mRNAs	 policistrônicos	 (poligênicos):	 um	 mesmo	
transcrito	codifica	mais	de	uma	proteína.		
•  Operon:	 conjunto	 de	 genes	 funcionalmente	
relacionados,	sendo	expressos	em	um	único	mRNA.		
Controle	da	expressão	gênica	em	procariotos	
Controle	da	expressão	gênica	em	procariotos	
Biologia Molecular Básica – Módulo III: Avançado Organização gênica – Aula 1 
Profª. Christina Gaspar Villela – Extensão de Biologia – Fundação CECIERJ/CEDERJ 6
repressor (gene I), que possui seu próprio promotor. A Figura 2 ilustra 
o arranjo dos diferentes componentes do Operon Lac. 
 
 
 
 
 
O operador ao qual ele se liga mais fortemente (chamado O1) 
encontra-se ao lado do sítio de início da transcrição. O gene I é 
transcrito a partir do seu próprio promotor (P1) e é independente 
dos genes do Operon Lac. O Operon Lac possui, ainda, outros dois 
operadores secundários, aos quais se liga o repressor lac. O operador 
O2 está localizado próximo à posição +410 (dentro do gene que codifica 
para a ǃ-galactosidase). Já o operador O3 está localizado próximo à 
posição –90 (dentro do gene I, que codifica o repressor). O repressor 
Lac se liga ao operador principal O1 e a um dos operadores secundários 
(O2 ou O3). Como conseqüência, ocorre a formação de uma alça 
formada pelo DNA presente nos dois sítios de ligação. A formação da 
alça bloqueia o início da transcrição, pois “esconde” o promotor dos 
genes Z, Y e A. Veja na Figura 3 a estrutura da alça. 
 
 
 
 
 
 
 
Quando a lactose está disponível, o Operon Lac é induzido. Uma 
molécula indutora (sinal) se liga a um sítio específico do 
repressor Lac, causando uma mudança conformacional que leva à 
dissociação entre o repressor e o operador. O indutor do sistema 
Figura 2: Operon Lac de Escherichia coli. 
Figura 3: O repressor 
Lac se liga ao 
operador principal 
(O1) e a um dos 
operadores 
secundários (O2 ou 
O3), formando uma 
alça no DNA que 
envolve o repressor. 
Operon	Lac	–	E.coli	
Controle	da	expressão	gênica	em	procariotos	
Operon	Lac	–	E.coli	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
•  Mul7celular	
•  Expressão	de	10%	dos	genes	
•  Regulação	da	expressão	gênica	em	cada	tecido	
•  “Cascata”	 de	 regulação:	 circuitos	 de	 expressão	
gene=camente	pré-programados		
•  Genes	reguladores	chaves	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
pode ativar a expressão de vários outros, dentre os quais novos genes que 
passarão a regular os futuros passos do processo. Assim, a morfogênese é 
um processo coordenado de regulação seqüencial da expressão gênica. 
 As informações anteriores demonstram que os vários caminhos de 
diferenciação celular desenvolvidos a partir do zigoto seguem um “circuito 
pré-programado de expressão gênica”, no qual um evento inicial 
(fecundação) ativou um conjunto de genes. Dentre os genes ativados, alguns 
têm função reguladora, atuando tanto na ativação de um segundo conjunto 
de genes quanto na inativação de genes do primeiro conjunto. Desse segundo 
conjunto de genes alguns são também reguladores, ativando a expressão de 
um terceiro conjunto de genes, e assim por diante. A ordem seqüencial da 
expressão desses genes é, portanto, geneticamente pré-programada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1: Diferenciação celular. Uma célula zigoto dá origem a uma vasta 
gama de fenótipos celulares diferentes no organismo adulto. As células de 
músculo e de neurônio são apenas exemplos dentre os muitos tipos celulares 
que exibem fenótipos altamente divergentes em animais. 
 
 
 
 
 
Vá ao texto complementar Desenvolvimento embrionário no homem, 
que está na plataforma e acompanhe as etapas da morfogênese. 
Tenho certeza de que você vai gostar! 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Classificação	dos	genes	-	Regulação	
	
•  Expressão	cons7tu7va	(genes	cons7tu7vos):	
manutenção	das	funções	essenciais		
	
•  Genes	regulados	e	induzíveis:	indução	pelo	
ambiente		
Esses diversos passos podem ser individualmente regulados. Em 
outras palavras: se algum desses passos sofrer interferência, a quantidade 
ou a funcionalidade do produto final do gene em questão serão também 
afetadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Esquema ilustrativo das diversas etapas nas quais a expressão de 
um gene de eucarioto pode ser regulada. 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
1)  Regulação	transcricional	
2)  Regulação	pós-transcricional	
3)  Regulação	traducional	
4)  Regulação	pós-traducional	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
1)	Regulação	transcricional	
	
	
•  Remodelamento	da	croma7na	
•  Ligaçãode	proteínas	reguladoras	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Remodelamento	da	croma7na	
	
•  Nucleossomos:	transcricionalmente	ina7vos	
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3: Correlação entre o nível de compactação da cromatina e a 
ocorrência de transcrição. A transcrição é observada em regiões onde o 
DNA não está compactado. 
 
 Os mecanismos através dos quais a célula controla os níveis de 
condensação do cromossomo dar-se-ão através de modificações na 
estrutura do DNA e das histonas capazes de provocar tal controle. Tais 
modificações correspondem à adição, ou remoção, de radicais à molécula de 
DNA ou às proteínas histonas a ele associadas. Dentre essas modificações, 
destacam-se os processos de metilação do DNA e metilação, acetilação e 
fosforilação das histonas. 
 
5.2. REGULAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO POR PROTEÍNAS REGULADORAS 
 A transcrição em eucariotos é realizada por três RNA polimerases 
distintas (I, II e III). Dentre elas, a RNA polimerase II (RNA pol II) é a 
responsável pela produção dos RNA mensageiros, que, por sua vez, serão 
traduzidos para a produção de proteínas. A RNA pol II se acopla às regiões 
promotoras dos genes (Caixa TATA e Caixa CAAT) com o auxílio de vários 
fatores de transcrição. A partir de então, tem início a fase de elongação da 
transcrição. 
 Nesta aula, você já viu que em cada tecido ou condição do organismo 
eucarioto um conjunto específico de genes será transcrito, enquanto os 
demais genes permanecerão inativos. Se as seqüências conservadas, “Caixa 
TATA” e “Caixa CAAT”, estão presentes nos promotores de praticamente 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Remodelamento	da	croma7na	
•  Me7lação	do	DNA		
•  Me7lação,	 ace7lação	 e/ou	 fosforilação	 das	
histonas		
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Ligação	de	proteínas	reguladoras	
•  RNA	 pol	 II:	 produção	 de	 RNAm	 (Caixas	 TATA	 e	
CAAT	–	fatores	de	transcrição)	
•  Proteínas	 reguladoras:	 reconhecimento	 (sí=os	 de	
ligação)	 e	 acoplamento	 –	 a7vadoras	 ou	
repressoras	
	
	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
2)	Regulação	pós-transcricional	
	
•  Emenda	alterna7va	de	éxons	ou	splicing		
•  Edição	do	RNAm	
•  Estabilidade	do	RNAm		
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Emenda	alterna7va	de	éxons	(splicing)	
 São descritos diferentes mecanismos de regulação pós-transcricional. 
Como nossa intenção não é esgotar este assunto, destacaremos três 
mecanismos principais: 
1. Emenda alternativa de éxons ou splicing 
2. Edição do RNAm 
3. Estabilidade do RNAm 
 
6.1. REGULAÇÃO DO PROCESSO DE “EMENDA ALTERNATIVA DE 
ÉXONS” 
 A retirada de íntrons e a emenda dos éxons compõem um passo 
crucial do processamento do RNA em eucariotos. Esse processo permite a 
eliminação das seqüências correspondentes aos íntrons do transcrito 
primário (pré-RNAm) e a subseqüente reunião (emenda) dos éxons. 
 Muitos genes de eucariotos apresentam um elevado número de 
íntrons. Teoricamente, todos eles devem ser retirados durante o 
processamento do pré-RNAm. Assim, no decorrer do processo, os diversos 
éxons deverão ser emendados. As células utilizam o processamento do 
RNA como uma importante forma de regulação da expressão gênica. 
Tal mecanismo é denominado emenda alternativa de éxons e consiste 
em selecionar os éxons que serão emendados para compor o RNAm final. 
Dessa forma, um mesmo pré-RNAm pode dar origem a duas ou mais formas 
alternativas de RNAm, em função dos éxons utilizados na montagem de cada 
uma. Conseqüentemente, cada um desses RNAms variantes dará origem a 
uma diferente forma da proteína, na qual domínios estarão presentes ou 
ausentes em função dos éxons que compõem os respectivos RNAms. Esse 
fenômeno é conhecido em Biologia Molecular por splicing (terminologia 
inglesa que significa união). 
 
 
 
 
 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Edição	do	RNAm	
	
	
•  Inserção,	deleção	ou	modificação	de	nucleo]deos	
	
Ex.:	Apolipoproteína	
(remoção	de	colesterol	dos	tecidos)	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Apolipoproteína:	^gado	
	
•  Inserção,	deleção	ou	modificação	de	nucleo]deos	
Ex.:	Apolipoproteína	
Apolipoproteína:	intes7no	
	
•  Inserção,	deleção	ou	modificação	de	nucleo]deos	
Ex.:	Apolipoproteína	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Estabilidade	do	RNAm		
•  RNAm:	período	de	“vida	ú=l”	
•  Duração	no	citoplasma:	estabilidade	do	RNAm	
•  Degradação:	remoção	da	cauda	poliA	
(desadenilação)	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Estabilidade	do	RNAm		
•  RNAm:	período	de	“vida	ú=l”	
•  Duração	no	citoplasma:	estabilidade	do	RNAm	
•  Degradação:	remoção	da	cauda	poliA	
(desadenilação)	
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5: Esquema ilustrando o mecanismo de degradação de RNAm 
dependente de desadenilação. O primeiro passo no processo de degradação 
é a remoção da cauda poliA realizada por enzimas denominadas 
desadenilases. A seguir, a estrutura capacete 5’ é rapidamente removida e o 
resto do RNAm é rapidamente atacado por exonuclease. 
 
 
 
 
 A regulação dos processos de degradação do RNAm tem sido 
amplamente estudada. De maneira geral, os modelos sugerem a existência 
de proteínas capazes de se associar às extremidades “capacete” e “cauda 
poliA” dos RNAms, inibindo ou promovendo a ação das enzimas de 
degradação. Assim, se as proteínas associadas aos transcritos de um dado 
gene forem estabilizadoras, o processo de degradação será inibido, 
resultando em maior estabilidade do mRNA. Entretanto, se as proteínas 
associadas forem desestabilizadoras, a degradação será induzida, 
resultando em menor vida-média daqueles transcritos. Tal modelo explica 
como os transcritos de um dado gene apresentam estabilidade “média” 
maior (ou menor) que os demais. 
Você poderá entender melhor este mecanismo de controle da expressão 
gênica acessando a animação Regulação pós-transcricional na plataforma! 
Aproveite! 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
3)	Regulação	da	tradução	
	
Presença	de	regiões	codificadoras	adicionais		
Tradução Códon de iniciação (AUG) 
Regiões (anteriores) codificadoras de pequenos peptídeos 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
4)	Regulação	pós-traducional	
	
Modificações	pós-traducionais:	
Processamento	 de	 polipepVdeos	 (clivagem	
proteolí=ca	 ou	 adição	 de	 grupos)	 conferindo	
estrutura	 ideal	 para	 o	 desempenho	 de	 sua	
função	biológica.	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
4)	Regulação	pós-traducional	
	
Controle	da	estabilidade	da	proteína:	
Mecanismos	 regulados	 de	 degradação	 da	
proteína.	
	
Ex.:	Vias	de	degradação	ubiqui7na-proteassomo		
	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
Via	de	degradação	ubiqui7na-proteassomo		
 
Controle	da	expressão	gênica	em	eucariotos	
2)	Regulação