Controle da expressão gênica em eucariotos

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Controle da expressão gênica em eucariotos
Na etapa de transcrição, as modificações da cromatina são fundamentais na regulação. Determinados RNAs não codificam proteínas, mas participam da expressão gênica.
1- Os genes podem ser regulados em diferentes etapas da expressão gênica
A expressão de um gene envolve modificação da cromatina, para possibilitar a transcrição e gerar uma molécula precursora de RNA no núcleo da célula. As células apresentam mecanismos de regulação em todas etapas da expressão gênica. O RNA precursor sintetizado sofre modificações para gerar o mRNA maduro, que será traduzido em uma cadeia polipeptídica.
2- Regulação do início da transcrição
Após um determinado sinal, proteínas ativadoras da transcrição ligam-se às sequências reguladoras dos genes para promover o recrutamento da RNA-polimerase II. A RNA-polimerase II pode estar ligada a promotores de muitos genes, que não estariam sendo expressos, antes de algum sinal específico de ativação. 
3- Fatores de transcrição
Os fatores de transcrição reconhecem as sequências reguladoras dos elementos promotores. Classes de fatores de transcrição:
- Fatores de transcrição basais (FTBs): necessários para expressão de todos os genes transcritos pelo mesmo tipo de RNA-polimerase, presente na maioria das células.
- Fatores de transcrição específicos: responsáveis pela expressão de genes que codificam proteínas restritas para um determinado tipo ou momento celular. São eles: Ativadores, coativadores, repressores e correpressores da transcrição.
3.1- Ativadores e repressores da transcrição
Muitas proteínas envolvidas na regulação da transcrição atuam na reorganização da estrutura da cromatina, possibilitando a ativação da transcrição. Os ativadores, constituídos por domínios funcionais possibilitam o transporte para o núcleo, o reconhecimento das sequências reguladoras dos genes, a ativação da transcrição e a interação com outras proteínas. Os repressores também apresentam domínios bem definidos: um domínio de ligação ao DNA e um domínio de repressão.
3.2- Motivos presentes em proteínas que se ligam ao DNA
Dedo de zinco, homeodomínio e hélice-alça-hélice são os fatores que representam mais e 80% do repertório de fatores de transcrição.
Homeodomínio
Homeobox é uma sequência de DNA dentro da região codificadora de certos genes, que codifica um homeodomínio de 60 aa. A estrutura de um homeodomínio é constituída por três alfa-hélices, sendo que a terceira realiza o contato com as bases nitrogenadas do DNA.
Dedo de zinco
É encontrado em receptores de hormônios esteroides. Está envolvido na transcrição de rRNA 5S pela RNA-polimerase III.
Zíper de leucina
Repetições de leucina a cada sete aa. A proposta inicial era de que duas proteínas contendo esse motivo seriam capazes de formar dímeros antiparalelos com interdigitação das leucinas. Atualmente: as proteínas formam dímeros com as alfa-hélices paralelas com interação por meio das leucinas. É responsável pela formação do dímero, e que a região responsável pela ligação ao DNA está situada próxima à porção N-terminal do zíper de leucina, sendo rica em resíduos de lisina. 
Hélice-alça-hélice
Constituído por duas alfa-hélices separadas por uma alça não helicoidal. É encontrado em fatores de transcrição que regulam a especificação do tipo celular, a diferenciação e a morfogênese de uma grande variedade de células.
3.3 Domínios de ativação
É a região de uma cadeia polipeptídica capaz de ativar a transcrição. Um dos mecanismos de ação dos domínios de ativação poderia ser pelo aumento na velocidade da formação do complexo basal no início da transcrição pela RNA-polimerase II. A ação dos ativadores sobre os fatores de transcrição basais, para estimular a transcrição, não se restringiria ao aumento do recrutamento deles ao promotor. Os ativadores poderiam atuar alterando a conformação desses fatores e aumentando sua atividade. Muitos genes apresentam outras sequências reguladores, como os reforçadores, indicando que os componentes envolvidos na transcrição se organizam de forma mais complexa.
4- Formação de complexos com múltiplos componentes
Os reforçadores são reconhecidos por ativadores que, com a participação de outros fatores ( coativador, mediador), interagem com o complexo multiproteico basal de transcrição, aumentando o nível da transcrição. O mediador é constituído por mais de 20 subunidades proteicas. Descrito como um componente importante para a ativação da transcrição, o mediador mostrou-se em todas as espécies um componente essencial para a transcrição por RNA-polimerase II a partir de todos os promotores. O mediador é u importante tanto para ativação como para repressão da transcrição. Acredita-se que ele atue na etapa de formação do complexo de iniciação da transcrição.
5- Modificações nas histonas
As histonas e principalmente as caudas aminoterminais caracterizam-se por apresentar um grande número de modificações. 
5.1- Acetilação e desacetilação
Acetilação está relacionada à ativação da transcrição. Ocorre em múltiplos resíduos de lisina e é realizada por uma enzima que transfere um grupamento alfa-amínico dos resíduos alvos de lisina. Quanto mais acetilada, maior atividade de transcrição. A neutralização da carga positiva dos resíduos de lisina reduziria a afinidade dos octâmeros de histona pelo DNA carregado negativamente, possibilitando uma maior exposição do DNA aos fatores de transcrição. Aacetilação pode ser revertida pela enzima histona desacetilase.
5.2- Metilação e destilação
A metilação das lisinas nas histonas pode contribuir tanto para as funções de ativação como para repressão da cromatina. A metilação dos resíduos de lisina não afeta a carga das histonas, indicando que essa modificação não estaria envolvida na ruptura dos contatos DNA-histonas. Essa modificação pode ter tanto efeito de ativação como de repressão no funcionamento da cromatina.
5.3- Ubiquitinação e desubiquitinação
Ubiquitinação é um processo pelo qual a ubiquitina se liga covalentemente a uma proteína-alvo, regulando a estabilidade, a função e/ou localização da proteínas modificada. Quando a proteína está ligada a uma cadeia de poliubiquitina, ela se liga ao proteassomo, um grande complexo de várias subunidades com atividade de protease, que degrada o substrato em pequenos peptídeos e recicla a ubiquitina. 
6- Remodelamento da cromatina
O remodelamento da proteína pode provocar um desenrolamento transitório do DNA e octâmeros de histonas, com a formação de uma alça de DNA, ou causar o desenrolamento dos nucleossomos para posições diferentes, facilitando o acesso dos fatores de transcrição ao DNA. Os remodeladores atuam controlando a compactação e a descompactação de regiões do DNA, como promotores, reforçadores e origens de replicação. Todos remodeladores compartilham cinco propriedades básicas: 1) Afinidade pelo nucleossomo. 2) Domínios que reconhecem modificações covalentes nas histonas. 3) Subunidade catalítica com domínio de ATPase dependente de DNA, requerida para o remodelamento e que serve como um motor para translocação do remodelador no DNA, rompendo os contatos histona-DNA. 4) Domínios e/ou proteínas que regulam o domínio de APTase. 5)Domínios e/ou proteínas para interação com outros fatores da cromatina ou de transcrição. 
7- Controle da transcrição: o exemplo dos receptores nucleares de hormônios.
Hormônios lipofílicos são capazes de difundir pelas membranas plasmáticas e nuclear, interagindo com receptores hormonais, os receptores nucleares. Esses receptores nucleares são fatores de transcrição que participam da ação de hormônios durante o desenvolvimento, o metabolismo e a homeostasia. O complexo hormônio-receptor ligase as sequências reguladoras controlando a sua expressão de genes. Algumas proteínas apresentam uma conservação bastante grande, tanto na sequência de aa como na organização dos seus domínios funcionais. A análise da estrutura dos genes que respondem à ação hormonal mostra a existência de sequências reconhecidas pelo complexo hormônio-receptor.
7.1-Mecanismos de ação dos receptores de hormônios esteroides
No citoplasma, o receptor recém-sintetizado ou sem o hormônio associa-se às proteínas chaperonas. Algumas proteínas chaperonas apresentam um domínio TPR que possibilita a interação dessas proteínas com um sítio de ligação a TPR presente na porção C-terminal de Hsp90. A atividade do receptor na ativação gênica depende da atividade da chaperona. A translocação do receptor do citoplasma para o núcleo envolve a participação de Hsp90 e outras chaperonas ou cochaperonas.
8- Regulação de expressão de lócus multigênicos: os genes de globina como modelo
A regulação da expressão pode envolver a participação de elementos reguladores localizados em regiões bastante distantes dos genes que eles controlam. A proposição de um novo elemento de controle, a região de controle de lócus (LCR), baseou-se principalmente em três observações:
(1) As sequências reguladoras presentes em promotores e reforçadores não eram suficientes para promover a regulação.(2) As descobertas de que deleções de regiões a montante do agrupamento de genes de beta-globina, inativavam a expressão de todo o lócus. (3) A presença de sítios hipersensíveis à DNase em uma região localizada a mais de 20 kb a montante do gene beta-globina em eritroblastos. A LCR foi definida como um elemento capaz de controlar a expressão de um transgene, independentemente do seu sítio de integração no genoma.
9- RNAs não codificadores no controle da transcrição 
A regulação da maquinaria de transcrição tem participação importante de RNAs não codificadores (ncRNA). Eles não apresentam ORFs que codificam proteínas. 
10- Regulação pós-transcricional
Uma vez iniciada, a transcrição deve proceder até o sinal de término da transcrição do gene, possibilitando a formação de um produto primário de transcrição. Esse produto deve ser modificado pela adição de CAP na extremidade 5', cauda de poli (A) na extremidade 3' e remoção dos íntrons e união dos éxons ( splicing). Processos que ocorrem durante a própria transcrição e a terminação está associada à quebra na extremidade 3' no sítio de poliadenilação. Além da regulação no início da transcrição, a expressão gênica pode ser regulada em nível pós-transcricional. A regulação pós-transcricional pode ocorrer em etapas que envolvem a adição de 5'-CAP, adição de cauda de poli A na 3' ou splicing e o transporte do RNA do núcleo para o citoplasma. 
10.1- Pequenos RNAs na regulação da expressão gênica 
Os RNA pequenos podem atuar na regulação da expressão gênica em diferentes níveis, como estrutura da cromatina, transcrição, processamento , estabilidade e tradução do mRNA. Podem ser classificados como: - RNAs de interferência curtos ( siRNAs); -microRNAs (miRNAs) e RNAs que interagem com Piwi (piRNAs). 
10.1.1-miRNA
Participam da regulação pós-traducional associando-se com proteínas, atuando no crescimento celular, divisão e diferenciação celular, metabolismo e desenvolvimento. São gerados a partir de estruturas em grampo presentes nos RNAs. Os miRNAs reconhecem os seus alvos por um pareamento imperfeito de bases da sua extremidade 5' com bases complementares na região 3' não traduzida. A repressão da tradução pelos miRNAs pode ocorrer no nível de iniciação de tradução, pela competição para interação com o CAP na extremidade 5' do mRNA, ou em uma etapa após o reconhecimento de 5'-CAP, pela inibição da associação das subunidade ribossômicas menor e maior. Pode ocorrer também após o início da tradução,pelo retardo do alongamento da cadeia polipeptídica pelos ribossomos, acoplado à terminação prematura. ou pela indução de degradação dos polipeptídeos nascentes durante o processo da tradução. Os miRNAs aceleram a degradação dos mRNAs-alvo pela remoção da cauda de poli(A) da extremidade 3'. 
10.1.2-siRNA
Capazes de silenciar genes pelo processo de interferência por RNA . A fita antissenso,guia, pois é ela que fará o pareamento com o mRNA-alvo para possibilitar o silenciamento dele; a fita complementar, passageira.
10.1.3-piRNA
Eles ligam-se à proteínas sendo abundantes nas células germinativas. Atuam no silenciamento de transposons, protegendo o genoma contra eles. São produzidos a partir de elementos repetitivos intergênicos dos cromossomos.
10.2- Turnover de mRNA
O CAP na extremidade 5' e a cauda de poli(A) na 3' são introduzidas durante a transcrição, sendo estruturas que interagem com proteínas citoplasmáticas, protegendo o RNA contra a ação de exonucleases e promovendo a iniciação da tradução. Para degradação do mRNA pode-se remover o 5'-CAP, para que uma exonuclease com ação no sentido 5'-->3'degrade o mRNA; ou o ataque da ponta sem a cauda de poli(A) por um complexo de exonuclease, atuando no sentido 3'-->5' (exossomo). mRNA que codificam fatores de transcrição, proteínas da maquinaria transcricional e da síntese proteica apresentam meias-vidas curtas, já os mRNAs que codificam proteínas envolvidas no metabolismo central apresentam meias-vidas mais longas. Os mRNAs apresentam sequências relacionadas à sua estabilidade, principalmente na 3' não traduzida, modulando a estabilidade dos mRNAs, recrutando proteínas envolvidas em seu processo de decaimento, e atuando removendo os mRNAs dos sítios em que ocorrem o decaimento ou competindo com proteínas que provocam a instabilidade dos mRNAs, além da interação direta das proteínas estabilizadoras com a maquinaria envolvida no decaimento, inibindo sua ação.
11- Regulação da expressão no nível da tradução
A regulação em nível de tradução poderia servir com um mecanismo mais refinados, após a regulação transcricional. Os oócitos contêm mRNAs estáveis, que são armazenados e não traduzidos no citoplasma. A reativação de muitos mRNAs dormentes no oóscito parece ser controlada por sequências localizadas na região 3'UTR. Esse controle envolve tanto a ligação de proteínas reguladoras repressoras como a alteração no tamanho da cauda de poli(A). Nos oócitos primários em crescimento o RNA poliadenilado recém sintetizado é exportado do núcleo para o citoplasma. Uma proteína repressora da tradução liga-se a uma sequência na região 3' que determina o silenciamento do mRNA. Essa interação também induz a remoção parcial da cauda de poli(A), deixando uma cauda dormente. A readenilação da cauda de poli(A), promove a recuperação do seu tamanho, sendo indispensável para a tradução.
12- Controle de expressão pela localização celular do mRNA
O acoplamento entre o controle da tradução e a localização do mRNA é importante. A localização é uma forma de possibilitar uma elevada concentração de proteínas em um sítio-específico e de permitir um controle temporal preciso de síntese local de proteína em resposta a um estímulo externo. O acoplamento da tradução com a localização impede que a síntese da proteína ocorra em local inapropriado.