Aula 8 Controle da Expressão Gênica em Procariotos

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Controle da Controle da 
Expressão GênicaExpressão Gênica
‐‐ Procariotos Procariotos ‐‐
Capítulo 10 ‐ Griffiths, 8ª edição
Capítulo 28 – Lehninger, 4ª edição
• Porquê é necessário?
– O ambiente bacteriano muda rapidamente
– A sobrevivência depende da sua abilidade de se 
adaptar a estas mudanças bruscas
– A expressão de determinadas enzimas é necessária a 
sobrevivência nas novas condições
– Só que a síntese das enzimas é energeticamente cara
– Portanto, a síntese de enzimas só ocorre quando
necessário
Controle da Expressão em 
Procatiotos
Proteínas
Constitutiva
•Sempre expressas
•“housekeeping” ou
manutenção
•ex. Enzimas da via glicolítica
•Glicose é a a fonte de 
carbono preferida
Induzível
•São induzidas
•Sintetizadas somente quando
necessárias
•Ex. Enzimas para metabolizar
a lactose
•Estas enzimas são
sintetizadas somente quando
a lactose é a ÚNICA fonte de 
carbono
Controle da Expressão Gênica
%
 in
du
çã
o 
en
zi
m
át
ic
a
β‐galactosidase
(via catabólica)
Trptofano sintetase
(via biossintética
[Substrato]
Indução ‐ a a produção de uma enzima específica (ou um grupo de enzimas) em 
resposta a presença de um substrato
Repressão – a  interrupção da produção de uma enzima específica (ou um grupo
de enzimas) em resposta ao aumento dos níveis de um substrato
• François Jacob and Jacques Monod 
desenvolveram um teoria dos 
mecanismos de regulação gênica, 
mostrando ao nível molecular como 
alguns genes são ativados ou reprimidos
• A teoria sustentava que a síntese de 
proteína não é regulada pelo gene que o 
codifica  mas sim por dois outros genes: 
um gene operador e um gene regulador 
• Jacob e Monod chamaram a unidade do 
gene estrutural, operador e regulador de 
operon
Os maiores eventos da Genética
1961
Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia de 1965
Jacob
Monod
Síntese de proteínas é regulada
transcricionalmente
•A RNA polimerase para iniciar a transcrição se liga a 
sequênicas de DNA próximas ao início do gene, 
chamada de promotores
•A sequência de nucleotídeos nos promotores
apresentam uma certa variação que afeta a afinidade
de ligação da RNA polimerase e consequentemente
afeta o inínico da transcrição.
•Assim, para os genes expressos constitutivamente, a 
concentração celular das proteínas que eles codificam
variam de acordo com a interação da RNA pol com 
seu promotor (transcrição basal) 
2
5’ TGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATAATCTCAACGG 3’
Sequência promotora
Início
‐35 ‐10 +1
Sequência Promotora em Procariotos
A afinidade da RNA polimerase é um dos 
principais mecanismos de controle da expressão
gênica
Interação da RNA polimerase com 
promotor
Fatores Específicos
• Na E. coli, o cerne da enzima RNA polimerase
é formado por 4 subunidades (2 α, 1 β e 1 β’) 
• O cerne da enzima 2 α, 1 β, 1 β’ é capaz de 
transcrever o DNA mas não é capaz de 
encontrar a região promotora
• Uma quinta subunidade σ é que reconhece a 
sequência promotora no DNA
Controla a transcrição seletiva de grupos de genes
s32
s60
Vegetativo
(principal) 
heat shock
Falta de
nitrogênio
s70 TTGACA TATAAT(16‐19 bp) (5‐9 bp) A
+1
CNCTTGA CCCATNT
(13‐15 bp) (5‐9 bp)
A
+1
CTGGNA TTGCA
(6 bp) (5‐9 bp)
A
+1
Existe mais de um fator sigma
Controle transcricional de gene 
induzíveis
• A transcrição basal de genes que não são
constitutivos também é determinada pela sequência
do promotor
• Entretanto, a expressão destes genes são também
moduladas por proteínas regulatórias
• Muitas destas proteínas funcionam ativando
(proteínas ativadoras) ou repremindo (proteínas
repressoras) a interação da RNA polimerase com o 
promotor.
Um fator regulatório negativo (repressor) bloqueia a 
habilidade da RNA polimerase se ligar e iniciar a transcrição
no promotor
Repressores
RNA pol.
‐35 ‐10
Repressor
3
Ativadores
RNA pol.
‐35 ‐10 +1
Activador
Sitio de ligação do ativador
Um fator regulatório positivo (ativador) aumenta a habilidade
da RNA polimerase se ligar e iniciar a transcrição no promotor
Características das Proteínas Regulatórias
Por isso, estas
proteínas possuem
pelo menos dois
domínios de ligação
• As proteínas regulatórias que se ligam aos promotores
proximais ou distantes precisam desempenha pelo menos duas
funções:
– Ligar ao DNA
– Ativar ou Reprimir a Transcrição
Interação das Proteínas Regulatórias 
com DNA
• Para se ligar com especificidade as sequências de DNA, as 
proteínas regulatórias devem reconhecer grupos químicos
específicos doadores ou aceptores de elétrons expostos no 
sulco maior do DNA
Exemplos de interações de 
aminoácidos com bases do DNA
Proteínas Regulatórias
Domínio de 
ligação ao DNASulco Maior
Domínios de ligação ao DNA
• Os domínios de ligação se ajustam ao sulco
maior do DNA
• Os domínios de ligação ao DNA das proteínas
regulatórias possuem estruturas conservadas
de leveduras aos humanos que são
classificadas como:
• Hélice‐giro‐hélice
• Dedo de zinco (zinc finger)
• Homeodomínio
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Domínios de ativação
• Além de interagir com o DNA, as proteínas
regulatórias também interagem com a RNA 
polimerase ou com outras proteínas
regulatórias
• Os domínios de interação proteína‐proteína
mais comuns são:
• Hélice‐alça‐hélice
• Ziper de leucina
Hélice-giro-hélice Dímero
Hélice-alça-hélice
Dímero
Ziper de leucina
Transcritos procarióticos são 
policistrônicos
‐Muitos dos  mRNAs  procarióticos são
policistrônicos – múltiplos genes  expressos em 
um único transcrito e sob o controle de um único
promotor
‐O  grupo de  genes  regulado pelo mesmo o 
promotor e  outras sequências adicionais são
denominados OPERON
‐ Alguns operons possuem apenas 2 genes, outros
possuem 20 ou mais genes.
Estrutura do Operon
‐ Promotor é uma  pequena  sequência de DNA  onde  a 
RNA  polimerase primeiro  se  liga  para  transcrever  um 
gene
‐Operador é uma pequena sequência de  DNA  que
determina onde a  RNA  polimerase pode ser  ligar e 
iniciar a transcrição
‐ Regulador é uma  proteína  repressora  que  se  liga  ao 
operador, obstruindo o promotor e assim a transcrição 
dos genes estruturais
‐Genes  Estruturais codifica para proteínas necessárias
para o  funcionamento da célula. No operon, os genes 
estruturais são transcritos policistronicamente
Genes Estruturaispromotor
Operador
Estrutura típica de um operon
Um único promotor pode coordenar a expressão de um grupo de 
genes
mRNA policistrônico
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Metabolismo da 
Lactose
Operon Lac
Regulação Negativa do Operon Lac
• O operon lac é regulado negativamente pela
proteína repressora que se liga no operador
impedindo a transcrição
Hélice-giro-hélice
Regulação Negativa do Operon Lac
• Na presença da lactose, o indutor do operon lac, se liga a 
proteína repressora
• O repressor não é mais capaz de se ligar ao operador
• A transcrição ocorre normalmente
O que acontece quando existe glicose 
e lactose?
• Quando tanto a glicose e a lactose estão presentes 
ocorre um mecanismo chamado repressão do 
catabólito que restringe a expressão dos genes 
necessários para o catabolismo da lactose, arabinose
e outros açúcares
• O efeito da glicose é mediado pelo cAMP,um co‐
ativador e o CAP ou CRP (proteína receptora de 
cAMP), um ativador
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Repressão do Catabólito do Operon Lac
[ Glicose ] cAMP
‐ cAMP se liga ao CRP 
‐O complexo cAMP‐CAP se liga ao promotor do operon
‐ Esta ligação resulta em uma maior eficiência de transcrição (CONTROLE 
POSITIVE)
Na presença da Lactose
Evidências Genéticas do Controle da 
Expressão Gência do Operon lac
• Jacob e Monod deduziram os mecanismos da 
regulação gênica através das análises de 
várias classes diferentes de mutações que 
alteravam a expressão dos genesestruturais 
do operon lac
• Mutação no Operador (Oc)
• Mutação na Proteína Repressora (I‐)
• Mutação na Proteína Repressora (Is)
• O repressor se liga ao operador do operon e 
impede a RNA polimerase de transcrever os 
genes estruturais do operon
• Na presença do indutor, o repressor é inativado
através da sua interação com o indutor. Isto 
permite a RNA polimerase acessar o operon e 
transcreve‐lo
• O operon lac operon é positivamente 
adicionalmente regulado através da ligação do 
complexo cAMP‐CRP ao promotor do operon
Resumindo o Operon Lac
Operon Trp
L trpAP T
mRNA Polycistronic(encodes 5 proteins)
mRNA
TrpR (repressor)
5 proteínas diferentes para a 
síntese do aminoácido triptofano
trpBtrpCtrpDtrpE
Atenuador
TrpR
P = promoter
T = terminator
O = operator
OtrpRP
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Atenuação do Operon Trp
• A nessidade de triptofano pode diferir sob 
diferentes condições de crescimento
• Assim, a expressão dos genes do operon Trp
está associada com a concentração do 
aminoácido através de uma mecanismo
chamado Atenuação
• A transcrição é terminada prematuramente se 
a concentração do triptofano for limitante
P O 1 2 3 4 trpE
Região Lider
DNA
Sequência do Atenuador
1 2 3 4 RNA
2 codons Trp codons
O domínio 3 pode se parear tanto com o domíno 2 
ou o domínio 4 formando alças
Altas concentração de Trp
Ribosomes se movem 
rapidamente sob o mRNA
Região lider é
completamente traduzida
Formação de um grampo entre 
os domínios 3 e 4 resulta na 
terminação da transcrição
Baixas concentração de Trp
Ribosomes “empacam” sob 
o domínio 1 que contem os 
2 códons de Trp Formação de um grampo entre 
os domínios 2 e 3 permite que 
a transcrição continue
A tradução influenciado a transcrição!!!
•A presença ou ausência do repressor do Trp
determina se o operon Trp será transcrito
•Triptofano é um co‐repressor para seu próprio
operon
•Entretanto, quando o operon trp está sendo
transcrito a concentração de triptofano determina a 
velocidade de movimentação do ribossomo sob o 
mRNA. Isto influencia a formação de um sinal de 
terminação entre os domínios 3 e 4
Resumindo o operon Trp
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Comparação entre os operons
operon Lac
•Codifica enzimas de 
degradação
•Lactose é o indutor
•Existe regulação por CRP  
•Gene repressor (lacI) se 
situa logo acima dos genes 
estruturais
•Não existe terminação
trancricional
operon Trp
•Codifica enzimas de biossíntese
•Triptofano é um co‐repressor 
•Não existe regulação por CRP 
•Gene repressor (trpR) se situa
distante dos genes estruturais
•Existe terminação
transcricitonal