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1 Controle da Controle da Expressão GênicaExpressão Gênica -- Eucariotos Eucariotos -- Capítulo 10, Griffiths, 8ª edição Capítulo 28, Stryer, 4ª edição Regulação da expressão gência em eucariotos • Em procariotos, os genes são normalmente controlados na forma de operon • Em eucariotos, genes são controlados individualmente e operons não são conhecidos • O controle da expressão gênica é muito mais complexa: – Existência de um núcleo e assim transcrição e tradução não são acopladas – A RNA polimerase II é muito maior e complexa do que sua contraparte procariótica – Os mRNA são processados durante a transcrição (capacete 5’, caula poliA, introns) Classificação da Regulação em Eucariotos • Curta duração os genes são rapidamente ativados ou reprimidos em resposta ao ambiente e as necessidades da célula • Longa duração genes envolvidos na regulação do desenvolvimento e diferenciação Expressão gênica pode ser regulada várias etapas • Controle Transcricional • Controle do Processamento de RNA • Controle de transporte de mRNA • Controle de degração de mRNA • Controle de tradução • Controle de atividade de proteína • Degradação de proteína Expressão gênica pode ser regulada várias etapas • Controle Transcricional • Controle do Processamento de RNA • Controle de transporte de mRNA • Controle de degração de mRNA • Controle de tradução • Controle de atividade de proteína • Degradação de proteína Controle Transcricional • RNA polimerase II transcreve os mRNAs • Controle da expressão gênica em eucariotos requer a ação de fatores de transcrição – Fatores de transcrição gerais são necessãrios para a iniciação da transcrição – Fatores de transcrição específicos que aumentam a transcrição gênica em certos tipos de células ou em resposta à sinais específicos 2 Fatores Gerais de Transcrição • O início da transcrição ocorre através do reconhecimento dos promotores pelos fatores gerais de transcrição (FGT) • A região promotora eucariótica típica se localiza na posição -30 (TATA box) • FGT posicionam a RNA pol II e no local correto para iniciar a transcrição • O complexo de pré-iniciação é formado por 6 FGTs mais RNA pol. II (Complexo Basal de Transcrição) Fatores Específicos de Transcrição • Fatores Específicos de Transcrição (FET) ocorrem acima do sítio de iniciação da transcrição • Cada FET reconhece sequências cis específicas próximas ao promotor • Um ou mais FET podem regular a expressão de um mesmo gene • FET podem regular positiva ou negativamente Acentuadores e Silenciadores • Existem Fatores Específicos de Transcrição que reconhecem sequências de DNA localizadas a considerável distância tanto acima quando abaixo do sítio de início da transcrição • Acentuadores são sequências no DNA nos quais fatores de transcrição específicos (ativadores) se ligam para aumentar a taxa de transcrição • Silenciadores são sequências no DNA nos quais fatores de transcrição específicos (repressores) se ligam para diminuir a taxa de transcrição • Quando estas proteínas se ligam ao DNA ocorre a formação de alças aproximando as sequências acentuadoras ao RNA pol II Acentuadores e Ativadores • O complexo acentuador/ativador interage a distância com a RNA polimerase no promotor resultando em uma transcrição mais eficiente e aumentada Fatores Gerais de Transcrição Acentuadores e Ativadores 3 Co-ativadores e Mediadores • Co-activadores e mediadores são também necessários para a ativação dos fatores de transcrição • Co-activadores e mediadores se ligam aos fatores de transcrição e se associam a outras partes do complexo de ativação da transcrição Mediadores • O complexo protéico dos mediadores e os fatores de transcrição interagem com a RNA polimerase II para aumentar a transcrição Expressão gênica pode ser regulada várias etapas • Controle Transcricional • Controle do Processamento de RNA • Controle de transporte de mRNA • Controle de degração de mRNA • Controle de tradução • Controle de atividade de proteína • Degradação de proteína Controle Pós-Transcricional • Além de controlar o início da transcrição, os eucariotos possuem mecanismos para controlar a expressão após a síntese do RNA ter sido feita. • Alguns mecanismos são: – Degradação do mRNA – Interferência do RNA (RNAi) – Inibição da Tradução Degradação do mRNA • A quantidade de proteína produzida de um determinado gene pode ser influenciada pela meia-vida do mRNA • O mRNA maduro possuem diferentes tempos de vida dependendo da sua estabilidade na célula A estabilidade e meia vida do mRNA Wilson, 2003 4 Interferência do RNA (RNAi) • Interferência do RNA é uma mecanismo que – Inibe a tradução do mRNA – Impede a transcrição do DNA • O processo se inicia com a presença de moléculas de dupla fita de RNA (dsRNA) no citoplasma da célula • dsRNA pode ter origem endógena ou exógena e em ambos os casos, o dsRNA é clivado por pela enzima DICER Mecanismo do RNAi LE 19-9 Dicer Hydrogen bond Protein complex miRNA Target mRNA Degradation of mRNA OR Blockage of translation Funções do RNAi • RNAi foi primeiro descoberto no organismo modelo Caenorhabdidtis elegans, um nematodo de vida livre • Hoje, já foi documenta que o RNAi é um mecanismo presente em vários eucariotos: Drosophila, fungos, plantas • Inicialmente, o RNAi foi descrito como um mecanismo de defesa contra vírus e transposons • O RNAi tem importante papel na regulação da expressão gênica • Este mecanismo tem sido explorado para terapia gênica Inibição da Tradução • Existem proteínas que se ligam diretamente na região 3’ UTR dos mRNA • O posicionamento destas proteínas impedem diretamente o inínico da tradução • forms are often less active and cause a general depression of translation in the cell. 5 A Estrutura do Cromossomo Eucariótico O papel da cromatina na expressão Gênica Eucariótica • As regiões heterocromáticas altamente condensadas têm menos genes e menores frequências de recombinação do que as regiões eucromáticas menos condensadas • Foi suporto que a transcrição e recombinação eram restritas a regiões eucromáticas por elas serem mais acessíveis as proteínas envolvidas nestes processos • Entretanto a cromatina eucromática pode ser alterada e além disso, genes ativos nessas regiões podem ser se tornar inativos por diferentes mecanismos Herança Epigenética • O termo epigenética se refere as alterações no fenótipo ou na expressão gênica causada por mecanismos não relacionados a sequência do DNA • Estas alterações podem ser mantidas através de divisão celular por todo o tempo de vida da célula e até mesmo por várias gerações Inativação do cromossomo X • O cromossomo X de mamíferos tem cerca de 1000 genes • As fêmeas têm o dobro de cópias destes genes ligados ao X e normalmente expressam o dobro de transcritos que os machos • Este desequilíbrio de dosagem é corrigido através da compensação de dose que inativa aleatoriamente um dos dois cromossomos X • O cromossomo X inativado é chamado de corpúsculo de Barr Inativação do cromossomo X • A maioria dos genes no cromosso X não são expressos (silenciosos) • Os genes no cromossomo inativado permanecem inativos em todas as descentestes desta célula • Os cromossomos inativados possuem maior nível de metilação no DNA Imprinting Parental • Imprinting Parental é outro exemplo de herança epigenética • No Imprinting parental, alguns genes são expressos como se houvesse apenas uma cópia do gene presente na célula (hemizigotos) mesmo que sejam dois • No processo de imprinting, genes que estão transcricionalmente ativos são menos metiladosque genes inativos 6 Mecanismo de Imprinting • O processo de imprinting começa nos gametas, onde o alelo a ser inativado é marcado através da metilação nas ilhas CpG da região promotora do gene • Imprinting Paterno é quando o alelo herdado do pai não é expresso na prole • ImprintingMaterno é quando o alelo herdado da mãe não é expresso na prole • Imprinting é a razão de que a partenogênese não ocorre em animais: dois genomas maternos não produz um embrião viável porcausa dos genes silenciados através do imprinting A Remodelagem da Cromatina • O acesso da RNA polimerase ao DNA vai depender da compactação da cromatina • A remodelagem da cromatina ocorre através de dois mecanismos: – Metilação do DNA – Modificações pós-transducionais das histonas A cromatina • A estrutura da cromatina está diretamente relacionada com o controle da expressão gênica • O primeiro nível de organização da cromatina é o nucleossomo • Os nucleossomos são capazes de bloquear o acesso da RNA polimerase II ao promotor A Remodelagem da Cromatina • O acesso da RNA polimerase ao DNA vai depender da compactação da cromatina • A remodelagem da cromatina ocorre através de dois mecanismos: – Metilação do DNA – Modificações pós-transducionais das histonas Metilação do DNA • Metilação do DNA é a adição de um grupo CH3 nas bases do DNA • O padrão de metilação mais conhecido é nas regiões ricas em Citosina e Guanina • Estas regiões são conhecidas como “ilhas CpG” 7 Metilação da Citosina • O nível de metilação do DNA geralmente está correlacionado ao estado transcricional de um gene: genes ativos são menos metilados Herança do Padrão de Metilação do DNA Organização do Nucleossomo • O cerne do nucleossomo é formado por 8 proteinas histonas: – duas H2A, – duas H2B, – duas H3 – duas H4 Porção N-terminal da cadeia polipeptídica Modificações nas Histonas • As histonas do nucleossomo sofrem modificações pós- traducionais: – Metilação nos resíduos de Lisina (irreversível) – Acetilação – Fosforilação nos resíduos de Serina e Treonina – Ubiquitinação e Sumolização Acetilação da Histonas • Acetilação dos resíduos de lisina remove cargas positivas global das histonas • Isto provoca uma redução da afinindade das histonas pelo DNA • Assim, a RNA pol e fatores de transcrição têm acesso mais fácil a região promotora • Acetilação das histona está associada a genes ativamente expressos Acetilação das Histonas Genes ativos são hiper acetilados 8 Remodelagem da Cromatina A dinâmica dos nucleossomos
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