Expressão gênica

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Expressão gênica
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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. 
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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.
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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.
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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.
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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. 
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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.
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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.
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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.
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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. 
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Etapas na formação do complexo de iniciação da transcrição em eucariotos
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Estrutura tridimensional da Proteína que se liga a TATA (TATA-Binding Protein TBP)
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Complexo TBP-DNA
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Complexo TBP-TFIIA-DNA
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Complexo TBP-TFIIA-TFIIB-DNA
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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.
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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. 
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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).
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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. 
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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. 
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Efeito de uma Única Proteína Reguladora na Diferenciação
Estudos com células 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. 
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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.
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Os processos de iniciação, alongamento, processamento e terminação da transcrição são acoplados em eucariotos
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
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Acoplamento das maquinarias envolvidas na transcrição, capping, splicing e poliadenilação
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
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Modelo de acoplamento de splicing a exportaçao do mRNA e decaimento mediado por nonsense (NMD)
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
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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. 
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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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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.