07. Regulação gênica

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REGULAÇÃO GÊNICA
Informação genética...
Informação genética...
• Síntese de proteínas;
• Mecanismos de regulação:
– Gene RNA mensageiro Proteína = Expressão
Gênica Diferencial;
– Ligar/desligar um gene específico ou grupos de genes;
Logo, o objetivo da regulação 
é…
• Procariotos:
– Ajuste às mudanças nutricionais no ambiente;
– Crescimento e divisão otimizados.
• Eucariotos:
– Desenvolvimento embrionário;
– Diferenciação.
Diferenciação celular
Desenvolvimento embrionário
Pontos de regulação...
• Efetores são pequenas moléculas (aminoácidos, açúcares,
íons de ferro...) que se ligam a proteínas específicas.
Regulação Negativa
Regulação Negativa
Regulação Positiva
Regulação Positiva
Regulação gênica em procariontes
Em procariotos...
• Operon: grupo de genes são expressos como uma
unidade, além do promotor e das regiões regulatórias;
• Geralmente, os genes de um operon codificam
proteínas que atuam em uma mesma via metabólica,
geralmente catalisando reações sequenciais.
Trabalhos de Jacob e Monod
• François Jacob e Jacques Monod (década de
50);
• Metabolismo da Lactose: Operon lac;
• Marco na compreensão do controle da
transcrição;
• Corroborado por Walter Gilbert e Benno
Muller-Hill (1966), isolaram o repressor.
Metabolismo da Lactose
• Se houver glicose (monossacarídeo) no
meio, a bactéria utiliza a glicose como fonte
de energia;
• Porém, em baixa ou nenhuma
concentração da glicose no meio, a bactéria
terá que optar por uma fonte alternativa de
energia, no caso, a lactose (dissacarídeo);
• B-galactosidase, permease e transacetilase.
Operon lac
Operon Lac: ~6000 bp 
Operador ocupa 26bp de lacZ
Operon lac
• Genes estruturais:
– lac Z (β-galactosidase), lac Y (permease) e lac
A (transacetilase);
• Regiões reguladoras:
– Promotor e operador;
• Associado ao operon, havia a produção, de
forma constitutiva, do gene regulador I
(repressor).
Operon lac
Gene 
regulador
Promotor
Operador
Proteína
RNA 
polimerase
Repressor 
ativo
Sem 
RNA
• Sem lactose, repressor ativo, operon desligado
O operador
Operador ocupa 26bp de lacZ
Operon lac
• Com lactose, repressor inativo, operon ligado
Operon lac
Repressor 
inativo
Lactose 
(indutor)
Proteína
RNA 
polimerase
Operon lac
• O controle indutor-repressor do operon lac
é um exemplo de controle negativo;
• Um segundo sistema que atua neste operon 
é CAP-cAMP (controle positivo);
– Enquanto tiver glicose no meio a célula irá manter sua 
maquinaria metabólica, mesmo na presença de lactose;
– Quanto maior a concentração de glicose, menor a 
quantidade de cAMP, que é necessário (em altas 
concentrações) para a ativação do operon lac.
Operon lac
(a) Glicose alta
ATP
(b) Glicose baixa
Adenilato ciclase inativa
Sem cAMP
Adenilato ciclase ativa
ATP cAMP
(a) Com glicose (cAMP baixo); sem lactose; sem mRNA lac
(b) Com glicose (cAMP baixo); com lactose; pouco mRNA lac
(c) Sem glicose (cAMP alto); com lactose; muito mRNA lac
Pouco mRNA lac
Muito mRNA lac
Indutor-repressor
Indutor-repressor
Lactose
Lactose
Repressor
Produção quase nula, basal 
Operon trp
• Foi caracterizado por Charles Yanofsky;
• O operon do triptofano (operon trp) é
formado por genes que codificam as
enzimas necessárias à síntese deste
aminoácido, sistema de inibição feedback;
• O aminoácido triptofano é um constituinte
de diversas proteínas.
Operon trp
• Genes estruturais:
– enzimas necessárias a síntese de triptofano
(trpE, trpD, trpC, trpB, trpA);
• Regiões reguladoras:
– Promotor, operador e sequência líder – 5’UTR
(atenuador);
• O gene regulador trpR (repressor) é
produzido de forma inativa.
Operon trp
Operon trp
• Sem trp, repressor inativo, operon ligado
Repressor 
inativo
RNA polimerase
Enzimas para 
síntese do 
triptofano
Operon trp
• Com trp, repressor ativo, operon desligado
Inativo Ativo
Triptofano 
(correpressor)
RNA polimerase
Operon trp
• Como no operon lac, há outro nível de controle
superposto ao mecanismo básico repressor-operador;
• Sequência líder, 160 pares de bases antes da primeira
trinca no gene trpE;
• Atenuador leva a redução na taxa de transcrição de
mRNA quando o triptofano está presente.
Operon trp
• Yanofsky descobriu que mesmo na presença
de altas concentrações de triptofano, as
primeiras 141 bases da sequência líder eram
sempre transcritas na taxa máxima;
• Mas, devido ao mecanismo atenuador,
apenas 1 em 10 dos mRNA podiam ser
transcritos até o fim.
• Como funciona?
Estrutura tridimensional
Transcrição / Tradução
Gene Fator Uso
rpoD σ70 Geral
rpoS σS Estresse
rpoH σ32 Choque Térmico
rpoE σE Choque Térmico
rpoN σ54 Nitrogênio
fliA σ28 (σF) Flagelar
• Existem vários tipos de fatores sigmas, cuja
função é direcionar a RNApol a regiões
promotoras de interesse, importância adaptativa.
A regulação pelo fator sigma
Sensação térmica
Resumindo regulação em 
procarioto...
• Esses organismos necessitam ter
mecanismos rápidos e eficientes de
adaptação a mudanças no ambiente;
• Produtos gênicos que funcionam em
conjunto, normalmente tem regulação da
expressão semelhante, ou estão organizados
em operons;
Resumindo regulação em 
procarioto...
• A transcrição da maioria dos genes está em
um estado “bloqueado”, pela ligação de
proteínas inibidoras;
• A dissociação dessas depende de um
indutor, normalmente uma molécula
pequena, que “sinaliza” a mudança
ambiental.
A importância
• Fundamental em vários processos:
– Interações com organismos eucarióticos 
complexos (simbiose) 
– Regulação da virulência
– Formação de biofilme
– Inibidor de crescimento populacional
A comunicação bacteriana
“Quorum sensing”
A comunicação bacteriana
“Quorum sensing”
Simbiose
Aliivibrio fischeri – lula havaiana 
• Bactéria produz luz (luciferase) em um órgão
especial da lula – uso em camuflagem de sombras
Biofilme
Tártaro: exemplo de biofilme
Regulação em Eucariontes
Pontos de regulação...
Regulação por histonas
As modificações
As caudas das histonas podem
sofrer modificações pós-
traducionais que aumentarão ou
diminuirão a carga positiva das
histonas
As modificações
-ACETILAÇÃO DE HISTONAS: associação com transcrição
(enzimas são co-ativadoras transcricionais);
-METILAÇÃO DE HISTONAS: H3 e H4 (mais comum) –
modificação estável – marcador epigenético para manutenção do
estado da cromatina por longo período.
-UBIQUITINIZAÇÃO E BIOTINILAÇÃO: pouco conhecidos
- FOSFORILAÇÃO: H1 (mais comum) e H3 – aumenta a
dissociação da cromatina.
Como retirar as histonas?
Metilação do DNA
Imprinting genético
Metilação de DNA e o 
silenciamento gênico
O papel dos íntrons
Os microRNA (miRNA)
O genoma humano pode codificar 1.000 tipos
diferentes de miRNA.
Esses RNAs tem 22 nucleotídeos de tamanho e
podem reconhecer cerca de 90% dos genes
humanos.
Todos os organismos eucariontes possuem tal
RNA.