Regulaçao Gênica em Procariotos

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Genética Molecular
Curso: Ciências Biológicas- UENP/ CCP
3º Série 
Controle da expressão Gênica
Prof. Dhiego Gomes Ferreira
 1. Introdução
Tradução
- Processo pelo qual a informação genética transcrita em mRNA é decodificada em proteína, a partir de um código genético
 1. Introdução
Dogma Central da Biologia Molecular
Genótipo
Fenótipo
3
Glicose
Energia
X
 Responde a mudanças ambientais alterando rapidamente sua bioquímica
E. coli
 1. Introdução
 Lactose
 Arabinose
 Maltose
 Xilose
 Outros açúcares
Procariotos
Produção de todas as enzimas necessárias a cada condição ambiental seria energeticamente cara
E. coli
 1. Introdução
Possui INFORMAÇÃO GENÉTICA para muitas proteínas
Apenas um subgrupo é expresso a qualquer momento
Regulação Gênica
 1. Introdução
- Células possuem um alto grau de diferenciação e especialização
- Proteínas produzidas por cada células são bem diferentes
Leucócito
 Neurônio
Organismos Multicelulares (Eucarióticos)
 1. Introdução
Organismos Multicelulares (Eucarióticos)
- As células levam a mesma informação genética 
Leucócito
 Neurônio
- Apenas um subgrupo de genes é expresso em cada tipo celular
 1. Introdução
Níveis de Controle Gênico
1
2
3
4
5
6
- Processos que estimulam a expressão
- Processos que inibem a expressão
O controle negativo é mais importante em bactérias
Os eucariontes usam mais os mecanismos de controle positivo
Controle positivo
 1. Introdução
Controle Gênico - Transcrição
Controle negativo
Genes e Elementos Regulatórios
 2. Genes e Elementos Regulatórios
Codificam proteínas que são usadas no metabolismo ou biossíntese, ou que tem um papel estrutural na célula
- Genes Estruturais
Proteínas
Genes e Elementos Regulatórios
 Genes cujos produtos, sejam RNA ou proteínas, interagem com outras sequências e afetam sua transcrição ou tradução
- Genes Reguladores
 2. Genes e Elementos Regulatórios
Genes e Elementos Regulatórios
Elementos 
Reguladores
- Afetam a expressão de sequências às quais eles são fisicamente ligados
Sequências de DNA não transcritas, mas que atuam regulando outras sequências de nucleotídeos 
 2. Genes e Elementos Regulatórios
Genes e Elementos Regulatórios
- Grande parte da regulação ocorre por meio da ação de proteínas produzidas por genes reguladores 
Reconhecem e se ligam a elementos reguladores
 2. Genes e Elementos Regulatórios
Proteínas de ligação ao DNA
 3. Proteínas de ligação ao DNA
 Grande parte da regulação gênica
 Feita por proteínas que se ligam a sequências de DNA e que influenciam sua expressão
Proteínas de ligação ao DNA
- Domínios adicionais podem existir
 - Partes funcionais distintas 
- 60 a 90 aminoácidos responsáveis pela ligação ao DNA
Domínios
 Apenas alguns aminoácidos fazem contato com o DNA 
Ligação de outras moléculas tais como outras proteínas reguladoras
 3. Proteínas de ligação ao DNA
Proteínas de ligação ao DNA
 - Podem ser agrupadas em vários tipos distintos com base em uma estrutura característica chamada MOTIVO 
 3. Proteínas de ligação ao DNA
 4. Regulação em Procariontes
Regulação em Procariontes
- Organização de genes funcionalmente correlatos
Procariotos
Eucariotos
mRNA
juntos
Separados
 Grupo de genes estruturais bacterianos que são transcritos juntos 
Óperons
Óperon
- Incluem o promotor e sequências adicionais que controlam a transcrição
 4. Regulação em Procariontes
Gene Regulador
 4. Regulação em Procariontes
Controle Negativo e Positivo
Óperons
 Negativo
Proteína reguladora atua como repressor, ligando-se ao DNA (operador) e inibindo a transcrição
 Positivo
Proteína reguladora atua como ativador, ligando-se DNA e estimulando a transcrição
 4. Regulação em Procariontes
- Sistema Indutível 
Óperons Indutíveis e Repressíveis
Óperons
- Sistema Repressível
 A transcrição está normalmente desligada e deve ser ligada (induzida)
A transcrição está normalmente ligada e será desligada (inibida)
 4. Regulação em Procariontes
Óperons
 4. Regulação em Procariontes
I – Negativo indutível
Indutor
 4. Regulação em Procariontes
I – Negativo indutível
 4. Regulação em Procariontes
II – Negativo Repressível
Produto
Co-repressor
 4. Regulação em Procariontes
II – Negativo Repressível
 4. Regulação em Procariontes
III – Positivo Indutível
 4. Regulação em Procariontes
IV – Positivo Repressível
 4. Regulação em Procariontes
Óperon lac
 5. Óperon lac
E. coli
Lactose
Galactose
Glicose
Não difunde facilmente pela membrana
Permease 
Transporte ativo
β-Galactosidase
Óperon lac
E. coli
- Três enzimas codificadas por genes estruturais adjacentes
lacZ
lacY
lacA
-galactosidase
Permease
Transacetilase
- Função no metabolismo ainda desconhecida
 5. Óperon lac
-galactosidase
Permease
Transacetilase
Óperon lac
E. coli
Lactose ausente
Lactose presente
Apenas algumas moléculas destas enzimas
Taxa de síntese aumenta cerca de 1.000 vezes dentro de 2 a 3 minutos
 - Resultado da transcrição de lacZ, lacY e lacA
 5. Óperon lac
Óperon lac
E. coli
Permease 
β-Galactosidase
Embora a lactose pareça ser o indutor
Na verdade o indutor é a Alolactose
Alolactose
 5. Óperon lac
Óperon lac
E. coli
lacP – promotor comum a
 lacI - gene regulador
PI - promotor de lacI
lacI - transcrito e traduzido em um repressor
lacZ, lacY, lacA 
Repressor
Um para alolactose e outro ao DNA
2 sítios de ligação
 5. Óperon lac
33
Óperon lac
E. coli
- Operador é superposto à ponta 3’ do promotor e à ponta 5’ de lacZ
- Lactose ausente
Repressor liga-se ao sítio do operador de lac  lacO
Alolactose ausente
 5. Óperon lac
Óperon lac
E. coli
- Ligação da RNA polimerase bloqueada e a transcrição impedida
 5. Óperon lac
Óperon lac
E. coli
- Transcrição desimpedida
 5. Óperon lac
Níveis mínimos das enzimas do Óperon lac
Quebra Lactose em Glicose e Galctose
Converte Lactose em Alolactose
lacY  Permease
lacZ  β-Galactosidase 
Transporte de Lactose pra dentro da célula
A transcrição está inativa!
- Como Óperon pode ser ativado?
 5. Óperon lac
Níveis mínimos das enzimas do Óperon lac
Repressão
Nunca desliga completamente a transcrição do Óperon lac
 Apesar da ligação frequente do repressor
 Níveis baixos de transcrição ocorrem
 Algumas Enzimas são produzidas
 5. Óperon lac
A Repressão, nunca desliga completamente a transcrição do Óperon lac. Mesmo com o repressor ligado ao operador, há um nível baixo de transcrição e algumas moléculas de permease, -galactosidase e transacetilase são produzidas
 5. Óperon lac
 5. Óperon lac
 5. Óperon lac
Controle Positivo e Repressão Catabólica
 Quando a Glicose está presente
 Os genes que participam do metabolismo de outros açúcares são reprimidos
Repressão Catabólica
 6. Repressão Catabólica 
Sem Glicose
X
 Transcrição eficiente do Óperon Lac ocorre se a lactose estiver presente e a glicose ausente
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
- Repressão é resultado de um CONTROLE POSITIVO (a proteína reguladora é um ativador)
RNA
Polimerase
- Repressão é resultado de um CONTROLE POSITIVO (a proteína reguladora é um ativador)
 6. Repressão Catabólica 
- Repressão é resultado de um CONTROLE POSITIVO (a proteína reguladora é um ativador)
RNA
Polimerase
 6. Repressão Catabólica 
Regulação adicional ao sistema de controle negativo causado pela ligação do repressor ao operador na ausência de lactose
Repressão 
Catabólica
 6. Repressão Catabólica 
- O controle positivo é feito pela ligação de uma proteína
CAP (Proteína Ativadora Catabólica)
- A um sítio de aproximadamente 22 nucleotídeos (dentro de um trecho ligeiramente
anterior ao Promotor lac
 6. Repressão Catabólica 
Para que a RNA polimerase se ligue de maneira eficiente a muitos promotores é preciso que CAP esteja ligado ao DNA
 6. Repressão Catabólica 
+
Para o CAP se ligar ao DNA
Primeiro ele precisa formar um complexo com cAMP (importante nos processos de sinalização celular)
 6. Repressão Catabólica 
Em E. coli a concentração de cAMP é inversamente proporcional ao nível de glicose
Glicose (concentração alta)
Baixa concentração de cAMP
 6. Repressão Catabólica 
 Em E. coli a concentração de cAMP é inversamente proporcional ao nível de glicose
Baixa concentração de glicose
Alta concentração de cAMP
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
Baixa concentração de cAMP
Alta concentração de Glicose
Consequentemente a RNA polimerase terá pouca afinidade pelo Promotor Lac
- Consequentemente haverá pouco complexo cAMP-CAP para se ligar ao DNA
 6. Repressão Catabólica 
Baixa concentração de Glicose
Alta concentração de cAMP
Provocará um aumento da transcrição em cerca de 50 vezes
- Consequentemente haverá muito complexo cAMP-CAP para se ligar ao DNA
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
 6. Repressão Catabólica 
- CAP exerce um controle positivo em mais de 20 óperons de E. coli
 Resposta a Cap varia entre os promotores
 Alguns óperons são ativados por níveis altos, outros por níveis baixos de CAP
Dobra facilita o início da transcrição
 6. Repressão Catabólica 
Óperon trp (triptofano)
 7. Óperon trp (triptofano)
 7. Óperon trp (triptofano)
- Ao contrário do Óperon Lac, o Óperon trp é um ÓPERON REPRESSÍVEL, onde a transcrição é normalmente ligada e deve ser reprimida
 7. Óperon trp (triptofano)
 7. Óperon trp (triptofano)
- Contém 5 genes estruturais (trpE, trpD, trpC, trpB e trpA) 
Óperon trp
 7. Óperon trp (triptofano)
- trpE, trpD, trpC, trpB e trpA  estes genes produzem componentes de 3 enzimas (duas enzimas possuem 2 cadeias polipeptídicas)
Óperon trp
- Estas enzimas convertem corismato em triptofano
 7. Óperon trp (triptofano)
Óperon trp
Quando os níveis de Triptofano estão baixos
A RNA polimerase liga-se ao promotor e transcreve os 5 genes estruturais em um único mRNA, o qual é traduzido nas enzimas que convertem corismato em triptofano
 7. Óperon trp (triptofano)
- Um sítio liga-se ao DNA no sítio operador
- Outro sítio liga-se ao Trp (co-repressor)
trpR
Gene regulador que codifica o repressor inativo
 7. Óperon trp (triptofano)
- Ligação ao Trp causa uma mudança conformacional
Torna o repressor capaz de se ligar ao sítio do operador (que fica superposto ao promotor) 
- Quando o repressor está ligado ao operador não é possível transcrever os genes estruturais
75
 7. Óperon trp (triptofano)
76
 7. Óperon trp (triptofano)
RNA Polimerase
RNA Polimerase
 7. Óperon trp (triptofano)
mRNA
Quando os níveis celulares de Trp estão baixos - a transcrição do óperon Trp ocorre e mais Trp é produzido
- Quando os níveis celulares de Trp estão altos - a transcrição é inibida e a síntese não ocorre
79
Atenuação
Óperon trp
- Controle Positivo e Negativo regulam o início da transcrição
 - Alguns Óperons tem um nível adicional de controle que afeta a CONTINUAÇÃO
 8. Atenuação
 8. Atenuação
X
- Transcrição começa no sítio inicial, mas o término ocorre de forma prematura, antes que a RNA polimerase atinja os genes estruturais
- Em E. coli, o Óperon Trp não apresenta apenas a regulação no sítio do operador
 8. Atenuação
- Óperon Trp apresenta uma região de 162 nucleotídeos que corresponde a 5’ UTR do mRNA, transcrita do óperon Trp
 8. Atenuação
A 5’UTR  Líder
 Contém 4 regiões:
 Região 1 é complementar a Região 2
 Região 2 é complementar a Região 3
 Região 3 é complementar a Região 4
 8. Atenuação
 8. Atenuação
A 5’UTR  Líder
- Esta complementariedade permite a formação de duas estruturas secundárias diferentes
 - Estas estruturas determinam se a atenuação irá ocorrer
 8. Atenuação
- A formação de Grampos em 5’ UTR do Óperon de Trp é controlada pela interação da transcrição e tradução que ocorre perto da ponta 5’ do mRNA
- A sincronia precisa e a interação desses dois processos em 5’ UTR determina se ocorrerá ATENUAÇÃO
RNA Polimerase
Ribossomo
 8. Atenuação
 8. Atenuação
 8. Atenuação
Por que ocorre Atenuação?
- Repressão reduz a transcrição em cerca de 70x enquanto a atenuação de 8 a 10x, assim os dois processos juntos são capazes de reduzir a transcrição do Óperon Trp cerca de 600x
Atenuação e Repressão respondem a sinais diferentes:
 Repressão - a níveis celulares de Trp
 Atenuação - a vários tRNA carregados com Trp
- Repressor Trp afeta vários outros óperons, acredita-se que no início da evolução de E. coli, o óperon Trp fosse controlado apenas por atenuação, o repressor Trp controlaria outros óperons e apenas incidentalmente afetaria o óperon Trp
 9. RNA Anti-sentido
RNA Anti-sentido
- RNAs, ao invés de proteínas, atuam como reguladores
- Estas pequenas moléculas de RNA são complementares à sequências particulares nos mRNA, quando se ligam ao mRNA inibem a tradução
 9. RNA Anti-sentido
Ex: Gene ompF de E. coli
 Proteínas de membrana externa que permitem adaptação à Osmolaridade externas