Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos e Procariotos

REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA META Apresentar dos principais mecanismos reguladores da expressão gênica em Eucariotos e Procariotos OBJETIVOS Ao fi nal desta aula o aluno deverá conhecer os mecanismos gerais de regulação utilizados por Procariotos e Eucariotos relacionar as diferenças entre os mecanismos utilizados pelas duas categorias de organismos entender a importância dos mecanismos apresentados para a sobrevivência dos organismos PRÉREQUISITOS Para alcançar os objetivos propostos o aluno deverá rever as aulas de estrutura e funcionamento do DNA Transcrição e tradução como também utilizar a bibliografi a indicada para aprofundar seus conhecimentos Aula 9 152 Genética Básica INTRODUÇÃO Cada célula que compõe nossos órgãos e tecidos contém o mesmo complemento de DNA conhecido como genoma pessoal Para nossas células tornaremse célula da pele ao invés de célula capilar certos genes tem que ser ligados ou desligados Este processo de comutação da expressão gênica é denominado regulação gênica Alguns genes como os das proteínas ribossomiais devem ser continuamente expressos em todas as células para manter a produção de proteínas Outros genes no entanto estão ativos somente em células ou tecidos específi cos P ex o gene da opcina o qual codifi ca a proteína que ajuda a recepção de cor no olho só está expressão nas células da retina do olho Todos esses processos são precisamente regulados separadamente e em conjunto para que os organismos se desenvolvam obedecendo suas necessidades diárias e temporais O controle da expressão gênica em organismos cujo material genético é o DNA é um processo coordenado e muito preciso O metabolismo celular as respostas dos indivíduos ao ambiente a expressão dos genes responsáveis por cada período do desenvolvimento todos dependem de uma regulação conjunta e orquestrada Cada organismo vivo tem a capacidade de ligar e desligar seus genes em momentos diferentes do seu ciclo de vida e sob certas condições Isto ocorre continuamente em nossos corpos sem a nossa interferência e mesmo consciência Este processo de regulação gênica é similar em todos os organismos aumentando em complexidade à medida que subimos na cadeia evolutiva Na maioria dos organismos esta regulação ocorre no nível da transcrição do DNA durante a síntese do RNAm Para compreender a regulação precisamos primeiro entender a estrutura dos genes em Procariotos e Eucariotos ESTRUTURA DO GENE A estrutura geral dos genes de Procariotos e Eucariotos é muito semel hante uma vez que nos dois casos há seqüências reguladoras que antecedem a região codifi cante e seqüências terminadoras que delimitam o fi nal do gene Assim um gene seja qual for sua origem tem inicio e fi m fi gura1 153 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 Figura1 Nos Procariotos a estrutura é mais simples e contém uma região codifi cante inteira sem interrupção Evolutivamente essa estrutura mostrouse a mais efi ciente para um grupo de organismos que não tem divisão entre núcleo e citoplasma e seu DNA está mergulhado em seu citoplasma em um local denominado Nucleóide fi gura 2 Figura 2 154 Genética Básica Nesse ambiente a expressão gênica transcrição e tradução ocorre ao mesmo tempo já que esse organismo unicelular está mergulhado em seu meio e precisa dar respostas rápidas para sua sobrevivência ver fi gura 3 Figura 3 Nos eucariotos havendo 2 compartimentos separados há divisão de trabalho entre núcleo e citoplasma Figura 4 Figura 4 Além disso um mesmo DNA está presente em diversos tipos celula res tornando a expressão dos genes tecidoespecifi co Não se espera em indivíduos normais que uma proteína essencial ao sistema nervoso seja produzida no fígado Figura 5 155 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 Figura 5 Diferentes categorias de genes se expressam durante a vida de um organismo eucarioto As principais são Genes de manutenção housekeeping Expressos em todas as células São responsáveis pela rotina metabólica comum a todas as células Outros genes se expressam à medida que a célula entra em um período de diferenciação Alguns são expressos todo o tempo em células diferenciadas P ex Uma célula do plasma expressa continuamente os genes para anticorpos Alguns são expressos somente em condições de mudança do ambiente extracelular P ex a chegada de um hormônio pode ligar ou desligar certos genes A expressão gênica ocorre então em vários níveis Figura 6 Figura 6 Genética Basica Geralmente na maioria dos organismos o controle da expressao genica se da na transcricao o que é compreensivel pois é melhor parar 0 processo antes da producao da mensagem que depois CATEGORIAS DE MECANISMOS REGULADORES I Ligagao e Repressao da acao génica em resposta a mudancas ambientais Procariotos Funcionam como interruptores pois ligam e desligam genes de acordo com as respostas dos procariotos as mudancas ambientais ajustando seu metabolismo rapidamente ao crescimento e reprodugao IL Circuitos Préprogramados de expressao génica Eucariotos Em eucariotos a expressao de genes funciona de maneira semelhante aos procariotos mas devido aos diferentes tipos celulares e as diferentes fases do desenvolvimento o ligar e desligar de genes obedece a uma pro gramacao que se inicia no zigoto continua durante a vida dos individuos e Mesmo na morte o circuito tem seu papel REGULACAO GENICA EM PROCARIOTOS CONSTITUTIVA INDUZIVEL E REPRESSIVEL Como todos os organismos procariotos como as bactérias possuem genes constitutivos ou de manutengao que produzem proteinas ribossomi cas RNAt e outros que mantém o metabolismo ativo Outros genes sao sazonais ou seja sO sao ligados quando em resposta a condides am bientais Em seu metabolismo elas sintetizam aminoacidos vitaminas carboi dratos etc Durante seu crescimento elas podem usar qualquer carboidrato glicose sacarose galactose ou lactose como fonte de energia Se ha glicose ela a usa em seu metabolismo sem ligar ou ativar nenhum gene temporario Mas se a lactose for a Unica fonte de carbono ela sintetiza 3 enzimas a 6galactosideo permease e a 8galactosidase que metabolizam a lactose A galactosideo permease carreia lactose do meio externo para dentro da bactéria A galactosidase cataliza a quebra da lactose em glicose e galactose acucares de maior energia 6galactosideo transacetilase fungao ainda desconhecida Para quebrar a lactose a bactéria utiliza um sistema de inducao e re ptessao genicas ou seja quando nao ha glicose o acucar de maior energia ela utiliza lactose que esteja disponivel ligzando genes para quebralo e quando o acucar nao estiver mais disponivel desligandoos A presenca 156 157 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 da lactose induz a célula bacteriana a produzir as enzimas necessárias para quebrála então a lactose é o Indutor da expressão gênica Os genes das enzimas são induzíveis A indução ocorre no nível da transcrição Ela altera a taxa da síntese de enzimas mas não a atividade delas A regulação da expressão gênica indução ou ativação de genes e a repressão ou o desligamento de genes é feita por genes reguladores que atuam por meio de mecanismos de controle positivo e negativo ver fi gura 7 Nos mecanismos de controle positivo o produto do gene regulador é necessário para ligar a expressão de um ou mais genes estruturais que produzem proteínas Nos mecanismos de controle negativo o produto do gene regulador é necessário para desligar a expressão dos genes estruturais Os produtos do gene regulador são chamados de ativadores ligando genes no controle positivo e repressores desligando genes no controle negativo Figura 7 Genética Basica O MODELO DO OPERON Em 1961 dois cientistas Francois Jacob e Jacques Monod propuseram um modelo para explicar a utilizagao de lactose por E coli o Modelo do Operon Nesse modelo um conjunto de genes reguladores e estruturais agindo coordenados controla a producao de enzimas responsaveis pela degradacao da Lactose Os genes que constituem o Operon sao IPOZYA I produz uma proteina repressora na auséncia de Lactose o operon esta desligado por tal proteina A proteina repressora produzida pelo gene I se liga ao operador impedindo a ligacao da RNA polimerase Obs Lembre que em qualquer gene a expressao génica comeca quando a RNA polimerase se liga ao promotor do gene e sintetiza um RNA que contem a regiao a regiao codificante do gene ver Aula de transcriao P Promotor o promotor é a sequiéncia que é reconhecida pela RNA polimerase onde se inicia a transcricao Ela antecede a regiao codificante dos genes O Operador Seqiiéncia que faz parte da regiao promotora e respon savel pela ligacao da proteina repressora impedindo a transcricao Quando o operador esta desreprimido a RNA polimerase passa por ele em direcao ao genes estruturais ZYA Z ptoduz enzima Bgalactosidase que quebra a lactose em glicose e galactose Y produz a enzima 6galactosideo Permease transporta via membrana a lactose do meio externo para dentro da célula bacteriana A produz a enzima 6galactosideo transacetilase participa do controle positivo do operon CONTROLE DA EXPRESSAO GENICA EM PROCARIOTOS O PAPEL DO PROMOTOR A regiao promotora de qualquer gene localizase a 5 antes da regiao codificante controlando a ligagao da RNA polimerase quando os genes precisam ser transcritos Numa analogia se a RNA polimerase fosse um carteiro o promotor é o endereo do gene Por convengao os nucleotideos que véem antes da regiao codificante sao enumerados com sinal negativo e a partir da regiao codificante com sinal positivo figura 8 158 159 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 Figura 8 Em procariotos o promotor possui duas regiões conservadas evoluti vamente que estão presentes em diferentes espécies e chamadas seqüências de consenso que precedem a região codifi cante a seqüência a cerca de 10 nucleotídeos da região codifi cante 10 chamada TATA Box e a seqüência 35 TTGACA Essas seqüências podem variar de gene para gene mas alguns nucleotídeos se repetem em diferentes genes A subunidade sigma da RNA polimerase reconhece primeiro a região 35 e depois desliza em direção a 10 A seqüência 10 é rica em AT e facilita o desenrolamento localizado do DNA necessário para a síntese de uma nova cadeia de RNA No modelo operon o indutor da transcrição de seus genes é a Alo lactose derivada da lactose em uma relação catalizada pela Bgalactosidase o qual se associa ao repressor e inibeo deixando o promotor livre para a interação com a RNA polimerase e conseqüente transcrição do gene Jacob e Monod 1961 Veja vídeos sobre o funcionamento do Operon Lac no link indicado nas referencias bibliografi cas AÇÃO DO OPERON POR CONTROLE NEGATIVO Como já dito o Operon Lac é induzível pois seus genes só são tran scritos na presença de Lactose Na sua ausência a proteína reguladora de I deixa o sitio O reprimido Quando a Lactose está presente ela ligase ao repressor muda sua conformação e ele sai do operador A liberação deste sítio faz com que a RNA polimerase se ligue ao operador e inicie a transcrição dos genes Z Y e A que serão em seguida traduzidos nas 3 enzimas Bgalactosidase Bgalactosideo permease e Bgalactosideo transacetilase 160 Genética Básica Figura 9 AÇÃO DO OPERON LAC POR CONTROLE POSITIVO Pode acontecer de estarem presentes na célula bacteriana tanto Glicose quanto Lactose e a glicose é degradada preferencialmente A presença da glicose impede a indução do Operon Lac ou outros operons envolvidos no catabolismo dos carboidratos Esse fenômeno é chamado repressão catabólica e assegura que a glicose seja metabolizada quando presente preferencialmente a outras fontes de energia menos efi cientes A repressão catabólica do operon Lac e outros são mediadas por uma proteína reguladora chamada CAP proteína ativadora de catabólito e uma pequena molécula de AMP cíclico AMPc que só funcionam juntas em um complexoCAPAMPc O promotor Lac contém dois sítios de ligação separados um para RNApol e outro para o complexo CAPAMPc A glicose em grandes impede a formação do AMPc por que ela im pede a adenilciclase de formálo Mas a medida que a glicose é degradada a concentração de AMPc vai aumentando e ele pode então se ligar a CAP formando o complexo Esse complexo se liga então ao promotor Lac e amplia o numero de RNAm e conseqüentemente enzimas para degradar a lactose 161 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 Uma pergunta comum é se a lactose está presente o operon está desreprimido e está produzindo as enzimas então porque precisa do complexo CAPAMPc A resposta é que o promotor Lac é dito fraco pois ele não se liga ou encaixa efi cientemente a RNApol e a produção de enzimas quando só a lactose está presente é de cerca de 2 Quando o complexo CAPAMPc se liga ao operador ele aumenta a efi ciência de ligação do promotor fazendo com que o encaixe seja perfeito e a produção de proteínas aumente muito Alem do Operon Lac outros operons estão presentes em E coli Arabinose Trptofano e outros O modelo do Operon Lac foi essencial para compreendermos como genes são ligados e desligados Essa com preensão ajudou a entender mecanismos similares em Eucariotos como veremos em seguida REGULAÇÃO GÊNICA EM EUCARIOTOS Vimos anteriormente que a expressão de genes eucariotos é regulada por circuitos préprogramados onde toda as células de organismos multi celulares tem o mesmo DNA mas com exceção dos genes constitutivos cada gene atua de maneira espacial e temporal P ex as Hemoglobinas do adulto humano só são produzidas depois que a hemoglobina fetal diminui sua quantidade aos 6 meses de vida Em humanos dos 25000 a 30000 genes codifi cados pelo Projeto Genoma cerca de 3 codifi ca proteínas No entanto o número de pro teínas produzidas excede largamente o número de genes Este fato pode ser explicado tendo em consideração o seguinte Os genes de eucariotos são interrompidos Em um segmento de DNA correspondente a um gene que codifi ca uma determinada proteína encontrase regiões codifi cadoras chamadas Exons alternandose com regiões nãocodifi cadoras os introns fi gura 10 Figura 10 162 Genética Básica O transcrito resultante não é funcional e só poderá ser traduzido se for devidamente montado descartandose os introns e unindose os exons em seqüência ordenada Este tipo de modifi cação do transcrito primário é denominado splicing cortar e colar montagem e ocorre dentro do núcleo O transcrito processado e pronto para migrar para o citoplasma recebe o nome de RNA mensageiro Os exons codifi cam sequências de aminoácidos designadas domínios que podem fazer parte de mais do que uma proteína Diferentes combina ções de exons formam diferentes proteínas A regulação em eucariotos tem várias características a considerar 1 Núcleo e citoplasma em eucariotos estão separados por membrana sendo o trabalho compartimentalizado também No núcleo produzse RNA que é montado na maneira de um RNAm este vai para o citoplasma reticulo endoplasmático para ser traduzido 2 Como já visto na aula de transcrição eucariotos têm 3 tipos de RNA polimerase I II e III para cada tipo de RNA 3 Há modifi cações póstranscricionais retirada dos introns e modifi cação das extremidades 5e 3do RNAm 4 A regulação da expressão gênica sofre a ação de sinais intra e extrace lulares 5 As proteínas reguladoras que controlam a transcrição são os fatores de transcrição muitos deles com domínios característicos para interagir com o DNA MONTAGEM ALTERNATIVA DE RNA A maioria dos genes eucarióticos tem introns Cada um deles precisa ser removido para que o RNAm contenha apenas a seqüência codifi cante que será traduzida em aminoácidos A formação do RNAm é feita por enzimas especifi cas Spliceossomos que corta os introns separadamente ou em conjunto Quando um corte de introns leva um exon junto a recomposição forma uma proteína diferente ampliando o leque das alternativas que um RNAm pode formar como mostra a fi gura 11 ao lado 163 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 Figura 11 O controle da expressão gênica em eucariotos é mais complexo do que em bactéria pois a passagem do núcleo para o citoplasma a resposta a sinais ambientais internos e externos e a comunicação celular impõem a ação coordenada de todos os elementos envolvidos CONTROLE DO PROMOTOR E ELEMENTOS PRÓXIMOS Boa parte desse controle se dá no promotor e nas regiões proximais a ele Uma vez que em diferentes tipos celulares diferentes genes se expres sam a estrutura do promotor tem que refl etir esse critério espacial Como em baterias o promotor tem que sinalizar o inicio do gene para a RNA polimerase assim como a regulação a distância por meio de elementos proximais a ele PROMOTOR Como já visto em bactérias contém seqüências de consenso 35 e 10 que sinalizam o inicio da transcrição para a RNA pol Aqui no entanto a seqüência 35 assume diferentes arranjos pois é mais tecido especifi ca ou seja cada gene em cada tecido pode ter uma seqüência um pouco diferente para identifi car onde ele está coração pele etc ENHANCER AMPLIFICADOR Seqüência que está acima upstream do promotor a milhares de nucleo tídeos distante dele e que tem a função de ser a região onde os fatores de transcrição se ligam para ampliar a produção de RNA Por isso os fatores de transcrição que se ligam a ele são chamados ativadores de transcrição 164 Genética Básica SILENCIADOR Outra seqüência de nucleotídeos que age a distancia do promotor e ligandose a fatores de transcrição silenciando genes Os fatores de tran scrição que se ligam ao silenciador são chamados repressores As fi guras 12 e 13 ilustram esses elementos 165 Regulação da Expressão Gênica Aula 9 REGULAÇÃO GÊNICA POR HORMÔNIOS Duas categorias de hormônios são importantes na regulação gênica em eucariotos 1 Hormônios esteróides progesterona e estrogênio moléculas pequenas lipossolúveis que atravessam a membranas celulares Quando entram na célula interagem com receptores hormonais no citoplasma ou núcleo formando um complexo e interage com o DNA se comportando como fatores de transcrição fi gura 14 Figura 14 CONCLUSÃO Os mecanismos apresentados nesse capitulo demonstram as diferentes estratégias utilizadas por organismos pro e eucariotos para expressar ou reprimir genes ou conjuntos de genes em resposta ao seu ciclo de vida e as exigências do ambiente Embora os mecanismos em cada categoria de organismo sigam os mesmos princípios o nível de complexidade de cada um deles obedece as relações de cada organismo com seu meio como vimos no uso da lactose por bactérias e o papel dos hormônios em eucariotos RESUMO Os mecanismos citados neste capitulo são representativos de uma gama de outros existentes em Procariotos e Eucariotos A compreensão desses mecanismos tem ajudado a entender a complexidade de estratégias utilizadas pelos organismos para responder as diferentes demandas do seu ambiente 166 Genética Básica ATIVIDADES 1 A célula muscular cardíaca e a esquelética têm a mesma origem porém são diferentes tanto do ponto de vista estrutural como funcional Ao longo do processo de diferenciação das células do mesmo organismo ocorre a duplicação de alguns genes b perda dos genes não expressos c expressão diferencial dos genes d indução de mutações específi cas e recombinação entre genes ativados 2 No operon LAC de E coli qual é a função de cada um dos seguintes genes ou sítios a regulador b operador c promotor d gene estrutural Z e gene estrutural Y AUTOAVALIAÇÃO Após estudar esta aula consigo 1 Explicar qual is as diferenças entre a regulação gênica de procariotos e eucariotos 2 Em relação ao Operon LAC responda a Qual a diferença repressores e indutores b Como se diferencia controle positivo e controle negativo na regulação gênica 3 Foi demonstrado experimentalmente que a maioria das sequências alta mente repetitivas de DNA de cromossomos eucariotos não são transcritas O que isto indica a respeito da função deste tipo de DNA REFERÊNCIAS ALBERTS B JOHNSON A LEWIS J et al Molecular Biology of the Cell 4th edition New York Garland Science 2002 GRIFFITS A J F e Col Introdução à genética Editora Guanabara Koogan 9a edição Rio de Janeiro RJ 2008 SNUSTAD D P Fundamentos de Genética Editora Guanabara Koogan 6a edição Rio de Janeiro RJ 2008