Regulação da expressão gênica. John Wiley & Sons, Inc.

Transcrição

1 Regulação da expressão gênica

2 Cada célula tem todos os genes, mas em um tecido apenas parte deles está ativa

3 REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA Diferenciação celular: diferentes tipos celulares em um mesmo organismo. Adaptação metabólica às diferentes condições ambientais: mudança da capacidade celular.

4 Embriões de Drosófila com inserção do gene da -galactosidase de bactéria. Expressão diferencial dependente da localização do gene no genoma (a) traquéia e mesoderme; (b) sistema nervoso; (c) células gliais do SNC; (d) músculo.

5 Mecanismos Regulatórios Mecanismos que exigem rápida ativação e desativação da expressão em resposta a alterações ambientais. Cascatas de expressão gênica.

6 Expressão de genes Constitutivos, Induzíveis e Repressíveis Genes que especificam os componentes celulares que executam funções de manutenção são expressos constitutivamente. Outros genes só são expressos quando seus produtos são necessários para o crescimento.

7 Genes Constitutivos Certos produtos gênicos (trnas, rrnas, proteínas ribosomais, subunidades de RNA polimerases) são essenciais para a maioria das células. Genes que codificam esses produtos são expressos continuamente na maioria das células.

8 Genes Induzíveis e Repressíveis Outros produtos gênicos são necessários para o crescimento celular em determinadas condições ambientais. Mecanismos regulatórios permitem a síntese desses produtos apenas quando são necessários.

9 Regulação gênica em procariotos

10 Indução de Genes para utilização da Lactose Expressão é induzida quando a glicose está ausente e a lactose presente. A indução ocorre ao nível de transcrição.

11 Repressão de Genes para biossíntese de Triptofano Genes são expressos (desrepressão) na ausência de triptofano e reprimidos quando o triptofano está presente. Repressão ocorre ao nível da transcrição.

12 Controle Positivo e Negativo da Expressão Gênica Em alguns casos, é necessário o produto de um gene regulador para iniciar a expressão de um ou mais genes. Em outros, é necessário o produto de um gene regulador para desativar a expressão de um ou mais genes.

13 Mecanismos de Controle Positivo e Negativo Genes reguladores codificam produtos que regulam a expressão de outros genes. Em mecanismos de controle positivo, o produto do gene regulador é necessário para a expressão de genes estruturais. Em mecanismos de controle negativo, o produto do gene regulador é necessário para desativar a expressão de genes estruturais.

14 Moléculas Efetoras A capacidade de uma proteína se ligar depende da presença ou ausência de moléculas efetoras. Indutoras são efetoras envolvidas na indução da expressão gênica. Correpressoras são efetoras envolvidas na repressão da expressão gênica.

15 Regulação positiva e negativa

16 Operons: Unidades de expressão gênica de regulação coordenada Em procariotos, genes com funções relacionadas geralmente estão presentes em unidades de regulação coordenada.

17 Operon

18 Estrutura do operon

19 Indução

20 Repressão

21 O Operon Lactose em E. coli: Indução e repressão Os genes estruturais são transcritos somente na presença de lactose e ausência de glicose.

22 O Operon lac de E. coli

23 Duas reações catalizadas pela - galactosidase Reações catalisadas pela -Galactosidase

24 Metabolismo da lactose

25 Indução do Operon lac O gene lac I codifica um repressor. Na ausência do indutor, o repressor se liga no operador e reprime a transcrição. O indutor, alolactose, é derivada da lactose na reação catalisada pela -galactosidase. Quando o repressor se liga a alolactose, ele se desliga do operador e a transcrição é iniciada.

26 Repressão Catabólica O promoter lac tem 2 componentes: O sítio de ligação da RNA polimerase O sítio de ligação para proteína ativadora de catabolismo (CAP) A ligação de CAP ao promoter ativa a transcrição do operon lac.

27 Operon lac

28 O Operon Triptofano em E. coli: Repressão e Atenuação Os genes estruturais do operon triptofano só são transcritos quando o triptofano está ausente ou em baixa concentração. A expressão dos genes no operon trp é por repressão e por atenuação, quando o triptofano está presente.

29 Regulação da Transcrição do operon trp Operon do Triptofano Regulação pelo repressor na presença do Triptofano Promotor Dupla fita de DNA Operador Início de transcrição Níveis baixos de Triptofano Repressor inativo Triptofano Níveis altos de Triptofano RNA polimerase Repressor ativo mrna Expressão ativa Expressão inativa

30 Regulação do Operon trp por atenuação Repressor Trp Trp Atenuador mrna Baixos níveis de triptofano mrna atenuado Altos níveis de triptofano

31 Regulação do Operon trp por atenuação Peptídeo líder Sítio de atenuação da transcrição Fim da região líder Polipetídeo TrpE

32 Regulação do Operon trp por atenuação Presença de triptofano Peptídio líder completo Ribossomo Atenuador Baixo nível de transcrição Par 3:4 (atenuador) Peptídio líder incompleto Ausência de triptofano Genes regulados por trp Alto nível de transcrição Par 2:3

33 Estruturas Secondárias Alternativas do Transcrito do trpl A concentração de triptofano determina qual dessas estruturas é formada Grampo de término da transcrição

34 Quando os níveis de triptofano são baixos, a tradução ocorre através de todo o operon

35 Quando os níveis de triptofano são altos a tradução para.

36 Regulação por controle da tradução O ajuste fino da regulação da expressão gênica ocorre por modulação da frequência de início da tradução ou da taxa de alongamento da cadeia polipeptídica.

37 Mecanismos de regulação da tradução Eficiência diferencial do ponto de início da tradução. Alteração da eficiência do movimento do ribossomo. Taxas diferentes de degradação de regiões do mrna.

38 Mecanismos regulatórios póstradução A inibição por Feedback ocorre quando o produto de uma via de biossíntese inibe a atividade da primeira enzima da via, interrompendo a síntese do produto.

39 Inibição por Feedback

40 Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos

41 Regulação da Expressão Gênica Trajetória da expressão de um gene Principal ponto de regulação Núcleo Citoplasma mrna inativo DNA RNA transcrito mrna mrna PROTEÍNA PROTEÍNA INATIVA

42 REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA Regulação espacial: diferentes tipos celulares em um mesmo organismo. Temporal: genes diferentes expressos em tempos diferentes em resposta a sinais biológicos ou estímulos ambientais.

43 Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos Transcrição e tradução separadas temporal e espacialmente; Eucariotos possuem proteínas regulatórias maiores e mais complexas; O acesso aos promotores é restrito pela estrutura da cromatina; Promotores de eucariotos são intrinsecamente inativos: Não ocorre início de transcrição na ausência de proteínas acessórias.

44 Eventos que levam a iniciação da transcrição PROTEÍNA ATIVADORA DO GENE LIGA-SE A CROMATINA REMODELAGEM DA CROMATINA MODIFICAÇÃO COVALENTE DE HISTONAS PROTEÍNAS ATIVADORAS ADICIONAIS LIGAM-SE A REGIÃO REGULATÓRIA DO GENE MONTAGEM DO COMPLEXO DE PRÉ-INICIAÇÃO NO PROMOTOR Complexo de remodelagem da cromatina Enzimas modificadoras de histonas Outras proteínas ativadoras INICIAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO Fatores gerais de transcrição da RNA polimerase Outras proteínas ativadoras Rearranjo das proteínas no complexo de pré-iniciação

45 Transcrição em Eucariotos e a Cromatina O Problema do Nucleossomo A transcrição é fortemente reprimida na cromatina condensada Regiões ativamente transcritas possuem nucleossomos mais espaçados Cromatina transcricionalmente ativa possui menos histona H1

46 Estrutura do Nucleossomo Octâmero de histonas

47 Modificações da Cromatina Heterocromatina: inativa na transcrição Eucromatina: cromatina menos condensada PODE ESTAR ATIVA Padrões de modificação covalente Acetilação Metilação Fosforilação

48 Código de Histonas