Aula11-Regulacaoexpressaogenica-procariotos

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Regulação da expressão

gênica

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Os mesmos genes estão em todas as células de um organismo... Mas as células do organismo são diferentes... E como ! Lembre-se :

A síntese protéica é altamente dispendiosa em termos energéticos

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As células e a expressão gênica

Célula muscular _{Célula da pele} _{Célula nervosa}

Gene A

Gene C Gene B

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A expressão dos genes pode ser diferente em diferentes pontos do organismo...

...E pode mudar de acordo com o ambiente (espacial)

Meio sem o aa triptofano

trp

Meio com o aa triptofano

trp trp trp trp trp trp trp trp trp trp

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A expressão dos genes muda com o tempo (temporal) SNC coração Membros Olhos Ouvidos

dentes Genitália externa

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Regulação da expressão gênica

em procariotos

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Níveis de regulação da expressão gênica em procariotos RNA proteína DNA Função biológica 1. Transcrição 2. Processamento do RNA 3. Estabilidade do RNAm 4. Tradução 5. Alterações pós-traducionais

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Regulação da expressão gênica ao nível transcricional

Os vários mecanismos regulatórios caem em duas categorias : • Liga/desliga a expressão gênica em resposta a alterações

ambientais – mais importantes em procariotos

• Circuitos pré-programados ou cascatas de expressão gênica : evento

Genes A, B, C

Genes D, E, F

transcrição

Assim por diante...

transcrição

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Tipos de expressão: a expressão dos genes pode ser

1) Constitutiva: o produto dos genes constitutivos

(housekeeping) é sempre necessário

Ex.: RNAt, RNAr, subunidades da RNA polimerase

2) Regulada: o produto do gene é necessário sob certas

condições ambientais. Pode ser :

Indutiva : uma molécula induz a expressão do gene (indutora)

Reprimível : uma molécula reprime a expressão do gene (co-repressora)

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Expressão Reprimível Expressão Indutiva

lactose

Atividade das enzimas

envolvidas na utilização da lactose (β-galactosidase)

Atividade das enzimas

envolvidas na biossíntese do triptofano

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Tipos de controle da expressão : o controle pode ser negativo

ou positivo (mecanismos de controle transcricional)

O controle da expressão é feito por uma proteína reguladora, que é produto de um gene regulador

Controle negativo Proteína reguladora desliga a expressão do gene REPRESSORA Controle positivo

Proteína reguladora liga a expressão do gene

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Onde a proteína reguladora se liga ?

RBS (regulator binding site) : sítio de ligação da proteína

reguladora (sítios operadores)

promotor RBS Gene (s) c/ expressão regulada

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Resumindo : participam do controle da expressão

Indutor: molécula que induz a expressão de genes

Co-repressora: molécula que reprime a expressão de genes

Ativadores: produto de gene regulador que se liga a uma seqüência de DNA e liga a expressão de um gene

Repressores: produto de um gene regulador que se liga a uma seqüência de DNA e desliga (inibe) a expressão de um gene

RBS (operadores): sítio adjacente ao promotor, ao qual o ativador ou o repressor se liga

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Resumindo: participam do controle da expressão

Indução: estimulação da síntese de uma enzima por um fator ambiental (indutor), em geral a presença de um substrato em particular (lactose)

Indução coordenada: síntese simultânea de várias enzimas (operon) estimilada por um único fator ambiental (lactose)

Repressão coordenada: síntese simultânea de várias enzimas (operon) reprimida por um único fator ambiental (triptofano)

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Controle negativo e indutivo

Gene regulador

promotor RBS Gene (s) c/ exp. regulada

repressor repressor transcrição Repressor ligado ao RBS bloqueia a transcrição indutor

transcrição Gene regulador

repressor

Repressor não se liga ao RBS – ocorre a transcrição

Quando o produto do gene regulador

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Controle negativo e reprimível

Gene regulador

transcrição

Repressor não se liga ao RBS – ocorre a transcrição

Quando o produto do gene regulador se liga, impede a transcrição

Uma molécula co-repressora ajuda a reprimir a expressão do gene

Repressor ligado ao RBS bloqueia a transcrição Co-repressor

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Controle positivo e indutivo

Quando o produto do gene regulador se liga, ativa a transcrição

Uma molécula indutora induz a expressão do gene

Ativador ligado ao RBS induz a transcrição

Indutor

Gene regulador

transcrição

Ativador não se liga ao RBS – não ocorre a transcrição ativador

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Controle positivo e reprimível

Quando o produto do gene regulador se liga, ativa per se a transcrição

Uma molécula co-repressora inibe a expressão do gene

Gene regulador

transcrição

Ativador per se ligado ao RBS induz a transcrição

ativador

Ativador não se liga ao RBS – não ocorre a transcrição Co-repressor

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• Regulação positiva:

– Presença de uma proteína ativadora ligada ao sítio-alvo no DNA

(operador) para iniciar a transcrição

– Esta proteína ativadora auxilia a RNA-polimerase em direção ao seu promotor vizinho

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Regulação da expressão gênica em Procariotos

• Regulação negativa:

– Presença de uma proteína repressora ligada ao sítio-alvo no DNA

(operador) impede o início da transcrição

– Atua:

• interferindo fisicamente na ligação da RNA-polimerase ao seu promotor – bloqueio do início da transcrição

• Impedindo o movimento da RNA-polimerase ao longo da cadeia de DNA – bloqueio do alongamento da transcrição

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Regulação da expressão gênica em Procariotos

REGULAÇÃO POSITIVA

REGULAÇÃO NEGATIVA

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O modelo Operon

Jacob e Monod (1961)

Gene repressor

operador Gene(s) estruturais promotor

RNA pol

Molécula repressora

Operon : promotor + operador + genes estruturais

(RBS)

Propuseram o modelo do operon para explicar a regulação dos genes responsáveis pelo metabolismo da lactose em E. coli

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O operon lactose (lac)

Principal fonte de energia da bactéria : glicose

Na ausência de glicose, a bactéria pode usar a lactose

As enzimas responsáveis pelo metabolismo da lactose só são produzidas em grande quantidade neste caso (uma quantidade basal sempre é feita)

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O operon lac

Lac Z

P

Gene I O Lac Y Lac A

Repressor Gene regulador operon Produtos gênicos β-galactosidase β-galactosídio permease β-galactosídio transacetilase Quebra lactose em galactose + glicose

Bombeia lactose para dentro da célula

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Operon Lac : controle negativo e indutivo

Indutor

(lactose) _{indutor/repressor}Complexo

Proteína repressora

Repressor liga-se ao operador (O) e impede a transcrição de Z, Y e A O repressor não consegue se ligar ao O – ocorre a transcrição de Z, Y e A Indução coordenada (ausência de lactose) (presença de lactose)

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Indução coordenada

Trabalho de Jacob e Monod (1950):

Evidências genéticas para a existência do operador e do repressor:

• Se basearam nas diferenças entre propriedades de mutações em genes estruturais e elementos regulatórios do operon lac

• Produziram bactérias diplóides heterozigotas para as mutações

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Indução coordenada Mutações no operador (sítio regulador), presença de repressor (proteína reguladora): expressão gênica mesmo na ausência de indutor

Operador normal (elemento regulador), presença de repressor (gene I regulador normal): não tem expressão gênica na ausência de indutor

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Indução coordenada Mutações no repressor, operador normal: expressão gênica mesmo na

ausência de indutor

(29)

Indução coordenada Mutações no repressor, operador normal: não tem expressão gênica mesmo

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Princípio central da regulação gênica (procariotos / eucariotos)

Controle da transcrição é mediado pela interação de proteínas reguladoras com seqüências específicas do DNA

-seqüências reguladoras (operadores): atuação em cis (afetam

somente a expressão de genes fisicamente ligados na mesma molécula de DNA)

-proteínas reguladoras (ativadores e repressores): atuação em

trans _{(afetam a expressão de genes localizados em outras moléculas de DNA}

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Repressão catabólica ou efeito da glicose

•CAP: proteína ativadora do catabolismo; é uma proteína reguladora

•cAMP: AMP cíclico, molécula efetora; liga-se à CAP

•promotor lac: possui dois sítios de ligação : um para a RNA pol e outro para o complexo CAP-cAMP

Quem participa:

Existindo glicose e lactose no meio, a glicose deve ser preferencialmente usada como fonte de energia – o operon lac deve ser desligado em presença de glicose

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Repressor

O complexo CAP-cAMP permite a ligação da RNA pol ao promotor

Sem CAP-cAMP, a RNA pol não se liga ao promotor

A glicose impede a ativação da adenilciclase, que catalisa a formação de AMP a partir de ATP

CAP

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O operon triptofano (trip)

Controla a expressão dos genes que participam da síntese do aminoácido triptofano P O trp L trp E trp D trp C trp B trp A promotor a ε _δ β α Antranilato sintetase Indol glicerolfosfato sintetase Triptofano sintetase Ácido corísmico Ácido

antranílico PRA CDRP InGP triptofano

Sequência líder

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Operon triptofano (trip) : controle negativo e reprimível

Presença de triptofano : inibição da transcrição de genes que sintetizam triptofano

Genes não são transcritos

Presença do triptofano inibe o operon em até 70 vezes

Se o repressor estiver mutado (não funcional), ainda assim o triptofano inibe o operon em cerca de 10 vezes – outro mecanismo reduz a expressão do operon - atenuação

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Atenuação da transcrição mRNA trp (baixos níveis de triptofano) mRNA atenuado (níveis altos de triptofano)

Todos os genes do operon são transcritos

Um mRNA incompleto é produzido (140 nucleotídeos)

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Estrutura do mRNA da sequência líder

É importante lembrar que em procariotos a transcrição e a tradução são simultâneas

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Região 1 com a 2 Região 3 com a 4 Região 2 com a 3 Atenuador da transcrição (independente de rho)

Grampos que podem ser formados na região líder :

Formam-se 2 grampos... _{...ou somente 1}

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Na presença de triptofano sufuciente, a tradução continua além dos códons de Trp até o codon de término e perturba o pareamento de bases entre as regiões líder 2 e 3. Este processo deixa a região 3 livre para parear com a região 4 e formar o grampo de término de transcrição, que pára a transcrição na sequência atenuadora.

Com baixos níveis de triptofano, a tradução da sequência líder pára em um dos códons de Trp. Essa parada permite que as regiões líderes 2 e 3 formem par, o que impede a região 3 de parear com a região 4 para formar o grampo de término de transcrição. Assim, a transcrição continua por todo o operon trp.