Em que nível a expressão gênica pode ser regulada em procariontes e eucariontes?

Descrição Geral

Revisão da transcrição

Definição:

Dogma central: Para expressar um gene, o DNA é transcrito em RNA, sendo então traduzido numa proteína (ou num fragmento de proteína conhecido como polipéptido).
Transcrição é o processo pela qual o DNA é usado como um modelo para fazer mRNA.
RNA polimerase: a enzima que “lê” a cadeia de DNA modelo e cria o mRNA
Sequência promotora: sequências de DNA a montante do gene alvo que indicam o local de início e a direção do gene

O DNA:

O DNA é uma molécula de dupla hélice composta por 2 cadeias antiparalelas. O DNA tem uma estrutura que se parece com uma escada entrelaçada.

Os “lados” de cada escada são compostos por moléculas alternadas de desoxirribose (um açúcar de 5 carbonos) e fosfato.
Os “degraus” da escada são formados por moléculas que contêm nitrogénio, chamadas nucleótidos, frequentemente chamadas “bases”.
Pares de base de DNA:
- Guanina (G), citosina (C), adenina (A), e timina (T)
- G emparelha-se com C (e vice-versa) através de 3 pontes de hidrogénio.
- A emparelha-se com T (e vice-versa) através de 2 pontes de hidrogénio.
- Estes pares de bases podem ser “lidos” como uma sequência de letras (por exemplo, GTATCGA).
- Esta sequência de letras é o “código”, ou manual de instruções, usado, em última análise, para criar proteínas.
Sulcos:
- A hélice de DNA é assimétrica enquanto gira.
- Esta rotação cria sulcos major e minor entre as espirais.
- Os sulcos major são suficientemente largos de forma a que muitas proteínas regulatórias possam ligar-se diretamente ao DNA através deste espaço.

Os vincos maiores e menores no DNA:
A maioria das proteínas reguladoras liga-se ao vinco principal da hélice de DNA. Ao vinco principal dá acesso aos dadores de pontes de hidrogénio do nucleótido.

Imagem por Lecturio.

Os vincos maiores e menores no DNA:
O vinco principal dá acesso aos dadores de pontes de hidrogénio do nucleótido.

Imagem por Lecturio.

RNA:

Uma molécula de cadeia única composta por moléculas alternadas de ribose (um açúcar de 5 carbonos) e fosfato
Cada ribose está ligada a um nucleótido de RNA:
- Guanina (G), citosina (C), adenina (A), e uracilo (U)
- Note que ao invés de timina, A liga-se a U (e vice-versa) através de 2 pontes de hidrogénio.

Estrutura do RNA e do DNA

Imagem por Lecturio.

Visão geral da regulação da transcrição

Vários tipos diferentes de sinais podem influenciar se um determinado gene é transcrito ou não. Exemplos destes sinais incluem:
- Hormonas
- Enzimas
- Agentes farmacêuticos
- A presença ou ausência de certos nutrientes, ou de outras moléculas (por exemplo, lactose ou triptofano)
Mecanismos de regulação da transcrição:
- Controlar o acesso da polimerase à sequência de DNA alvo através de:
  - Fatores de transcrição
  - Potenciadores e repressores
  - Empacotamento de DNA
- Controlo do alongamento do RNA através de fatores de alongamento/ativadores
- Controlo do fim da atividade da polimerase
Regulação positiva:
- A expressão génica aumenta.
- Utiliza reguladores, ativadores ou melhoradores positivos
Regulação negativa:
- A expressão génica diminui.
- Utiliza reguladores negativos, repressores ou isoladores.

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Proteínas Reguladoras

A regulação da transcrição é mediada em parte por proteínas reguladoras que se podem ligar ao DNA na sua forma helicoidal (sem ser necessário o seu desenrolamento) e regular a atividade transcricional da RNA polimerase.

Visão geral das proteínas reguladoras

Regulam a transcrição através da ligação a sequências regulatórias do DNA:
- Promotores
- Sequências de melhoramento
- Sequências de isolamento
As proteínas reguladoras têm domínios diferentes:
- O domínio de ligação ao DNA: porção da proteína que se liga ao DNA
- O domínio funcional: porção da proteína que interage com o DNA e/ou outras proteínas para realizar a sua função
As proteínas reguladoras normalmente contêm 1 de 3 motivos de ligação de DNA primário:
- Hélice–volta–hélice
- Dedos de zinco
- Fechos de leucina

Helix–volta–helix

As proteínas reguladoras com o motivo de ligação da hélice–volta–hélice têm as seguintes características:

Estrutura: 2 segmentos helicoidais orientados perpendicularmente uns aos outros e conectados entre si através de um segmento de proteínas em loop
O segmento loop contém o domínio funcional
As proteínas ligam o DNA através do vinco principal
Trabalham em pares frequentemente
Um subconjunto de proteínas da hélice–volta–hélice são conhecidas como proteínas homeodomínio, proteínas reguladoras frequentemente envolvidas no desenvolvimento.

2 proteínas reguladoras hélice–volta-hélice ligadas ao DNA no vinco principal

Imagem por Lecturio.

Dedo de zinco

Estruturas semelhantes a 3 dedos interagem com o DNA através do vinco principal.
Utiliza zinco para se associar proximamente com o DNA
Este mesmo motivo é visto nos recetores esteroides, que contêm um domínio dedo de zinco → permite que os recetores ativados se liguem diretamente ao DNA e afetem diretamente a transcrição

O motivo de ligação do dedo de zinco:
Frequentemente utilizado em mecanismos de ligação de recetores esteroides

Imagem por Lecturio.

Fechos de leucina

Os fechos de leucina consistem em 2 proteínas, cada uma contendo uma subunidade helicoidal e uma subunidade hidrofóbica.

As subunidades helicoidais:
- Entram no DNA através do vinco principal
- Associam-se com as extremidades opostas do DNA no vinco
As subunidades hidrofóbicas:
- Permanecem fora do DNA (porque o DNA é hidrofílico)
- Contêm moléculas de leucina que “fecham” as duas proteínas.
Porções adicionais das proteínas contêm domínios funcionais que podem então interagir com o DNa ou com as proteínas circundantes.

O motivo de ligação do fecho de leucina:
Tem 2 subunidades que fecham

Imagem por Lecturio.

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Regulação da Transcrição em Procariontes

Descrição geral

A expressão génica procariótica é regulada principalmente ao nível da transcrição.
Os genes procarióticos estão organizados em grupos chamados operões.
A regulação da transcrição é feita principalmente através da indução ou da inibição dos operões.
Os genes estão sempre ativos na ausência de outros fatores (por exemplo, agentes repressores)

Operões

Os operões são grupos de genes corregulados, mais todos os componentes que regulam esses genes. Os operões contêm 2 regiões primárias de sequências de DNA:

A região reguladora contém:
- Promotor: liga o fator sigma e a RNA polimerase para iniciar a transcrição
- Operador: uma sequência de ADN que pode ligar um repressor
  - Repressor: proteínas que impedem que a RNA polimerase se mova pelo gene
  - A transcrição é inibida quando os repressores se ligam aos seus operadores.
- Gene regulador: genes para uma proteína ativadora ou repressora
- Promotor para o gene regulador
Região codificante:
- Muitas vezes contém múltiplos genes para várias proteínas diferentes
- Estes genes ou estão todos ligados, ou todos desligados.

Exemplo de um operão procariótico:
A expressão génica procariótica é regulada principalmente ao nível da transcrição. Os operões são grupos de genes corregulados em procariontes.

Imagem por Lecturio.

Operões induzíveis

Os operões induzíveis são operões que estão desligadas no estado “normal” e que se ligam sob certas condições. Um exemplo comum é o operão lac em Escherichia coli. Em circunstâncias normais, a E. coli usa glicose para energia. Quando não há glicose disponível e/ou há lactose presente, a presença de lactose induz o operão lac:

Região codificante: contém genes envolvidos no metabolismo da lactose
As regiões reguladoras codificam para:
- Um repressor
- Um ativador: proteína ativadora de catabolitos (PAC)

Operão lac:
Na presença de lactose, a expressão é ativada.

Imagem por Lecturio.

Regulação génica através do repressor lac:

A lactose impede a ligação do repressor à sequência do operador
Na presença de lactose: o repressor é incapaz de se ligar → pode ocorrer transcrição dos genes
Quando a lactose está ausente: o repressor liga-se à sequência do operador → a transcrição é inibida porque a RNA polimerase é bloqueada
Assim, a presença de lactose induz a transcrição de genes para o metabolismo da lactose.

Regulação génica através do ativador da PAC:

Quando a glicose está baixa: A PAC é produzida → liga-se à região potenciadora (ver “Sequências potenciadoras” abaixo) → ativa/acelera a transcrição
Quando a glicose é abundante: a PAC não é produzida → a transcrição não é potenciada

Operões repressíveis

Operões repressíveissão operões que estão ativados no estado “normal” e que se inativam sob certas condições. O operão trp é um exemplo comum:

A região codificante contém vários genes que codificam as enzimas necessárias para a síntese do triptofano.
:Regiões reguladoras codificam para um repressor
- O repressor requer triptofano para ser ativado.
- Sem triptofano, o repressor está inativo.

No seu estado normal, o operão está ligado e a produzir triptofano.

Quando o triptofano está presente:
- Triptofano liga-se ao seu repressor → o repressor é ativado
- O repressor liga-se ao seu operador → impede a transcrição
- Resultado: A presença de triptofano desliga os genes que fariam mais triptofano.
Quando o triptofano não está presente:
- Não há triptofano para se ligar ao repressor → o repressor está inativo
- O repressor não pode se ligar ao operador → transcrição ocorre
- Resultado: Quando nenhum triptofano está presente, os genes que codificam as enzimas para sintetizar o triptofano são transcritos.

Operão trp:
O triptofano ativa o repressor.

Imagem por Lecturio.

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Regulação Transcricional Eucariótica

Descrição Geral

A regulação da transcrição em eucariontes é mais complexa do que em procariontes porque o desenvolvimento de eucariontes é muito mais complicado.
Os genes eucarióticos estão sempre desligados na ausência de uma multiplicidade de fatores de transcrição que devem ser recrutados.
A expressão do gene eucariótico é regulada em cada passo da via:
- Empacotamento de DNA em cromatina
- Transcrição
- Modificação pós-transcricional
- Tradução
- Modificação e degradação de proteínas
A transcrição é regulada principalmente por:
- Fatores de transcrição
- Sequências regulatórias do DNA

Fatores de transcrição

Fator de transcrição (FT) é um termo genérico para as proteínas necessárias à transcrição. Cada um destes fatores ajuda a regular a expressão génica.

Fatores de transcrição gerais:
- Ligam-se à sequência promotora
- São necessários para a ligação dA RNA polimerase II ao DNA para iniciar a transcrição
Complexo de iniciação:
- O complexo de fatores de transcrição e RNA polimerase II na sequência promotora
- Assim que o complexo de iniciação é montado no promotor, a transcrição pode começar.
Fatores associados à transcrição: proteínas específicas que atuam de uma forma dependente do tempo ou dos tecidos para iniciar a transcrição

Sequências potenciadoras

As sequências potenciadoras do DNA ajudam a iniciar ou a aumentar a transcrição, o que promove ainda mais a expressão génica.

Estas sequências podem ligar-se a:
- Proteínas ativadoras:
  - Tipos específicos de FT que ajudam a montar e/ou a interagir com as FT no promotor
  - Funcionam de forma a ativar ou aumentar a transcrição
- Proteínas repressoras: reprimem a transcrição
Normalmente localizado a vários milhares de pares de bases a montante do gene alvo
- Criam um laço (loop) no DNA quando interagem com o promotor
- Permitem um maior aperfeiçoamento da regulação:
  - Uma única sequência potenciadora pode interagir com vários promotores/genes.
  - Um único gene pode interagir com várias sequências potenciadoras.
Sequências isolantes:outras sequências de DNA que podem evitar que as potenciadoras interajam com a região promotora

Complexo de iniciação de transcrição eucariótica

Imagem por Lecturio.

Epigenética

A regulação epigenética é a regulação da expressão génica que não envolve alterações da sequência de DNA ou de qualquer um dos seus produtos transcritos. A epigenética inclui:

Como o DNA é acessível à RNA polimerase com base na forma como é embalado: O DNA está envolto num nucleossoma com uma cauda de histonas.
Modificação de histonas através de:
- Acetilação → “desempacota” o DNA e permite a transcrição
- Metilação → protege as regiões inativas e previne a transcrição acidental
Modificação do nucleossoma:
- Pode deslizar para cima e para baixo no DNA, alterando o DNA acessível para transcrição
- Pode ser remodelado
- Pode ser removido temporariamente

Empacotamento de ADN:
Como o DNA é embalado em nucleossomas e depois em cromossomas.

Imagem por Lecturio.

Remodelação de nucleossomas:
Exemplos de mudanças nas histonas. Os fatores de remodelação da cromatina também alteram a estrutura da cromatina. A cromatina utiliza energia da ATP.

Imagem por Lecturio.

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Referências

Cooper GM (Ed.). (2000). The cell: a molecular approach. In Regulation of Transcription in Eukaryotes, 2nd ed. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9904/
Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (Ed.) (2000). Molecular cell biology. In The Three Roles of RNA in Protein Synthesis, 4th ed. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21603/
Christensen K, Hulick PJ. (2020). Basic genetics concepts: DNA regulation and gene expression. UpToDate. Retrieved April 15, 2021, from https://www.uptodate.com/contents/basic-genetics-concepts-dna-regulation-and-gene-expression

Em que níveis a expressão gênica pode ser regulada em procariontes e eucariontes?

Níveis da regulação gênica A expressão gênica pode ser controlada em qualquer um dos vários pontos ao longo da via molecular do DNA até a proteína, incluindo a estrutura do gene, transcrição,processamento do mRNA, estabilidade do RNA, tradução e modificações pós traducionais.

Como ocorre o controle da expressão gênica em Procariotos e em eucariotos?

A regulação da expressão gênica eucariótica pode ocorrer na transcrição, no processamento ou na tradução. Como em procariotos, a expressão de genes em euca- riotos requer a transcrição de DNA em RNA e a subse- quente tradução desse RNA em polipeptídios.

Em quais níveis a expressão gênica pode ser regulada?

A expressão gênica também é regulada em nível proteico, por meio da modulação da tradução do RNAm e por meio da modificação da estrutura e da estabilidade das proteínas (animação 2). Animação 2 - Controle da expressão gênica: em eucariontes, a regulação pode ocorrer em qualquer etapa da expressão do material genético.

Como ocorre a regulação da expressão gênica em Procariotos?

As bactérias têm moléculas reguladoras específicas que controlam se um gene determinado será transcrito em RNAm. Muitas vezes, essas moléculas atuam se ligando ao DNA próximo do gene e promovendo ou bloqueando a enzima da transcrição, RNA polimerase.