EXPRESSÃO GÊNICA
O termo expressão gênica refere-se ao
processo em que a informação codificada
por um determinado gene é decodificada
em uma proteína. Teoricamente, a
regulação em qualquer uma das etapas
desse processo pode levar a uma
expressão gênica diferencial.
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Objetivos da regulação da expressão gênica em
bactérias e em organismos multicelulares
• Nas bactérias o controle da expressão gênica
serve principalmente para permitir que as
células se ajustem às mudanças nutricionais no
ambiente, de forma que o seu crescimento e
divisão sejam otimizados.
• Em organismos multicelulares a expressão
gênica controlada regula um programa genético
fundamental para o desenvolvimento
embrionário e a diferenciação.
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Como uma célula pode controlar as
proteínas que ela faz?
•
Controlando quando e como um determinado
gene é transcrito;
• Controlando como um transcrito primário de
RNA sofre o “splicing” ou é processado;
• Selecionando quais mRNAs são traduzidos;
• Ativando ou inativando seletivamente as
proteínas depois da sua síntese.
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Estrutura Gênica e Definição de Termos
• Gene: toda a seqüência de ácido nucléico que é
necessária para a síntese de um polipeptídeo
funcional ou molécula de RNA.
• Unidade de Transcrição : segmento de DNA que
codifica a seqüência no transcrito primário.
• Promotor: a seqüência mínima necessária para
que a transcrição se inicie corretamente.
• Elementos Regulatórios em Cis: elementos que
regulam a iniciação da transcrição.
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Diferenças na Iniciação da Transcrição
em Eucariotos e Bactérias
•
•
Enquanto as bactérias contêm um único tipo de
RNA-polimerase, as células eucarióticas
apresentam três: RNA-polimerase I, RNApolimerase II e RNA-polimerase III.
A RNA-polimerase bacteriana é capaz de iniciar a
transcrição sem o auxílio de proteínas adicionais.
As RNA-polimerases eucarióticas requerem a ajuda
de um grande conjunto de proteínas chamadas
fatores gerais de transcrição.
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Diferenças na Iniciação da Transcrição
em Eucariotos e Bactérias
•
Em eucariotos as proteínas reguladoras da expressão
gênica (repressores e ativadores) podem influenciar a
iniciação da transcrição, mesmo quando estão ligadas ao
DNA a milhares de pares de nucleotídeos distante do
promotor. Em bactérias os genes são freqüentemente
controlados por uma única seqüência regulatória,
tipicamente localizada próxima ao promotor.
• A iniciação da transcrição em eucariotos deve levar em
consideração a compactação do DNA nos nucleossomos
e as formas mais compactas da estrutura da cromatina.
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As Três RNA-Polimerases das Células
Eucarióticas
•
•
•
RNA-polimerase I - transcreve os genes para rRNA.
RNA-polimerase II - transcreve todos os genes que
codificam proteínas, mais alguns genes que
codificam pequenos RNAs (p.ex., aqueles presentes
nos “spliceosomes”).
RNA-polimerase III – transcreve os genes de tRNAs,
rRNA 5S e genes para pequenos RNAs estruturais.
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Fatores Gerais de Transcrição
Os fatores gerais de transcrição são
responsáveis pelo posicionamento correto
da RNA-polimerase no promotor, ajudam na
separação das fitas de DNA para permitir o
início da transcrição, e liberam a RNApolimerase do promotor quando a
transcrição se inicia.
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Formação do Complexo de Iniciação
da Transcrição
•
•
•
•
TFIID liga-se a região TATA, possibilitando a
ligação de TFIIB.
Isso é seguido pela ligação de TFIIF e RNApolimerase II.
TFIIE, TFIIH e TFIIJ então se juntam ao
complexo.
TFIIH usa ATP para fosforilar a RNApolimerase II, mudando a sua conformação de
forma que a RNA-polimerase é liberada do
complexo e é capaz de iniciar a transcrição.
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Etapas na formação do complexo de
iniciação da transcrição em eucariotos
Estrutura tridimensional da Proteína que se liga
a TATA (TATA-Binding Protein TBP)
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Complexo TBP-DNA
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Complexo TBP-TFIIA-DNA
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Complexo TBP-TFIIA-TFIIB-DNA
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Os Fatores Transcricionais Seletivos
Aumentam a Atividade do Promotor
•
Os promotores isoladamente são geralmente ineficientes.
Fatores de transcrição seletivos que se ligam à região
“upstream” e a “enhancers” aumentam a iniciação.
• Em alguns casos, proteínas adicionais (mediadores,
coativadores) são requeridos para estimular a transcrição.
• Proteínas que se ligam a seqüências de “enhancer” devem
atuar de forma semehante àquelas que se ligam próximas
ao promotor. O DNA entre o “enhancer” e o promotor forma
uma alça para permitir que as proteínas ativadoras ligadas
ao “enhancer” façam contato com as proteínas ligadas ao
promotor.
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Domínios Funcionais dos Fatores
Transcricionais Seletivos
•
•
•
•
•
Domínio de ligação ao DNA - liga a proteína no sítio de
ligação do DNA.
Seqüências de localização nuclear – requeridas para
transporte para dentro do núcleo.
Domínio de ativação transcricional - realiza o contato
com os fatores gerais de transcrição.
Região de dimerização – requerido para formar homo- ou
heterodímeros com outras proteínas.
Domínio de ligação de ligante – necessário para ligação
de composto que pode funcionar como ativador do fator.
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Motivos de Ligação a DNA nos Fatores de Transcrição
Homeodomínio – consiste de três -hélices adjacentes. A maior parte
do contato com as bases do DNA é feita pela hélice 3. Exemplos:
proteínas Hox e outras proteínas reguladoras do desenvolvimento.
• Dedo de zinco (Zinc finger) - Esse motivo é constituido de uma hélice e uma folha  pregueada unidas por um íon zinco. Exemplos:
receptores de hormônioo esteróides, Sp1.
• Região básica e zíper de leucina (ou bZip) – A região básica serve
para o contato com o DNA e o zíper de leucina serve para a formação
do dímero. Exemplos: Fos, Jun (complexos Fos-Jun teriam função
central na mediação de resposta nuclear a sinais na superfície celular)
• Hélice-alça-hélice – Contém um motivo estrutural muito semelhante a
b-zip, exceto que uma alça não helicoidal separa as duas -hélices em
cada monômero. Exemplo: MyoD (fator regulatório importante na
determinação e diferenciação de músculo).
•
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Genes Eucarióticos São Regulados por
Combinação de Proteínas
•
•
A maioria das proteínas reguladoras de genes
atuam como parte de um “comitê” de proteínas
reguladoras, todas essenciais para a expressão de
um determinado gene na célula correta, em
reposta a uma dada condição, no tempo certo e no
nível requerido.
O termo controle combinatorial refere-se a forma
como grupos de proteínas trabalham juntas para
determinar a expressão de um único gene.
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Uma Única Proteína Pode Coordenar a
Expressão de Diferentes Genes
Embora o controle da expressão gênica em eucariotos seja
combinatorial, o efeito de uma única proteína reguladora
pode ser decisiva para ligar e desligar, simplesmente
completando a combinaçção necessária para ativar ou
reprimir um gene.
Um exemplo disso em humanos é o caso do receptor de
glicocorticóide. Para se ligar aos sítos no DNA o receptor
precisa formar um complexo com uma molécula de um
hormônio esteróide (p.ex. cortisol). Em resposta aos
hormônios glicocorticóides, as células do fígado aumentam a
expressão de vários genes.
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Efeito de uma Única Proteína Reguladora
na Diferenciação
•
•
Estudos com células musculares em diferenciação,
em cultura, possibilitaram a identificação de proteínas
reguladoras importantes, expressadas somente em
céleulas musculares, que coordenam a expressão
gênica.
Quando o gene que codifica uma dessas proteínas
reguladoras, MyoD, é introduzido em fibroblastos,
eles passam a se comportar como mioblastos e
fundem-se para formar células semelhantes às
musculares.
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Um Único Gene que Codifica uma Proteína Reguladora
Pode Estimular a Formação de um Órgão Inteiro
Estudos sobre o desenvolvimento de olho em Drosophila,
camundongo e humanos mostraram que um único gene que
codifica uma proteína reguladora (Ey em moscas flies e
Pax6 em vertebrados) é crucial para o desenvolvimento do
olho. Quando expressado num tipo celular apropriado, Ey
pode desencadear a formação de um órgão inteiro (olho),
composto de diferentes tipos de células, todas corretamente
organizadas no espaço tridimensional.
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Os processos de iniciação, alongamento,
processamento e terminação da transcrição são
acoplados em eucariotos
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
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Acoplamento das
maquinarias envolvidas
na transcrição, capping,
splicing e poliadenilação
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
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Modelo de
acoplamento de
splicing a
exportaçao do
mRNA e
decaimento
mediado por
nonsense (NMD)
Maniatis & Reed
NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002
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Influência da Estrutura da Cromatina na
Transcrição em Eucariotos
•
A maior parte do DNA em uma célula eucariótica está
complexada nos nucleossomos e a estrutura espiralada
dificulta o acesso de fatores de transcrição e RNApolimerase.
• A iniciação da transcrição depende da remoção dos
nucleossomos da região promotora do gene.
–
–
Durante a síntese de DNA, quando os nucleossomos são
substituídos, poderia haver competição entre as histonas e os
fatores de transcrição (p.ex. TFIID) pelos sítos promotores.
A ligação e dirupção dos nucleossomos por ativadores.
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Disrupção e Reorganização do Nucleossomo
•
Complexos poderiam estar envolvidos na disrupção dos
nucleossomos:
–
–
–
•
Participação de fator GAGA e fator de remodelamento de
nucleossomo (nucleosome-remodeling factor, NURF)
Participação de complexo SW1/SNF
Existe uma boa correlação entre acetilação de histona e a
atividade transcricional da cromatina.
Competição entre histonas e fatores de transcrição
poderia estar envolvida no controle da expressão genica.
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Regiões Controladoras de Lócus (Locus
Control Regions, LCRs)
•
•
Regiões controladoras de lócus (LCRs) são seqüências de
DNA essenciais para o estabelecimento de uma
configuração “aberta” da cromatina.
Elas são capazes de inibir a repressão normal da transcrição
sobre áreas relativamente grandes contendo vários genes.
Um dos mais bem estudados é o LCR que controla a
expressão tecido- específica da família de -globin.
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Correlações entre a Metilação do Promotor
e Inatividade Gênica
•
•
•
Em células sangüíneas vermelhas de humanos e galinhas, o
DNA envolvido na síntese de globina está completamente
(ou quase completamente) não-metilado.
O gene de ovalbumina de galinha ñão está metilado nas
células do oviduto, mas metilado nos outros tecidos.
Nos somitos de camundongo, a demetilação de um
“enhancer” de MyoD precede a transcrição de MyoD e é
essencial para a especificação dessas células como
precursoras de músculo.
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