Regulacao da expressao genica

Controle da expressão gênica
Criando um camundongo gigante
através da regulação gênica
l
l
l
l
1982 – Richard Palmiter – University of
Washington – produziu um camundongo gigante
com crescimento 2X maior do que o
camundongo normal.
Pela engenharia genética: injetaram o gene para o
hormônio do crescimento de rato no núcleo de
embriões fertilizados de camundongo.
Em alguns embriões: o gene do rato se
incorporou no cromossomo do camundongo e
após o nascimento estes camundongos
transgênicos produziram o hormônio do
codificado pelo gene do rato.
Alguns camundongos produziram de 100 – 800
X mais hormônio do crescimento do que o
camundongo normal, causando um crescimento
acelerado – gigantes.
Colocando um gene dentro uma célula
garante que ele será transcrito ou que a
proteína será produzida?
l
Na verdade a maioria dos genes inseridos nunca
são transcritos ou traduzidos. Por que?
– Os organismos desenvolveram sistemas
complexos para garantir que os genes sejam
expressos no tempo apropriado e na
quantidade apropriada;
– Sequências adicionais (além daquela do
próprio gene) são necessárias para garantir a
transcrição e a tradução.
Se gene estranhos são raramente expressos,
como o camundongo transgênico com o gene
do rato para o hormônio do crescimento
cresceu tanto?
Palmiter ligou o gene do rato com a
seqüência do promotor do gene para a
metalotioneína de camundongo. Quando
zinco está presente este gene é
normalmente transcrito em camundongo.
l Conectando o gene do rato neste promotor,
garantiu a transcrição do mesmo
adicionando zinco extra na alimentação do
camundongo transgênico.
l
Regulação gênica: os mecanismos
e sistemas que controlam a
expressão dos genes
Por que a regulação é necessária?
l Quais os níveis, nos quais a expressão de
um gene é controlada?
l Quais as diferenças entre genes e
elementos reguladores?
l
Princípios gerais da regulação
gênica
Dogma central: informação genética flui
do DNA
RNA
proteínas;
l Isto fornece a base molecular para a
conectar o genótipo e fenótipo, mas:
l Como é a fluência de informação ao longo
de um caminho molecular regulado?
l
Considere a E.coli: que vive
no seu intestino grosso
l
l
Seu hábito alimentar determina completamente
os nutrientes disponíveis para esta bactéria;
E. coli supre sua inabilidade de alterar o
ambiente externo sendo internamente flexível:
– Se a glicose estiver presente ela a utiliza para
gerar energia (ATP)
– Se não há glicose ela utiliza lactose, arabinose,
maltose, etc. ou qualquer outro açúcar
– Quando aa estão disponíveis ela os utiliza na
síntese de proteínas;
– Se um aa em particular está ausente ela produz
as enzimas necessárias para sintetizar aquele
aa.
E. coli responde às mudanças do ambiente
alterando sua bioquímica.
l Esta alteração bioquímica tem um alto
preço: consumo alto de energia.
l Então, como a E. coli mantêm sua
flexibilidade bioquímica enquanto otimiza
a eficiência de energia?
l Resposta: regulação gênica!!!!!!
l
l
As bactérias carregam a informação
genética para muitas proteínas, mas
somente um sub-conjunto desta
informação genética é expressa num
determinado tempo.
l
Quando o ambiente muda – novos genes
são expressos e as proteínas apropriadas
são sintetizadas.
l
Exemplo: se uma fonte de carbono aparece
no ambiente, genes codificando proteínas
que metabolizam o carbono são
rapidamente transcritos e traduzidos;
l
Quando a fonte de carbono desaparece, os
genes que codificam as proteínas são
desligados.
l
Este tipo de resposta: a síntese de uma
enzima estimulada por um substrato
específico é chamada: INDUÇÃO.
E os organismos eucarióticos?
l
l
O problema é diferente:
Células individuais de um organismos
multicelular são especializadas para tarefas
particulares;
– As proteínas produzidas por uma célula nervosa é
diferente daquelas produzidas por um leucócito.
l
O problema que a célula eucariótica enfrenta é
como se manter específica:
– Forma e função diferentes mas mesma informação
genética.
l
Regulação gênica: todas as células de um
organismo carregam a mesma informação
genética, mas somente um sub-conjunto de genes
são expressos em cada tipo de célula.
Regulação gênica é a chave
para:
l
A flexibilidade unicelular e;
l
A especialização multicelular
Níveis do controle gênico
A expressão gênica pode ser controlada em
múltiplos níveis:
l A Regulação pode ocorrer através da
alteração da estrutura do gene:
l
– Modificações no DNA ou no seu
empacotamento pode influenciar na
disponibilidade das sequências para
transcrição ou na taxa de transcrição.
l
Dois processos estão envolvidos neste
nível de regulação: a metilação do DNA e
mudanças na cromatina.
l
Regulação a nível da transcrição:
– Importante ponto de regulação gênica tanto para
procariontes como em eucariontes – favorece a
economia de energia.
l
Regulação gênica a nível de processamento de
mRNA:
– mRNA eucariótico é extensivamente modificado
antes de ser traduzido. As modificações
determinam:
Estabilidade do mRNA
l Possibilidade de tradução
l Taxa de tradução
l Sequência de aa da proteína
l
l
Regulação gênica a nível da estabilidade
do RNA:
– A quantidade de proteína produzida depende:
Da quantidade de mRNA sintetizado
l Da taxa de degradação do mRNA
l
– Assim, a estabilidade do RNA desempenha
um papel importante na expressão gênica.
l
Regulação gênica a nível da tradução:
– A tradução depende de um grande número de
enzimas, fatores protéicos e moléculas de
RNA – influenciam na taxa de produção das
proteínas.
l
Regulação gênica a nível de modificações póstradução:
– Muitas proteínas são modificadas após a tradução
afetando a ativação das mesmas.
l
Resumindo a expressão gênica pode ocorrer em
diferentes pontos ao longo da cadeia molecular do
DNA a proteína:
estrutura do gene,
transcrição,
processamento do mRNA,
estabilidade do RNA,
tradução e
modificações pós-tradução.
Genes e elementos
reguladores:
l
É necessário distinguir entre:
– Seqüências de DNA que são transcritas e
– Seqüências de DNA que regulam a
expressão de outras seqüências
Gene
l
l
l
l
l
l
Qualquer seqüência de DNA que é transcrita em
molécula de RNA.
Inclui:
Seqüência de DNA que codifica proteína (mRNA);
Seqüência de DNA que codifica: rRNA, tRNA e
outros tipos de RNA;
Genes estruturais: que codificam proteínas que são
usadas no metabolismo ou biosíntese ou que
desempenham um papel estrutural na célula;
Genes reguladores: são genes cujos produtos, RNA
ou proteínas, interagem com outras seqüências de
DNA e afetam sua transcrição ou tradução
(geralmente proteínas que se ligam ao DNA).
Elementos reguladores
l
Seqüências de DNA que não são
transcritas, mas que regulam outras
seqüências de nucleotídeos.
l
Estes elementos reguladores afetam a
expressão e seqüências nas quais eles estão
fisicamente ligados.
– Proteínas produzidas por genes reguladores
reconhecem e se ligam aos elementos
reguladores.