• SUMÁRIO

Bibliografia: Capítulo 18: Transcriptional regulation in prokaryotes pgs. 615-635. Molecular Biology of the Gene. J.D. Watson.

Meta: Entender o Operon Lac como um modelo simples de controle da expressão gênica.

Objetivos

1. Explicar o que é um operon
2. Explicar o papel dos repressores/indutores no controle negativo da expressão e o papel de ativadores no controle positivo da expressão.
3. Prever mudanças na expressão gênica quando alterações são feitas no ambiente bacteriano.
4. Prever mudanças na expressão gênica quando alterações são feitas nos elementos regulatórios.
5. Discutir cenários nos quais a regulação negativa e positiva são necessárias.

Introdução

Operon

Por exemplo, as bactérias utilizam glicose preferencialmente em seu metabolismo. Caso exista apenas lactose no ambiente e a bactéria seja capaz de clivá-la, a bactéria expressará β-galactosidase. No entanto, quando o ambiente não possui lactose, não há produção dessa enzima. Como isso ocorre?

Operon é um conjunto de genes nos procariontes e em alguns eucariontes que se encontram funcionalmente relacionados, contíguos e controlados coordenadamente, sendo todos expressos em apenas um RNAm. Ou seja, é constituído por um promotor, um operador e os genes estruturais.

No contexto dessa aula, é importante a visualização dos diferentes genes envolvidos no processo de regulação da expressão gênica em procariotos:

• Sequência Reguladora (Gene Regulador, Gene Repressor Lac-I)
• Operon-lac (Gene Promotor; Gene Operador; Genes Estruturais Lac-Z, Lac-Y e Lac-A)

Embora exista um mesmo código genético em todas as células de um organismo, diferentes células possuem funções e estruturas distintas (ex: a hemoglobina só é expressa em hemácias). Dessa maneira, o gene não é expresso inteiro em uma única célula e, portanto, células distintas expressam fragmentos distintos de todo o genoma. Isso instigou por muito tempo a necessidade de descobrir como ocorre a regulação das diversas partes do material genético de modo a determinar quais fragmentos serão expressos em quais tecidos. Além disso, bactérias possuem a capacidade de selecionar genes para serem expressos e inibidos (“ligados e desligados”) e, dessa forma, podem se adaptar a diversos ambientes.

A expressão gênica pode ser regulada em nível do DNA através, por exemplo, de mudanças sequenciais dos pares de bases. Isso ocorre por mecanismos de rearranjo e recombinação. Um exemplo da funcionalidade desse mecanismo é a possibilidade de uma célula expressar imunoglobulinas (Ig) e realizar, posteriormente, a sua troca de classe ou isótipo. Vale dizer que esse mecanismo não é restrito aos eucariotos, visto que diversas bactérias também são capazes de regular a expressão gênica dessa maneira. Por exemplo, bactérias podem modular os genes que codificam a expressão de flagelos. Assim, a “ligação” ou “desligamento” desse gene codificante depende da inversão de sequências de DNA que irão inibir ou não inibir tal expressão. Essa inversão ocorre em nível do promotor, com a inversão deste, impedindo a expressão da proteína que compõe o flagelo.

Na realidade, a regulação da expressão gênica pode ocorrer em diversos momentos do mecanismo de produção e expressão de proteínas:

• Transcrição: com a decisão de transcrever o gene ou não. O momento mais importante na regulação é a iniciação da transcrição.
• Splicing: com a retirada de exons ou quando estes são incluídos no splicing alternativo, produzindo uma proteína final diferente.
• Estabilidade do RNAm: mudança no tempo de duração estável de um RNA, visto que quanto mais duradouro o RNA for, maior será a chance de determinar uma proteína.
• Tradução: processos de atenuação em bactérias (afeta a capacidade do RNA ser traduzido pelo ribossomo) e microRNAs em eucariotos.
• Pós-Tradução: regulação de proteínas formadas via modificação covalente (como fosforilação, glicosilação), ubiquitinação, modificações alostéricas etc. Além disso, algumas proteínas precisam ser clivadas para tornarem-se ativas.

Revisão geral de transcrição

O promotor é a região do DNA onde a RNA polimerase se liga de maneira orientada para iniciar a transcrição. Em procariotos, a RNA polimerase reconhece diretamente o promotor através do fator sigma. Nos eucariotos, a RNA polimerase precisa do auxílio de fatores de transcrição gerais.

Na região de terminação, forma-se uma região rica em ligações entre citosina e guanina, na forma de um grampo. Essa estrutura é seguida por uma sequência de adeninas, onde a ligação é mais fraca.

Os RNAs bacterianos podem ser policistrônicos, ou seja, codificam a síntese de mais de uma proteína por RNAm. Isso é interessante, pois é um modo de “economia” dos processos de regulação. A decisão pelo início da transcrição de um RNA regula a síntese de várias proteínas, normalmente associadas a funções biológicas integradas.