Regulação do Material Genético

Síntese proteíca – conceitos básicos

Etapas do processo de síntese proteíca em eucariontes:

1.Transcrição
2.Maturação
3.Migração
4.Tradução
- Iniciação
- Alongamento
- Finalização


Regulação do material genético - conceitos introdutórios
•Se não regulasse a expressão dos genes, a célula produziria constantemente proteínas em elevadas quantidades. Mas nem todas as proteínas são necessárias em determinadas circunstâncias e nas mesmas quantidades.

Regulação ao nível da Transcrição:
•Um gene não possui apenas na sua sequência bases que serão transcritas para RNA; possui sequências associadas à sua regulação e à ligação com a RNA polimerase.
- Promotor: região do DNA à qual se liga uma RNA polimerase para dar início à transcrição.
- Procariontes: o promotor tem a designação de Pribow-box.
- Eucariontes: os promotores existem em maior número e a maiores distâncias. Estas sequências permitem a ligação de determinadas proteínas que auxiliam a ligação da RNA polimerase.
- Indutor: proteína que induz a transcrição, mediando a ligação da RNA polimerase ao DNA.
- Repressor: proteína que se pode ligar ao DNA, impedindo que a RNA polimerase avance, actuando como mecanismo de controlo da transcrição, ao regular a produção de RNAm de acordo com as necessidades.
•Ao impedir a síntese de novo RNAm pelo mecanismo da transcrição, a célula consegue regular a produção de proteínas, pois os RNAm que tinha produzido anteriormente apresentam um período de vida curto, degradando-se em cerca de dois minutos. Um ciclo de degradação e nova síntese de RNAm nas células ocorre rápida e continuamente, o que constitui um requisito fundamental para o controlo da transcrição e um procedimento fulcral na regulação da expressão génica em procariontes.


Regulação ao nível da estrutura da cromatina:
•Heterocromatina: zonas onde a cromatina se encontra altamente condensada e onde os genes não são transcritos (encontram-se silenciados).
•Eucromatina: regiões com menor grau de condensação que, como se encontram menos enroladas, permitem a ligação da RNA polimerase ao DNA, possibilitando a ocorrência da transcrição.
•O grau de condensação da cromatina permite, assim, controlar a expressão de um grande conjunto de genes, facilitando ou impedindo o contacto entre a enzima e o DNA.

Regulação ao nível do processamento, tradução do RNAm e pós-tradução:
•O processamento de RNA inclui, nos eucariontes, o processo de excisão, em que determinados fragmentos de RNA são removidos, não sendo assim traduzidos em proteínas. Ao nível deste processo pode ocorrer regulação na selecção dos fragmentos a remover: um mesmo gene, ao ser transcrito em dois órgãos distintos origina RNAm iguais; todavia, este pode sofrer mecanismos de excisão diferentes, originando RNAm maduros igualmente diferentes. Consequentemente, nos dois órgãos podem formar-se duas proteínas com funções diferentes, codificadas por um mesmo gene.
•A célula consegue controlar o tempo de duração de uma molécula de RNAm, manuseando a produção de proteínas. Se uma molécula de RNAm tiver um tempo de vida longo, poderá ser repetidamente lida pelos ribossomas, sendo assim traduzida em muitas moléculas de proteínas iguais entre si. Se tiver, pelo contrário, um tempo curto de vida, poucas proteínas se formarão a partir desse RNA. O tempo de vida pode ser modificado por complexos proteícos que se ligam e protegem o RNAm da degradação por enzimas presentes no citoplasma.
•Tradução: a manipulação das proteínas específicas que permitem a ligação dos ribossomas ao RNAm permite à célula adequar a tradução, controlando a quantidade de proteínas que se formam por leitura do RNAm.



Regulação nos Procariontes

•Expressão constitutiva: quando as proteínas são permanentemente necessárias e os respectivos genes são permanentemente transcritos.
•Expressão induzida: as proteínas são apenas necessárias quando a bactéria se encontra a crescer em condições especiais.

•Pelo facto de se tratar de células mais simples, a regulação ocorrerá essencialmente ao nível da transcrição, em detrimento da tradução. O processamento de RNAm não ocorre nas células procarióticas, pois o RNAm, logo após a transcrição, é imediatamente traduzido pelos ribossomas.

•Os genes bacterianos possuem também sequências reguladoras, localizadas na sua proximidade. Estas sequências são em menor número e menos complexas que as dos eucariontes.


Modelo do Operão:
Em 1961, François Jacob e Jacques Monod propuseram o Modelo do Operão como principal mecanismo de controlo da expressão dos genes em bactérias.
•Operão: unidade funcional constituída pelos seguintes elementos:
- Genes estruturais: conjunto de genes que codificam proteínas com funções relacionadas, como, por exemplo, as várias enzimas de uma determinada via metabólica.
- Promotor: sequência específica de nucleótidos do DNA à qual se liga a RNA polimerase e onde tem início a transcrição.
- Operador: sequência de DNA que controla o acesso da RNA polimerase ao promotor e que permite activar ou desactivar a transcrição de todos os genes estruturais.
•Gene Regulador: encontra-se a uma determinada distância do operão, tem o seu próprio promotor e codifica o repressor.
•Repressor: proteína alostérica com duas formas, uma activa e uma inactiva. É específico, reconhece e liga-se apenas ao operador de um determinado operão.
•A transcrição dos genes estruturais do operão origina uma longa molécula de RNAm. Este RNAm tem sinais de iniciação e de paragem que permitem individualizar as diferentes proteínas.

Tipos de regulação dos genes em procariontes:
- Regulação negativa: o operão é bloqueado pela forma activa do repressor. A ligação do repressor activo ao operador impede a ligação da RNA polimerase ao promotor e inibe a transcrição.
Operão repressível:
 O repressor é sintetizado na forma inactiva, com pouca afinidade para o operador, o que permite a transcrição dos genes estruturais. O produto final da via metabólica funciona como co-repressor e, quando a sua quantidade aumenta, liga-se ao repressor e activa-o. O repressor activo liga-se ao operador e bloqueia a transcrição. Quando a quantidade do produto final diminui, a transcrição é retomada.
 Processo de regulação característico de vias anabólicas que sintetizam produtos essenciais a partir de percursores. A suspensão da transcrição de genes que codificam um produto presente no meio em quantidade suficiente permite poupar recursos e energia, sendo essencial para a resposta à variação das condições ambientais e adaptação evolutiva.
 Ex: Operão trp em E.coli.



Operão indutível:
 O repressor é sintetizado na forma activa e liga-se ao operador, bloqueando a transcrição dos genes. Um indutor inactiva o repressor e induz a transcrição dos genes.
 Processo de regulação característico de vias catabólicas. Genes que codificam enzimas são apenas transcritos se o substrato estiver presente.
 Operão lac em E.coli.



- Regulação positiva: uma proteína reguladora, o regulão, estimula directamente a expressão dos genes
 O regulão é activado pela ligação de uma molécula específica. Na sua forma activa, liga-se a um local a montante do promotor, facilitando o acesso da RNA polimerase ao promotor e induzindo a transcrição.
 Um mesmo regulão actua em diferentes operões.



Regulação em Eucariontes
•Apenas uma pequena parte do genoma dos eucariontes é ocupada por genes que codificam proteínas. No entanto, o número de proteínas produzidas pelos eucariontes excede largamente o número de genes. Este facto pode ser explicado tendo em consideração o seguinte:
 os exões codificam sequências de aminoácidos, designadas domínios, que podem fazer parte de mais do que uma proteína. Diferentes combinações de exões formam diferentes proteínas;
 sequências de DNA, que funcionam como intrões num determinado contexto, podem funcionar como exões e codificar proteínas num contexto diferente.


A regulação da expressão génica como resposta a factores internos e externos:


•A maioria do material genético de uma célula não se expressa, encontrando-se reprimido.

 Este controlo da expressão genética está na origem da diferenciação celular, permitindo que só os genes específicos de um tecido sejam expressos nas células que o compõem. Assim, a expressão génica é o principal factor que determina as características estruturais, funcionais e comportamentais de uma célula, sendo a responsável pela ontogenia celular (história do desenvolvimento de um organismo ao longo da sua vida).

•Numa dada célula, um gene pode exprimir-se só em determinados estádios de desenvolvimento ou em resposta a factores externos, como a modificação das condições ambientais.


•Acção das hormonas esteróides (regulação em resposta a factor interno):

 são produzidas nas glândulas reprodutoras e libertadas na corrente sanguínea, onde podem alcançar todas as células;
 possuem a capacidade de atravessar a membrana plasmática e de se ligarem a receptores no interior da célula. O complexo que se forma pode entrar no núcleo pelos poros e ligar-se ao DNA, estimulando a expressão de genes específicos, cujas proteínas serão responsáveis pelo desenvolvimento de algumas características sexuais.


•Acção do Operão da lactose em procariontes (regulação em resposta a factor externo):

 Num meio pobre em lactose, as moléculas de -galactosidase (enzima que degrada a lactose) que existem no interior de uma célula de E. coli são em número reduzido.
 Depois de se adicionar lactose ao meio, a célula rapidamente produz esta enzima, em grandes quantidades, para a sua degradação.
 Quando a produção de -galactosidase é induzida, são produzidas mais duas enzimas: uma permease e uma trancetilase.
 Estas enzimas são codificadas por genes estruturais.
 Para além de os três genes serem adjacentes no mesmo cromossoma, eles são também transcritos num único RNA policistrónico. Mas, enquanto não houver lactose no meio, esses genes não são expressos.
 No processo de regulação negativa, em operões como o da lactose, e na ausência de substrato, uma proteína repressora liga-se ao operador, impedindo que a RNA polimerase se ligue ao promotor, de tal forma que a transcrição não ocorre. Esta proteína repressora resulta do chamado gene regulador (ou gene l ou lac l), situado próximo dos genes estruturais.
 O repressor liga-se a uma região do DNA próxima do gene que codifica para a -galactosidase e perto do ponto em que se inicia a transcrição do RNA policistrónico. É a especificidade do repressor (o repressor tem a capacidade de reconhecer uma sequência específica de DNA, ou seja, um operador específico) que determina que este se ligue ao ponto no DNA próximo do gene que ele controla, e não noutro local ao longo do cromossoma.
 Estando o repressor ligado ao operador é impedida a transcrição do DNA pela RNA polimerase.
 Derivados da lactose, ou a própria lactose, podem ligar-se ao repressor, alterando a sua configuração. Assim, este deixa de ter afinidade com o operador, e permite a ligação da RNA polimerase ao promotor, possibilitando a transcrição do operão.



•Acção do Calor em eucariontes (regulação em resposta a factor externo):
 Quando as células se encontram sujeitas a temperaturas superiores a 42ºC, mesmo que por curtos períodos de tempo, sofrem alterações nas suas proteínas. Estas adquirem outras conformações e podem deixar de ser funcionais, o que pode levar a morte celular.
 Nestas situações, é activada a expressão de genes que originarão proteínas com capacidade de reverter as conformações incorrectas de outras proteínas e assim impedir a sua acumulação e consequentemente mau funcionamento celular.