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Expressão gênica1 EXPRESSÃO GÊNICA O termo expressão gênica refere-se ao processo em que a informação codificada por um determinado gene é decodificada.

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1 Expressão gênica1 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.

2 Expressão gênica2 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.

3 Expressão gênica3 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.

4 Expressão gênica4 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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6 6 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, RNA- polimerase 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.

7 Expressão gênica7 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.

8 Expressão gênica8 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.

9 Expressão gênica9 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 RNA- polimerase do promotor quando a transcrição se inicia.

10 Expressão gênica10 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 RNA- polimerase II. TFIIE, TFIIH e TFIIJ então se juntam ao complexo. TFIIH usa ATP para fosforilar a RNA- polimerase II, mudando a sua conformação de forma que a RNA-polimerase é liberada do complexo e é capaz de iniciar a transcrição.

11 Etapas na formação do complexo de iniciação da transcrição em eucariotos

12 Expressão gênica12 Estrutura tridimensional da Proteína que se liga a TATA (TATA-Binding Protein TBP)

13 Expressão gênica13 Complexo TBP-DNA

14 Expressão gênica14 Complexo TBP-TFIIA-DNA

15 Expressão gênica15 Complexo TBP-TFIIA-TFIIB-DNA

16 Expressão gênica16 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.

17 Expressão gênica17 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.

18 Expressão gênica18 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).

19 Expressão gênica19 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.

20 Expressão gênica20 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.

21 Expressão gênica21 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.

22 Expressão gênica22 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.

23 Expressão gênica23 Os processos de iniciação, alongamento, processamento e terminação da transcrição são acoplados em eucariotos Maniatis & Reed NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002

24 Expressão gênica24 Acoplamento das maquinarias envolvidas na transcrição, capping, splicing e poliadenilação Maniatis & Reed NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002

25 Expressão gênica25 Modelo de acoplamento de splicing a exportaçao do mRNA e decaimento mediado por nonsense (NMD) Maniatis & Reed NATURE |VOL 416 | 4 APRIL 2002

26 Expressão gênica26 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 RNA- polimerase. 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.

27 Expressão gênica27 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.

28 Expressão gênica28 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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32 Expressão gênica32 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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