Biomedicina em Ação: Regulação da Expressão Gênica em Procariotos

Definição de “Expressão Gênica”: é o processo em que a informação codificada por um determinado gene (sequências de nucleotídeos do DNA), é decodificada em uma proteína. Teoricamente, a regulação em qualquer uma das etapas desse processo pode levar a uma expressão gênica diferencial. Ela ocorre em duas etapas bem distintas: a produção do RNAm (chamado de transcrição) e a síntese da proteína (chamado de tradução).

Com a definição clara do termo “expressão gênica”, podemos falar sobre a dessa expressão nos procariotos! Muitos estudantes sentem grande dificuldade nesse assunto, mas vocês verão que acaba sendo muito interessante quando você o compreende. Vamos aos estudos!

(continue lendo, clique aqui)

--------------------------------------------------------------------------------

A regulação da expressão gênica foi estudada extensivamente em procariotos, especialmente Escherichia coli. Assim, compreendeu-se a evolução dos mecanismos genéticos altamente eficientes para regular a transcrição de genes específicos, conforme a necessidade da célula.

François Jacob e Jacques Monod estudaram os genes envolvidos no metabolismo da lactose (Operon lac) e do triptofano (Operon trp) na E. coli, e viram que as bactérias respondem a mudanças em seu ambiente e se adaptam a ele, produzindo “enzimas adaptativas” (ou facultativas) somente em presença de determinados substratos químicos. Em experimentos mais recentes, foi descoberto um sistema que inibe a síntese de enzimas em resposta a moléculas presentes no meio ambiente.

Uma dessas enzimas é a β-galactosidase, que é produzida pela E. coli quando há o carboidrato lactose presente no meio. A β-galactosidase vai quebrar a lactose em galactose e glicose, e estes monossacarídeos fornecerão energia para a bactéria. Se não houver lactose no meio, a E. coli não produz a enzima β-galactosidase. É evidente que a expressão gênica, ou seja, a produção de proteínas como esta enzima, requer gasto de energia. A célula, sabiamente, poupa a produção de β-galactosidase se não houver necessidade pelo fato de não haver lactose para sofre o catabolismo. Esse é um exemplo de regulação da expressão gênica em procariotos.

Fig 1: catabolismo da lactose.

Além disso, as bactérias também regulam atividades gênicas que estejam relacionadas com a divisão celular e com diversas atividades celulares cuja regulação independe do ambiente – incluindo a replicação, a recombinação e a reparação de seu DNA.

Ok! Vimos anteriormente que François Jacob e Jacques Monod estudaram o operon. Mas o que é operon?

Operons são sequências lineares de DNA que as células procariontes possuem. Trata-se de um controlador do anabolismo (síntese) de enzimas pelos procariotos. Nesta postagem vamos tratar do Operon lactose (Operon lac).

O operon lac é composto basicamente por:

Ø Região Reguladora:

· uma sequência promotora.

· um gene operador.

Ø Genes estruturais:

· lacZ (gene da β-galactosidase).

· lacY (gene da permease).

· lacA (gene da transacetilase).

Fig 2: esquema do Operon lac. Em amarelo, o gene repressor que será comentado mais adiante.

A região reguladora coordena a expressão dos genes estruturais. Ela localiza-se à montante (à 5’) do grupamento gênico que ela controla. Como a região reguladora está na mesma fita que os genes referimo-nos a ela como sítio cis-atuante, e ela liga-se às moléculas que controlam a transcrição do grupamento de genes. Essas moléculas são chamadas de trans-atuantes. Os eventos que ocorrem nos sítios reguladores determinarão se as sequências de genes estruturais serão ou não transcritas e se enzimas serão ou não produzidas (traduzidas).

Dentro da região reguladora, como descrito acima, encontramos duas regiões:

Ø Sequência promotora (promotor)

É o sítio de ligação da RNA polimerase para a formação do mRNA. Ele determina então, onde se inicia a transcrição.

Ø Gene operador

É a região na qual se liga uma proteína repressora (expressa pelo gene repressor I, representado à montante ao promotor, mas que não é parte do operon lac) da expressão dos genes estruturais lacZ, lacY e lacA. Quando há a ligação dessa proteína repressora no operador, há inibição da ligação da RNA polimerase na sequência promotora. Então, a função da proteína repressora é justamente reprimir a ligação da RNA polimerase, e consequentemente, reprimir a transcrição e expressão dos genes estruturais à jusante. Falaremos mais dela posteriormente.

É importante ressaltar que nenhum dos genes envolvidos no controle da expressão gênica (descritos acima) sintetizam alguma molécula, ou seja, codifica alguma enzima necessária para o metabolismo da lactose. Quem codifica essas enzimas são os chamados genes estruturais.

Ø Genes estruturais

Em procariotos, pode haver um ou mais genes estruturais que atuam como modelos para as proteínas. Na operon lac da E. coli, existem três desses genes estruturais: lacZ, lacY e lacA. Como já mencionado, cada um desses genes é capaz de codificar uma proteína, sendo que o gene laca que codifica a transacetilase não participa do metabolismo da lactose. Os três genes estruturais do operon lac são transcritos de uma só vez em um único mRNA policistrônico, o qual é simultaneamente traduzido por vários ribossomos nas três enzimas codificadas pelo operon.

Fig 3: expressão dos genes estruturais.

Havíamos falado que a função da proteína repressora era inibir a expressão dos genes estruturais, ligando-se no operador, certo? Mas não é somente isso. Ela também tem a capacidade de se ligar à lactose quando a mesma estiver presente no meio. Assim, ao invés de reprimir, ela atua como indutora da expressão gênica. Está confuso?

É o seguinte: a proteína repressora possui dois sítios de ligação. Um para que ocorra a ligação com o operador, e outro para que ocorra a ligação com a lactose. Se houver lactose disponível no meio, haverá a formação do completo proteína repressora+lactose (tratamos aqui como “complexo” já que a lactose não é metabolizada por essa proteína).

Quando a lactose liga-se na proteína repressora, há modificação alostérica (conformacional) no seu outro sítio de ligação ao operador. Portanto, ela fica incapaz de se ligar ao operador, e o mesmo não inibe a ligação da RNA polimerase ao promotor. Ocorre então a transcrição e consequente expressão gênica. Quando toda a lactose presente na célula tenha sido catabolizada, a proteína repressora se liga ao operador e desliga o operon.

Fig 4: esquema completo de todos os componentes e participantes do sistema Opeon lac.

E se não houver lactose no meio, como a proteína repressora se comporta?

Ocorre que não há modificação alostérica, e a proteína repressora se liga normalmente no operador. Assim, o operador regula o promotor, inibindo que haja a transcrição e tradução.

Agora, vejamos a seguinte situação: a bactéria está em um ambiente que já contém grandes quantidades de glicose e gactose. Desta maneira, considerando que a glicose é a fonte de carbono preferida da E. coli, não seria interessante gastar energia para obter o que ela já tem, mesmo que esteja disponível no meio a lactose.

Devemos falar então de mais um componente molecular, chamado de proteína ativadora de catabólito (CAP – do inglês: catabolite activation protein), envolvida na efetiva repressão do Operon lac. A CAP exerce controle positivo sobre o Operon lac, e é uma proteína auxiliar, e ajuda a RNA polimerase a se ligar no promotor. Entretanto, ela só se promove este auxílio se houver grandes concentrações de um constituinte celular denominado adenosina monofosfato cíclico (cAMP), que é formado a partir do ATP. O cAMP se liga à CAP causando uma modificação alostérica nesta proteína, e complexo CAP+cAMP pode então auxiliar à ligação da RNA polimerase ao promotor. Este mecanismo ocorre na ausência de glicose, pelo seguinte fato:

Se não há glicose, consequentemente a célula está com pouco ATP. Bioquimicamente, a baixa do ATP provoca o aumento de AMP, e por isso há grandes quantidades de cAMP para que se ligue à CAP. O complexo formado então permite que a transcrição se inicie, porque ajuda a RNA polimerase a se ligar ao promotor. Certo?

Mas... voltando à situação de muita glicose e galactose. Neste caso, há muita produção de ATP, e pouco AMP. Assim, haverá também pouco cAMP, e então não há a formação do complexo CAP+cAMP. Desta forma, a RNA polimerase não consegue se ligar ao promotor, e é aí que ocorre a diminuição da transcrição e da tradução, já que a célula não precisa produzir enzimas que degradam a lactose e culminaria no aumento ainda mais de glicose. Seria um trabalho sem necessidade, e a célula compreende isso.

Vamos retomar tudo de uma maneira bem simples:

Na presença da lactose:

Ø Lactose se liga à proteína repressora.

Ø A proteína repressor é inativada (sofre modificação alostérica).

Ø O gene operador fica desbloqueado.

Ø A enzima RNA polimerase liga-se ao promotor.

Ø Os genes estruturais são transcritos.

Ø Ocorre a expressão gênica (síntese das enzimas para o metabolismo da lactose).

Fig 5: Operon na presença de lactose.

Na ausência da lactose:

Ø O gene regulador I determina a síntese da proteína repressor.

Ø A proteína repressora se liga ao operador e bloqueia o promotor.

Ø A enzima RNA polimerase não se liga ao promotor.

Ø Os genes estruturais não são transcritos.

Ø Não ocorre a síntese das três enzimas.

Fig 6: Operon na ausência de lactose.

Regulação adicional:

Na presença de glicose:

Ø cAMP não se liga à proteína CAP.

Ø Não há auxílio para a ligação da RNA polimerase ao promotor.

Ø Há diminuição da transcrição e tradução.

Fig 7: Operon na presença de glicose.

Na ausência de glicose:

Ø cAMP se liga à proteína CAP e promove modificação alostérica.

Ø Há auxílio para a ligação da RNA polimerase ao promotor.

Ø Há aumento da transcrição.

Ø Ocorre a síntese das três enzimas.

Fig 8: Operon na ausência de glicose.

Extras:

Como na maioria das postagens para auxílio às disciplinas, trago a vocês vídeos de revisão. Espero que tenha ajudado! Qualquer dúvida, deixe nos comentários!

Encontrou algum erro na postagem? Conte-nos pelo e-mail biomedemacao@gmail.com