biotecnologia_03
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118Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Curso de
Biotecnologia
MDULO III
Ateno:O material deste mdulo est disponvel apenas como parmetro de estudos paraeste Programa de Educao Continuada. proibida qualquer forma de comercializao domesmo. Os crditos do contedo aqui contido so dados aos seus respectivos autoresdescritos nas Referncias Bibliogrficas.
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4.1 Vetores de Expresso
Vetores de expresso, assim como j definido no mdulo II, so
aqueles de clonagem que contm os elementos genticos necessrios
expresso de genes, de acordo com o tipo celular que est sendo utilizado
como hospedeiro. Eles podem ser de dois tipos, os de expresso procariotos e
os de expresso eucariotos. Apesar desta classificao distinta, muitas
caractersticas estruturais dos vetores so similares, diferindo apenas no fato
de que as sequncias genticas utilizadas so isoladas de procariotos ou de
eucariotos, respectivamente. Estas estruturas fornecem funcionalidades eresultados distintos.
A biotecnologia uma cincia de interesse industrial. Por isso, a
quantidade em que determinado bem produzida se torna fator crucial para a
implantao de um determinado protocolo. Diversas estruturas envolvidas com
a produo de protenas foram manipuladas, visando aperfeioar todos os
aspectos envolvidos neste processo: a transcrio, a traduo, a estabilidade
da protena e a sua secreo para o meio. Para isso, diferentes elementosgenticos tm sido modificados e testados na construo de novos vetores de
expresso procariotos e eucariotos. De maneira geral, as principais
caractersticas que tm sido manipuladas para aumentar os nveis de
expresso de protenas recombinantes so:
I. As sequncias relacionadas com a transcrio, como os
promotores e os terminadores;
II. O nmero de cpias do gene clonado, alm da localizao dasequncia codificadora em um plasmdeo ou integrado ao cromossomo;
III. A eficincia da traduo no organismo hospedeiro;
IV. A afinidade do stio de ligao do ribossomo;
V. A estabilidade da protena no hospedeiro;
VI. A localizao final da protena sintetizada.
As caractersticas citadas acima permitem concluir que a expresso
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eficiente de protenas recombinantes dependente do aproveitamento de
todos os passos, incluindo a transcrio, a traduo e o processamento
proteico. Neste contexto, um dos aspectos iniciais que devem ser
aperfeioados o nvel de transcritos. Para obt-los em altas quantidades,
estudos vm sendo realizados na busca de elementos genticos envolvidos
com o incio da transcrio, como o isolamento e caracterizao de sequncias
promotoras.
4.2 Sequncias Promotoras
A eficiente transcrio de genes se inicia pelo reconhecimento das
sequncias promotoras. Os nveis de expresso esto diretamente
relacionados com a afinidade da RNAP a esta regio, permitindo que a
sequncia de interesse seja frequentemente transcrita. Para que uma
determinada sequncia promotora seja utilizada em processos biotecnolgicos,
h a necessidade de se controlar de maneira precisa a taxa de transcrio.
Para isso, devem-se conhecer os mecanismos envolvidos com a regulaognica do promotor.
Por exemplo, a sequncia promotora do operon lac bem estudada e
seus mecanismos de regulao so bem elucidados. Por isso, frequentemente
ela utilizada na construo de vetores de expresso. Outros promotores com
propriedades distintas tambm so teis sob determinadas condies de
expresso gnica e, por isso, pesquisas foram conduzidas de forma a isolar e
caracterizar novas sequncias promotoras.Promotores de diferentes organismos, tanto procariotos como
eucariotos, foram isolados, caracterizados e, finalmente, utilizados na
construo dos diferentes vetores de expresso j disponveis comercialmente.
Apesar disso, a maioria de estudos deste tipo conduzida tendo como
organismo modelo, a bactria E. coli. A explicao para esta escolha se baseia
no fato de este micro-organismo ter o genoma sequenciado e ter sido bem
estudado, o que facilita a manipulao das ferramentas genticas.
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Alm disso, a expresso de protenas de interesse nesta bactria
apreciada devido aos nveis elevados do produto de interesse geralmente
alcanados neste sistema. Estas caractersticas tornam o micro-organismo de
eleio para estudos iniciais de produo de protenas recombinantes. Por este
motivo, a maioria das caractersticas dos vetores de expresso descrita nesta
apostila se refere aos elementos genticos de E. coli. Casos especficos de
expresso em outros micro-organismos sero detalhados separadamente.
4.2.1 Isolamento de Sequncias Promotoras
O isolamento de sequncias promotoras pode ser realizado de diversas
maneiras. Uma delas consiste no uso de genes reprteres, os quais codificam
um produto cujas caractersticas fenotpicas podem ser prontamente
visualizadas. A maioria destes marcadores permite que a seleo seja
realizada por um mtodo colorimtrico, que apresenta uma alta sensibilidade e
praticidade. O isolamento de sequncias promotoras pode ser realizado por
meio do uso de vetores que contenham um gene reprter clonado na ausnciade um promotor.
A metodologia envolvida neste processo envolve a ligao de uma
sequncia de DNA aleatria, ou que se suspeite conter o promotor, a jusante
deste gene. A insero de uma sequncia promotora no vetor reconhecida
pela visualizao das caractersticas do agente seletor utilizado. Como a
transcrio se inicia aps o reconhecimento do promotor pela RNAP, a
expresso do gene marcador somente ocorrer caso a sequncia clonadacontenha uma sequncia promotora. Dois tipos de vetores podem ser utilizados
com este propsito: o plasmdeo pBR316 e o pKO1.
4.2.1.1 Seleo de Sequncias Promotoras pelo Plasmdeo pBR316
O plasmdeo pBR316 foi utilizado em E. coli para o isolamento de
diversos promotores. Para alcanar este objetivo, primeiramente alguns
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procedimentos de modificao do vetor devem ser realizados. Aps a extrao
e purificao do vetor, ele submetido a uma digesto enzimtica com a
enzima HindIII. O stio de restrio para esta enzima se localiza na regio
promotora do gene codificador do antibitico tetraciclina. A digesto enzimtica
resulta na gerao de um plasmdeo linearizado e de extremidades coesivas.
Em seguida, estes vetores podem ser submetidos ao tratamento com duas
enzimas diferentes, a nuclease S1 ou a DNAP I. A protena S1 digere a
sequncia de fita simples das extremidades do vetor pBR316; por outro lado, a
DNAP I completa esta sequncia. Portanto, ao final deste procedimento sero
gerados dois plasmdeos distintos, os quais contm extremidades cegas deDNA fita dupla.
As extremidades das duas verses lineares do vetor pBR316 so ento
ligadas a um adaptador contendo o stio de restrio para EcoRI. Esta
alterao final gera dois plasmdeos diferentes, que apresentam um nico stio
de restrio para a enzima EcoRI. Um detalhe desta modificao a
localizao do adaptador, o qual interrompe o promotor do gene da tetraciclina.
Consequentemente, no haver expresso do gene que codifica o antibitico e,portanto, os transformantes alterados so sensveis e no cresceram em meio
onde esta droga acrescentada. Os procedimentos utilizados na modificao
deste plasmdeo esto ilustrados na Fig. 50.
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Figura 50: Formao de dois plasmdeos distintos a partir do vetor pBR316.
Inicialmente, o plasmdeo pBR316 digerido com a enzima HindIII,
interrompendo o promotor do gene da tetraciclina. As extremidades coesivas
geradas so ento submetidas a tratamentos diferentes. Uma opo a
digesto de fita simples pela nuclease S1; a outra corresponde sua
complementao com a DNAP I. Estes procedimentos geraro extremidades
cegas. Estas so unidas novamente aps a ligao a um adaptador contendo
AAGCTT
TTCGAA
A AGCTT
TTCGA A
A T
T A
A GAATTC T
T CTTAAG A
AAGCT AGCTT
TTCGA TCGAA
AAGCT GAATTC AGCTT
TTCGA CTTAAG TCGAA
Plasmdeo pBR316
Stio restrio HindIII
Digesto HindIII
Digesto
nuclease S1
Preenchimento
DNAP1
Ligao do adaptador contendo o stio
de restrio para EcoRI
AAGCTT
TTCGAA
AAGCTT
TTCGAA
A AGCTT
TTCGA A
A AGCTT
TTCGA A
A T
T A
A T
T A
A GAATTC T
T CTTAAG A
A GAATTC T
T CTTAAG A
AAGCT AGCTT
TTCGA TCGAA
AAGCT AGCTT
TTCGA TCGAA
AAGCT GAATTC AGCTT
TTCGA CTTAAG TCGAA
AAGCT GAATTC AGCTT
TTCGA CTTAAG TCGAA
Plasmdeo pBR316
Stio restrio HindIII
Digesto HindIII
Digesto
nuclease S1
Preenchimento
DNAP1
Ligao do adaptador contendo o stio
de restrio para EcoRI
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um stio de restrio para EcoRI. Ao final, so gerados dois plasmdeos
diferentes. (Fonte: figura modificada de Glick & Paternak, 1994).
Os vetores modificados do plasmdeo pBR316 foram testados pelos
pesquisadores quanto ao seu potencial no isolamento de promotores funcionais
em E. coli. Para isso, fragmentos derivados da digesto do DNA genmico de
diversas espcies procariotas foram clonados no stio de restrio de EcoRI.
Como o promotor do gene da tetraciclina est inativo, somente a clonagem dos
fragmentos de DNA que contenham uma sequncia promotora funcional em E.
coli ser capaz de crescer em meio contendo tetraciclina.
O isolamento de promotores funcionais em E. coli obteve sucesso pormeio do uso dos vetores derivados do pBR316. Apesar do potencial
apresentado por esta estratgia, o uso deste plasmdeo exibe como
desvantagem a falta de conhecimento a respeito da fora do promotor. Por
isso, outros vetores foram construdos, como o plasmdeo pKO1.
4.2.1.2Seleo de Promotores pelo Plasmdeo pKO1
O plasmdeo pKO1 foi desenvolvido para ser utilizado na seleo de
promotores fortes. Com esta finalidade, sua estrutura foi construda de forma a
apresentar alguns requisitos, como:
I. Um gene reprter que permita a pronta deteco de uma
sequncia promotora quando esta for clonada a jusante do gene;
II. Um marcador de seleo, que, no caso, corresponde a um
antibitico;III. Um stio mltiplo de clonagem que deve se localizar antes da
sequncia do gene reprter;
IV. Um plasmdeo que seja estvel na clula hospedeira, com o
nmero de cpias conhecido.
Estruturalmente, o vetor pKO1 contm como marcador de seleo o
gene da ampicilina, o que permite a seleo de clones que foram
transformados com o vetor. Seu stio mltiplo de clonagem inclui stios de
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restrio nicos reconhecidos por diferentes enzimas. Alm disso, possui trs
cdons de paradas nas trs fases de leitura, evitando que a transcrio
continue alm da sequncia de interesse, o que pode gerar um resultado falso-
positivo. O gene reprter utilizado na construo do plasmdeo pKO1 uma
quinase derivada do operon gal de E. coli. Este constitudo pelos genes galE,
galT e galK, que codificam uma epimerase, uma transferase e uma quinase,
respectivamente. A quinase uma protena cuja deteco ocorre por mtodos
relativamente simples e sensveis, medindo os nveis da galactose-1-fosfato.
Para a seleo de promotores funcionais em E. coli, sequncias de
DNA suspeita de conterem promotores so digeridas e clonadas no pKO1. Amistura de DNA contendo os possveis recombinantes so ento utilizadas
para transformar uma E. colide gentipo galE+, galT+ e galK-. Esta linhagem,
quando alterada com um plasmdeo expressando a quinase, facilmente
selecionada por sua habilidade de crescer em meio cuja nica fonte de carbono
a galactose. Os transformantes com o vetor pKO1, nos quais foi clonada uma
sequncia promotora, so diferenciados pelas caractersticas fenotpicas de
colorao no meio McConkey.A expresso do gene da quinase gera uma enzima com atividade
fermentadora, o que resulta em colnias que apresentam colorao vermelha
no meio de eleio. Os vetores cuja sequncia clonada no contm um
promotor funcional em E. coli no expressam a quinase, sendo distinguidas
pela colorao branco-amarelada das colnias.
A seleo dos clones pelas caractersticas fenotpicas utilizadas no
vetor pKO1 ainda permite a distino entre a fora das sequncias promotorasclonadas. Para isso, inicialmente este vetor foi testado com sequncias
promotoras j conhecidas. O que se utilizou como base para a diferenciao foi
o crescimento das colnias. Promotores fortes induzem uma superexpresso
da enzima quinase, produzindo colnias vermelhas de crescimento lento. Isto
demonstra que altos nveis de transcrio de genes heterlogos representam
um esforo metablico significativo para a clula. Este resultado confirma a
potencialidade deste vetor no diferenciamento da fora dos promotores.
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O plasmdeo pKO1 foi originalmente desenvolvido para o isolamento de
sequncias promotoras. Apesar disso, este vetor tambm demonstrou a sua
utilidade no isolamento e caracterizao de sequncias terminadoras. Com
este propsito, os fragmentos que os contenham so inseridos entre um
promotor conhecido e o gene galK. Os resultados destes experimentos
demonstraram uma reduo de 50 vezes nos nveis de expresso da quinase,
apesar das colnias ainda se apresentarem vermelhas.
Se o terminador fosse inserido em um vetor contendo um promotor
mais fraco, os nveis de expresso eram reduzidos de tal forma que as colnias
chegavam a apresentar-se de colorao branco-amarelada. Portanto, apresena destas colnias indica que uma sequncia terminadora foi clonada no
vetor pKO1, quando este contm uma sequncia promotora conhecida. Estes
resultados demonstram a utilidade do plasmdeo pKO1 para o isolamento e
caracterizao, tanto de sequncias promotoras, como de terminadoras.
O isolamento e a caracterizao de sequncias promotoras um dos
passos iniciais para atingir altas produes de uma protena de interesse.
Contudo, esta caracterstica deve ser analisada com cautela. Altos nveis deexpresso e de forma constitutiva podem ser prejudiciais clula hospedeira.
Isto constitui um grande gasto energtico, podendo at mesmo impedir
algumas de suas funes vitais. Por isso, as pesquisas a respeito da
caracterizao de promotores prosseguiram com a finalidade de isolar os que
apresentassem uma expresso indutvel ao invs de constitutiva.
4.2.2 Promotores Induzveis
Diversos tipos de promotores induzveis j foram caracterizados e so
frequentemente utilizados na construo de vetores de expresso. Entre eles,
esto os promotores derivados do operon lac e do triptofano (trp). Todos
interagem com protenas repressoras, permitindo que a induo e a represso
da transcrio sejam reguladas. O promotor do operon lac, assim como
descrito no mdulo I, regulado pela protena repressora LacI. Na ausncia de
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lactose, esta protena se liga ao operador, impedindo que a RNAP prossiga
com a polimerizao de uma cadeia de RNA.
Portanto, neste caso a transcrio inibida. Contudo, na presena de
do indutor, a protena repressora sofre alteraes alostricas, perdendo sua
afinidade ao operador. Isto resulta no desligamento do repressor da sequncia
de DNA, permitindo o incio da transcrio pela RNAP.
Considerando os conhecimentos genticos a respeito da regulao da
transcrio gnica do operon lac, a biotecnologia tem aproveitado o seu
promotor e as suas sequncias reguladoras na construo de vetores cuja
expresso pode ser regulada. A induo da transcrio pode ser feita comduas molculas diferentes: a lactose, como descrito nos estudos deste operon,
e outra molcula sinttica e anloga da primeira, o isopropil--D-tiogalactosideo
(IPTG).
Os dois indutores tm aes semelhantes na regulao da transcrio
do operon Lac, inibindo a ligao da protena repressora ao operador, o que
permite o acesso e a atividade de polimerizao da RNAP. O uso do IPTG
apresenta vantagens significativas sobre a lactose. Ele no metabolizadopela clula e, por isso, sua concentrao se mantm constante durante o ciclo
celular. Esta caracterstica faz com que o IPTG seja o indutor
preferencialmente eleito para experimentos de expresso gnica.
Os experimentos de expresso com o promotor lac resultaram na
expresso de diversas protenas. Entretanto, os nveis de expresso obtidos
no so significativos e a fora do promotor considerada moderada. A
biotecnologia uma cincia inovadora, cujas ferramentas esto submetidas aum processo de aperfeioamento contnuo. Sob este aspecto, novos
promotores foram sendo estudados com o objetivo de obter nveis mais
expressivos dos produtos de interesse. Considerando esta perspectiva, uma
opo desenvolvida foi um promotor derivado do promotor lac, o lacUV5.
O promotor lacUV5 um variante do promotor lac. A diferena entre os
dois consiste em alteraes de nucleotdeos em relao sequncia consenso.
O promotor lacUV5 contm um nucleotdeo diferente da sequncia consenso;
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por outro lado, a mesma comparao pode ser feita com o promotor selvagem
lac, o qual apresenta trs nucleotdeos diferentes (Fig. 51). Os nveis de
expresso obtidos pela variante so maiores se comparados aos obtidos pelo
promotor lacselvagem.
Figura 51: Comparao das sequncias promotoras lacUV5 e lac selvagem com a
sequncia consenso.
Observa-se que o promotor lacUV5 difere da sequncia consenso em
apenas um nucleotdeo na regio -35. O mesmonucleotdeo tambm varia no
promotor lac; entretanto, este ainda apresenta mais duas alteraes de
nucleotdeos na regio -10 se comparado sequncia consenso. Osnucleotdeos alterados so apresentados na figura na pela cor vermelha.
Outra opo de sequncia promotora a isolada do operon triptofano.
O promotor trp negativamente regulado pela ligao do complexo formado
entre o triptofano e a protena repressora. Portanto, a regulao do promotor
realizada de uma maneira distinta da observada para o promotor lac, pois a
protena repressora se liga ao operador somente na presena do triptofano
(Fig. 52). Para induzir a transcrio gnica, necessria a remoo dotriptofano ou a adio do cido 3-indoleacrlico ao meio.
lac UV5 TTTACA -- 18 -- TATAAT
lac TTTACA -- 18 -- TATGTT
Seqncia consenso TTGACA -- 17 -- TATAAT
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Figura 52: Regulao da transcrio do promotor trp.
A figura apresenta as modificaes alostricas que a protena
repressora assume aps a sua ligao ao triptofano, afetando a sua ligao ao
operador. Quando esta molcula est disponvel, a protena repressora assume
uma conformao que lhe permite se ligar ao operador. Esta interao impede
Triptofano
Repressor + Triptofano Repressor
Quando triptofano est disponvel:
Promotor
RNA polimerase
Quando triptofano est indisponvel:
x
RNA polimerase
Incio da
transcrioRepressor incapaz de
se ligar ao operador
Triptofano
Repressor +Triptofano Repressor
Quando triptofano est disponvel:
Promotor
RNA polimerase
Quando triptofano est indisponvel:
x
RNA polimerase
Incio da
transcrioRepressor incapaz de
se ligar ao operador
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fisicamente a ligao da RNAP ao promotor, no havendo consequentemente a
transcrio do gene de interesse. Na ausncia de triptofano, a protena
repressora assume outra conformao que no permite a sua ligao ao
operador; assim, a RNAP pode iniciar a transcrio.
A busca por novos promotores que apresentassem altos nveis de
expresso no cessou, e dois outros foram gerados, o tac e o trc. Ambos so
variantes hbridas dos promotores lac e trp, sendo formados pela regio -35 do
promotor trp e pela regio -10 do operon Lac, incluindo o operador deste
ltimo. A diferena entre os dois promotores a constituio do espao
intergnico. Ambos exibem nveis de expresso gnica significativamente maiselevados se comparado aos promotores que lhes deram origem.
Os altos nveis de expresso obtidos com os promotores tac e trc
justificam o grande nmero de vetores de expresso comercialmente
disponveis portando estas sequncias. Um deles est ilustrado na Fig. 53. A
induo da expresso se faz de maneira idntica utilizada para o promotor
lac. Apesar de o operador ser o mesmo entre os promotores, os vetores
atualmente disponveis em regra utilizam um mecanismo de regulao distintoao do promotor lac.
Figura 53: Vetor de expresso pGEX.
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132Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Este vetor de expresso, comercialmente disponvel, contm o forte
promotor tac (em destaque no boxe vermelho). Como os nveis de expresso
obtidos pelos promotores tac e trc so significativamente mais elevados, foi
exigido um mecanismo que permitisse uma regulao mais apropriada.
Considerando este fato, os vetores frequentemente utilizam como estratgia
para regular a expresso gnica dos promoteres tac e trc uma variante da
protena repressora LacI, a LacIq(Fig. 54).
A diferena entre as duas uma mutao na sequncia promotora da
ltima, que permite uma produo mais elevada do repressor. A imposio deuma regulao mais forte importante para manter as funes metablicas da
clula e para inibir nveis de expresso basal de protenas txicas para a
hospedeira.
Figura 54: Vetor de expresso pProEx-Hta (Gibco).
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133Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Este vetor contm a sequncia do promotor trc, sendo que seus nveis
de expresso so regulados pela protena repressora LacIq (destacada na
figura pelo boxe vermelho). (Fonte: Coelho, 2007). A questo de obter nveis de
expresso gnica significativos ainda enquadra outro promotor muito utilizado
em vetores de expresso, o pT7. Este promotor derivado do fago T7 e
representa uma sequncia de alta afinidade para a RNAP, gerando altos nveis
de transcritos. A fora deste promotor impulsionou o desenvolvimento de
vetores de expresso como os pET, tornando-os a escolha para a expresso
de genes de interesse (Fig. 55).
Figura 55: Figura representativa do vetor de expresso pET.
A ilustrao mostra os elementos genticos constituintes do vetor de
expresso pET. Destaque para o promotor pT7, o qual induz altos nveis de
expresso gnica. As sequncias reguladoras deste vetor geralmente so
aquelas derivadas do operon lac.
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134Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Os mecanismos envolvidos com a transcrio das sequncias clonadas
nos vetores pET exige o conhecimento de certas particularidades. A transcrio
a partir do promotor pT7 dependente da ao da enzima RNAP do fago T7.
Isto constitui uma vantagem deste sistema de expresso, pois, como no h
estoques em E. coli desta enzima, no se observa nveis basais de expresso.
Contudo, esta afirmao um paradoxo, pois ao mesmo tempo em que esta
caracterstica uma vantagem, ela tambm representa uma desvantagem. A
necessidade da presena da RNAP do fago T7 impe a restrio da linhagem
de E. coli que pode ser utilizada como hospedeira na expresso das protenas
de interesse; estas devem ser capazes de expressar a enzima referida.A linhagem utilizada na expresso de protenas a partir do sistema pET
a BL21. Ela contm a sequncia codificadora da RNAP do fago T7 integrada
em seu cromossomo sob a regulao do promotor lacUV5 e das sequncias
reguladoras do operon lac(Fig. 56). Assim, de maneira geral, a adio do IPTG
cultura de clulas transformadas com o vetor recombinante induz a
expresso da RNAP do fago T7. Esta ento capaz de interagir com o
promotor pT7 presente no vetor pET, iniciando ento a transcrio do gene deinteresse.
Figura 56: Constituio gentica da linhagem BL21.
A sequncia codificadora da RNAP do fago T7 est inserida ao DNA
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135Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
cromossomal da linhagem BL21 de E. coli. A regulao da transcrio desta
protena est sob a regulao de sequncias derivadas do operon Lac. Alm
dos promotores induzveis pela adio de alguma substncia, outros vetores
carregam sequncias promotoras induzidas por mudanas de temperatura,
como o pL (Fig. 57). Este promotor derivado do fago lambda e pode ser
controlado pelo repressor termossensvel cI.
Em linhas gerais, as clulas transformadas com vetores que
contenham o promotor em questo so cultivadas a uma temperatura entre 28
a 30C, faixa dentro da qual o repressor capaz de se ligar ao operador.
Quando a cultura alcana a fase de crescimento desejada, ela submetida auma mudana de temperatura para 42C. Sob estas condies, o repressor
inativado, permitindo o incio da transcrio.
Figura 57: Vetor de expresso constitudo pelo promotor pL.
A figura ilustrao vetor de expresso pdeltablue, representando um dos
vetores comerciais cuja transcrio se inicia no promotor pL (que est
destacado, na figura, pelo boxe vermelho). Um dos pontos essenciais para
obter nveis de expresso significativos da protena de interesse obter um alto
nmero de transcritos. Este objetivo pode ser alcanado com o uso de
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136Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
promotores fortes na construo de vetores de expresso, como discutido
anteriormente. Apesar de diversas opes de promotores estarem disponveis,
o aprimoramento do processo de transcrio somente no garante alcanar
este objetivo. Outra opo consiste em clonar em tandem cpias mltiplas da
sequncia de interesse no vetor de expresso.
A desvantagem desta escolha est nas dificuldades tcnicas de
clonagem das sequncias, uma seguida da outra. Os procedimentos
envolvidos dificultam obter uma construo contendo a orientao correta para
a transcrio e traduo de todas as sequncias clonadas. Outra desvantagem
a instabilidade em nvel de DNA que estas construes podem apresentar.Por isso, durante a multiplicao da cultura celular, algumas ou todas as cpias
so eliminadas do plasmdeo.
Outra opo para aumentar os nveis de transcritos consiste em
aumentar o nmero de cpias do vetor utilizado. Contudo, isto representa uma
carga metablica significativa para a clula. Alm da replicao do vetor, h um
gasto energtico com a transcrio e com a replicao de todos os genes
presentes no plasmdeo. Com isso, algumas clulas tendem a expulsar o vetor,permitindo um crescimento celular acelerado se comparadas ao obtido pela
clula portadora do plasmdeo.
Este fato resulta em uma cultura onde haver o predomnio de clulas
que no contenham o vetor recombinante aps alguns ciclos de diviso celular.
Sob o ponto de vista biotecnolgico, isto representa uma perda relevante, pois
os nveis de expresso esto diretamente relacionados com a densidade
celular que contm o vetor de expresso.Altos nveis de expresso ainda so responsveis pelo fenmeno de
instabilidade do plasmdeo. Para a manuteno de clulas que o contenha,
uma opo consiste em adicionar antibitico ou metablitos essenciais para a
clula cultura, mantendo uma presso seletiva sobre as transformadas.
Apesar de manter em cultura, preferencialmente, as clulas transformadas, o
uso de drogas seletivas representa um alto custo para a indstria. Alm disso,
h uma preocupao quanto segurana do consumo de produtos derivados
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137Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
deste tipo de cultura por humanos, uma vez que certos indivduos apresentam
respostas alrgicas aps ingerir estas substncias.
A instabilidade do plasmdeo e de algumas construes utilizadas nos
vetores de expresso constituem um agravante para a perpetuao da
tecnologia de expresso heterloga. Apesar de ser um mtodo bastante
simples e prtico, suas desvantagens so a causa da busca de alternativas
para solucionar este problema. Uma delas que vm sendo especulada a
integrao da sequncia de interesse no cromossomo da clula hospedeira.
4.3 Integrao do DNA no Cromossomo da Clula Hospedeira
A integrao do material gentico, que possui a sequncia de
interesse, ao DNA cromossomal da clula hospedeira uma estratgia que
aumenta a estabilidade do DNA exgeno durante as divises celulares. O
interesse nesta opo ainda apresenta uma vantagem extremamente relevante
sob o ponto de vista tecnolgico: a liberao do consumo de micro-organismos
geneticamente modificados.Este processo permite que as sequncias indesejadas dos vetores,
como os genes que codificam antibiticos, sejam eliminadas do micro-
organismo modificado. Desta maneira, o gene de interesse mantido durante
as geraes na ausncia de agentes seletivos, facilitando a liberao deste
produto ao consumo de humanos e prevenindo a contaminao ambiental.
A insero de uma sequncia de interesse no DNA cromossomal da
clula hospedeira deve ocorrer em um stio especfico de eleio. A sualocalizao deve considerar a proximidade a um promotor forte, o qual deve ser
preferencialmente regulvel, e excluir aquelas regies gnicas que codifiquem
produtos essenciais clula. Estas caractersticas asseguraro uma expresso
eficiente sob condies normais de crescimento da clula hospedeira.
O vetor onde a sequncia de interesse est clonada deve conter uma
regio homloga sequncia de DNA do hospedeiro. Alguns autores sugerem
que o tamanho desta homologia deva ser de aproximadamente 51
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138Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
nucleotdeos, assegurando a troca fsica entre as molculas de DNA. Este
evento denominado recombinao. Este processo envolve certas etapas,
como:
I. Identificar a sequncia que ser interrompida no DNA
cromossomal do hospedeiro, para a insero do gene de interesse;
II. Isolar a sequncia homloga selecionada e clon-la em um vetor
do tipo integrativo. A clonagem do stio de insero deve ocorrer nas regies
flanqueadoras da sequncia de interesse a ser clonada;
III. O vetor a ser utilizado com esta finalidade no deve ser do tipo
replicativo na clula hospedeira;IV. Seleo dos clones que tiveram a sequncia de interesse
integrada ao seu genoma.
A insero do gene clonado catalisada por uma enzima do
hospedeiro, sendo que somente a sequncia de interesse ou mesmo todo o
plasmdeo pode ser inserido. No primeiro caso, diz-se que houve um duplo
crossing-over. Este o evento ideal, pois evita que as sequncias indesejadas
presentes no vetor, como as regies codificadoras de antibiticos, estejampresentes na nova linhagem recombinante.
Um evento simples de recombinao, que permite a insero de todo o
vetor, normalmente diferenciado do duplo crossing-over pela seleo por
antibiticos. Apesar de ser indesejado, este tipo de seleo pode ser til para
obter clones com duas ou mais cpias do gene de interesse. Esta estratgia foi
utilizada em Bacillus subtilis para obter nveis de expresso mais elevados da
protena
-amilase. Neste caso, os transformantes originais foram crescidos napresena de altos nveis de cloranfenicol. Somente clulas que tiveram uma
duplicao espontnea do inserto foram capazes de sobreviver sobre estas
condies de seleo.
Por mtodos imunolgicos, foram identificados clones que continham
diferentes nmeros de cpias do gene da -amilase. Os nveis de expresso
obtidos pelo clone que continha nove cpias da sequncia de interesse foram
maiores que os obtidos quando o hospedeiro em questo foi transformado com
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139Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
um plasmdeo com nmero de 20 a 40 cpias por clula.
A integrao de sequncias ao DNA cromossomal tambm possui
desvantagens. Os principais argumentos contra a sua adoo se referem
dificuldade de manipulao para a integrao do DNA, frente a uma simples
transformao da clula hospedeira, e a reduo dos nveis de expresso
quando somente uma cpia integrada. Mesmo diante de opes que
permitam aumentar os nveis de transcritos e a estabilidade das clulas
transformadas, isto no assegura uma quantidade significativa de protenas
expressas. Outras caractersticas devem ser aperfeioadas, tais como a
eficincia da traduo da sequncia de interesse.
4.4 Eficincia de Traduo
A eficincia com que um RNAm traduzido o diferencial para obter
entre centenas/milhares de uma cadeia proteica ou entre algumas cpias
somente. De fato, os nveis de transcritos obtidos de diferentes RNAm chega a
ser bem diferente em clulas de procariotos. Uma explicao para a diferenana eficincia da traduo est nas bases moleculares, o stio de ligao do
ribossomo (RBS). Esta sequncia, que contm o Shine Dalgarno, est ligada
com a afinidade a qual o ribossomo tem pelo RNAm. Quanto maior essa
relao, maiores so os nveis de transcritos.
A relao direta entre a afinidade do ribossomo ao seu stio de ligao
no RNAm e a eficincia da traduo utilizada no desenvolvimento de vetores
de expresso (Fig. 58). Alm de permitir altos nveis da protena de interesse,esta estratgia permite o reconhecimento pela maquinaria celular de
sequncias codificadoras tanto de procariotos como de eucariotos.
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140Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Figura 58: Incluso do stio de ligao ao ribossomo em vetores de expresso.
A figura ilustra o vetor de expresso comercial pQE-100 (Qiagen),mostrando o acrscimo do RBS (destacado na figura pelo boxe vermelho). A
maior eficincia da traduo est ligada a alguns requisitos que devem ser
estabelecidos na construo do vetor de expresso. Em primeiro lugar, o stio
de ligao ao ribossomo deve estar localizado a uma distncia precisa do
cdon de incio. Os vetores de expresso foram construdos de forma a
conterem o RBS, sendo que a distncia adotada em relao ao cdon de incio
testada para estabelecer a que favorece a traduo.
Apesar do stio de ligao do ribossomo ser fixo entre os vetores de
expresso, vale ressaltar que em determinadas situaes preciso adaptar a
distncia para cada gene. O segundo requisito que deve ser analisado para
aumentar a eficincia da traduo a prpria estrutura do RNAm. A sequncia
5 destes transcritos, regio que inclui o stio de ligao do ribossomo, no
deve conter sequncias de nucleotdeos complementares entre si.
A complementaridade dentro da cadeia permite a formao de
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141Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
estruturas secundrias no RNAm, o que dificulta a ligao do ribossomo ao
transcrito. Este tipo de problema deve ser analisado para cada sequncia em
especfico. A eficincia da traduo ainda pode ser aumentada usando os
cdons preferenciais de cada hospedeiro. Como descrito no mdulo I, os
micro-organismos utilizam com maior frequncia alguns dos cdons que
codificam um determinado aminocido. Esta caracterstica est relacionada
com a disponibilidade dos RNAt que so mais transcritos por um determinado
tipo de clula. A incompatibilidade entre os cdons apresentados na sequncia
de um RNAm, transcrito a partir de uma sequncia heterloga, com aqueles
frequentemente utilizados pela clula hospedeira diminuem a eficincia datraduo.
Em outras palavras, os RNAt cujos anticdons reconhecem cdons,
que so raramente utilizados pelo micro-organismo esto menos disponveis, o
que dificulta a traduo da sequncia de interesse. Para solucionar esta
questo, pode-se sintetizar quimicamente a sequncia de interesse, utilizando
os cdons preferenciais do organismo que ser utilizado como hospedeiro.
A sntese qumica de sequncias codificadoras, utilizando a estratgiade cdons preferenciais, tem sido adotada com sucesso por alguns grupos de
pesquisa. Apesar disso, como discutido no mdulo II, o alto custo deste
procedimento pode tornar esta alternativa invivel. Dentro deste contexto,
foram desenvolvidas linhagens de E. coli em que o nmero de RNAt limitantes
para algumas espcies foi aumentado.
A linhagem RosettaTM(Novagen) um exemplo deste tipo de bactria
modificada. Derivadas da linhagem BL21, a Rosetta
TM
uma E. colitransformada com plasmdeos que codificam os RNAt cujos anticdons
reconhecem os cdons AGG, AGA, AUA, CUA, CCC e GGA frequentemente
utilizados na expresso de genes eucariotos. Estas bactrias modificadas
constituem exemplos de hospedeiros que proveem uma espcie de traduo
universal de genes heterlogos.
O aperfeioamento de estratgias que permitam aumentar a eficincia
da traduo tem obtido sucesso para aumentar os nveis de expresso de
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142Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
protenas de interesse. Complementando isto, outro aspecto que deve ser
utilizado com o mesmo propsito a anlise das opes que permitam
aumentar a estabilidade proteica.
4.5 Estabilidade de Protenas
A estabilidade das protenas um ponto chave para obter uma alta
produo dos produtos desejados. A instabilidade das mesmas se deve,
principalmente, degradao a que esto expostas. Este aspecto
dependente de diferentes fatores, como: a espcie hospedeira, que est sendoutilizada para produzir as protenas recombinantes, e a prpria estrutura da
macromolcula.
4.5.1 Espcie Hospedeira
A linhagem que est sendo utilizada para a expresso de protena
recombinante afeta a estabilidade e a estrutura da macromolcula produzida.Este fato est diretamente relacionado com a presena e concentrao de
proteases produzidas naturalmente pelas clulas hospedeiras.
As proteases podem estar presentes tanto no meio intracelular como
na membrana externa. Dentre elas, as mais estudadas so a protena Lon, e a
OmpT. Linhagens deficientes para estas duas proteases j se encontram
disponveis comercialmente, como as BL21 (DE3), BL21 (DE3) pLysS e a BL21
(DE3) pLysE (Invitrogen). A ausncia destas duas proteases demonstrou que aexpresso nestas linhagens de bactrias modificadas apresenta uma reduo
na degradao das protenas produzidas.
O uso de bactrias deficientes em proteases demonstrou seu valor na
expresso de protenas heterlogas e a reduo da degradao de
macromolculas aumentou os nveis de produo. Outra estratgia para
alcanar o mesmo objetivo a modificao da estrutura da protena.
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143Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
4.5.2 Aumento da Estabilidade Proteica pela Modificao da sua Estrutura
A estrutura das protenas uma caracterstica intrnseca que pode
propiciar a degradao destas cadeias. Sequncias internas dentro das
protenas esto envolvidas com o seu reconhecimento por enzimas
proteolticas. Um exemplo a presena de sequncias internas ricas em
prolina, cido glutmico, serina e treonina. Elas so genericamente conhecidas
como sequncias PEST. Estes sinais so frequentemente flanqueados por
grupos de aminocidos carregados positivamente. Alguns autores sugerem que
a estabilidade da protena pode ser aumentada por manipulaes genticasque possibilitem a alterao destas regies.
A meia-vida de muitas protenas citoslicas est relacionada com os
resduos de aminocidos presentes na poro N-terminal. Alguns autores
sugerem que estes resduos possibilitam uma rpida ubiquitinao, resultando
na degradao das macromolculas pelo complexo do proteassoma. A
presena dos aminocidos arginina, lisina, fenilalanina, leucina ou triptofano na
regio N-terminal da cadeia proteica tem sido associada com uma meia-vidacurta das protenas.
Por outro lado, a presena dos aminocidos cistena, alanina, serina,
treonina, glicina, valina ou metionina na mesma regio relacionada com uma
meia-vida longa. Nestes casos, as cadeias proteicas so mais resistentes ao
ataque proteoltico. Por esta razo, estes aminocidos so denominados como
estabilizadores. Uma comparao evolutiva interessante que um aminocido
estabilizador, a metionina, adicionado poro N-terminal das protenasrecm-sintetizadas, o que suporta a ideia da importncia da relao entre a
estrutura proteica e a sua estabilidade.
A alterao da estrutura proteica para aumentar a sua estabilidade tem
sido utilizada, demonstrando resultados promissores. Entretanto, esta opo
algumas vezes no possvel, pois a modificao implica em mudana da
sequncia da protena, resultando em perda de funo. Outra estratgia para
evitar estes problemas o uso de protenas de fuso.
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144Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
4.6 Protenas de Fuso
A construo de uma protena de fuso significa estabelecer uma unio
entre a sequncia do gene clonado com outra derivada de uma protena
expressa de maneira estvel pela clula hospedeira. Esta combinao resulta
em maiores nveis de expresso, pois h a proteo da sequncia de interesse
da ao das proteases celulares. Alguns estudos compararam a degradao
da protena quando a expresso feita a partir da sua sequncia somente ou
da associao a uma protena de fuso. Os resultados demonstraram que aprotena fusionada mais resistente protelise.
Protenas de fuso so construdas em nvel de DNA pela ligao da
regio codificadora de dois genes diferentes. Para isto, normalmente se utiliza
um vetor que j possui a sequncia de um gene da clula hospedeira e que
permite que a outra de interesse seja inserida e ligada primeira. As duas
sequncias devem ser clonadas de forma que a fase de leitura de ambas
esteja correta.Diversos tipos de protenas de fuso podem ser utilizados. Um exemplo
a fuso da protena alvo com o segmento na poro 5 terminal do gene
ompF de E. coli, que codifica uma protena de membrana fusionada a uma
poro do gene LacZ. Esta protena de fuso, alm de aumentar a estabilidade
da protena, facilita a identificao da macromolcula expressa.
O uso de protenas de fuso pode beneficiar o pesquisador de diversas
maneiras. Assim como a protena LacZ, outras utilizadas com o mesmopropsito podem ter outras utilidades, como facilitar a purificao da protena
recombinante. Isto se deve utilizao em colunas de purificao de
substncias que apresentem afinidade protena de fuso. Este protocolo
permite selecionar, dentro do extrato bruto de protenas, somente aquelas de
interesse ao pesquisador.
Diversos vetores de expresso permitem a opo pelo uso de
protenas de fuso. A maioria dos fabricantes justifica seu uso como escrito no
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145Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
pargrafo anterior: para aumentar a estabilidade da protena e facilitar a sua
purificao. Estas mesmas caractersticas podem ser obtidas pela escolha de
uma estratgia diferente, a secreo de protenas.
4.7 Aumento da Secreo de Protenas Recombinantes
A secreo de protenas recombinantes uma caracterstica desejvel
sob alguns aspectos biotecnolgicos. A secreo pode aumentar a estabilidade
de determinadas protenas, como no caso da insulina. Experimentos
demonstraram que a expresso desta protena em E. coli e a secreo noespao periplasmtico aumentaram em aproximadamente 10 vezes a
estabilidade da protena se comparado ocorrida no citoplasma. Alm disso,
protenas secretadas so mais fceis de purificar.
A secreo de protenas um processo dependente de uma sequncia
que se localiza na poro N-terminal da protena, o peptdeo sinal. Este permite
o endereamento proteico para a membrana celular. Aps isso, a maquinaria
de secreo capaz de reconhec-lo, clivando-o. O processo de secreofinaliza com a liberao da protena para o periplasma, no caso de bactrias
gram-negativas, ou para o meio extracelular.
Algumas sequncias podem ser manipuladas para permitir a sua
secreo. Neste caso, a sequncia de interesse clonada em um vetor de
expresso que contenha um peptdeo sinal. A maioria dos vetores de
expresso apresenta duas verses, a que permite a expresso citoplasmtica e
a que contm a sequncia de um peptdeo sinal, facilitando o endereamentoproteico. Apesar destas possibilidades j disponveis comercialmente, esta
modificao no garante altos nveis de protenas secretadas. Alm disso, a
secreo de protenas em bactrias Gram-negativas frequentemente
direcionada para o espao periplasmtico e no para o meio extracelular.
Uma alternativa para aumentar a eficincia da secreo de protenas
para o meio extracelular consiste em optar por outras clulas hospedeiras,
como as bactrias gram-positivas. Estas so os micro-organismos de escolha
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146Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
quando o experimento requer a secreo de protenas recombinantes, pois as
macromolculas so liberadas diretamente no meio externo. Esta caracterstica
diferencial entre organismos gram-negativos e gram-positivos se deve
organizao da parede celular, os ltimos no possuem o espao
periplasmtico. Portanto, vetores de expresso que contenham o peptdeo sinal
permitem que a protena expressa, quando secretada de forma adequada, seja
liberada diretamente no meio.
Alm do uso de bactrias gram-positivas para a expresso de
protenas que devam ser secretadas, certos organismos eucariotos so
opes. Entre eles, h relatos de alta eficincia da secreo de protenas como uso de fungos filamentosos, como ser discutido mais adiante.
A eficincia da secreo de protenas por micro-organismos gram-
positivos questionada por alguns autores. Apesar desta caracterstica
benfica apresentada, os nveis de expresso obtidos nestes micro-organismos
deixam a desejar. Por isso, geralmente os pesquisadores optam por expressar
protenas na E. coli. Considerando este aspecto, a tecnologia do DNA
recombinante est sendo utilizada na manipulao das caractersticas dasequncia que permitam o endereamento proteico.
Alm do peptdeo sinal, foi observado um mecanismo interessante em
algumas bactrias gram-negativas envolvido com a secreo da protena
bacteriocina. Uma cascata de eventos coordenados resulta na ativao da
fosfolipase, presente na membrana interna da bactria. Esta protena age de
forma a permeabilizar a membrana interna e externa da bactria. Neste
momento, algumas protenas presentes no citoplasma e no espaoperiplasmtico so liberadas para o meio.
A partir da elucidao dos mecanismos envolvidos com a secreo da
bacteriocina, a biotecnologia desenvolveu uma estratgia para aumentar a
secreo de protenas expressas ao meio extracelular. A bactria deve ser
transformada com dois plasmdeos, cuja expresso esteja sob o controle das
mesmas sequncias reguladoras. Um dos vetores conter a sequncia do gene
da protena responsvel por ativar a fosfolipase D; o outro ter a sequncia de
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147Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
interesse fusionada a um peptdeo sinal. Assim, a induo da expresso ativar
a transcrio dos dois genes, sendo que a protena que libera a bacteriocina
induzir a permeabilizao da membrana, e a protena de interesse ser ento
secretada para o meio.
Os sistemas de expresso procariotos so largamente utilizados para a
produo de diferentes tipos proteicos, at mesmo de protenas eucariotas.
Nestes casos, frequentemente se utiliza o cDNA como sequncia codificadora
a ser clonada no vetor de expresso. Apesar de que em alguns casos esta
estratgia ser utilizada com sucesso, algumas protenas eucariotas so
produzidas de maneira instvel ou no apresentam atividade biolgica.A funcionalidade de protenas eucariotas requer que a mesma
apresente a maior identidade possvel sua apresentao original, tanto em
nveis bioqumicos como biofsicos. A ausncia de atividade biolgica de
protenas expressas em organismos procariotos pode ser devida expresso
em uma conformao inadequada, principalmente, pela incapacidade destes
sistemas em gerar determinadas modificaes ps-traducionais. Entre elas,
pode-se citar:I. Formao de pontes dissulfeto. Esta reao dependente da
atividade da enzima chamada isomerase dissulfeto. A ausncia desta
modificao est relacionada com uma conformao proteica instvel e com
a falta de atividade biolgica;
II. Clivagem proteoltica do precursor da protena. Neste
procedimento, determinados segmentos da sequncia de aminocidos so
removidos para produzir uma protena funcional;III. Glicosilao, onde frequentemente so adicionados resduos de
acar serina e treonina. Esta modificao est relacionada com a
estabilidade e com propriedades diferenciais da protena;
IV. Modificao de determinados aminocidos dentro da cadeia
proteica, como a acetilao e a fosforilao.
Dentre as modificaes da cadeia proteica que exibem menor
probabilidade de realizao por organismos procariotos so a glicosilao e a
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148Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
modificao de aminocidos da cadeia proteica. A questo conformacional de
protenas expressas em organismos procariotos no o nico problema na
expresso de protenas eucariotas em sistemas procariotos. Outro ponto crtico
na obteno de produtos expressos nestes micro-organismos se refere
presena de contaminantes txicos para humanos, resultando em efeitos
colaterais indesejveis. Para solucionar estes problemas, pesquisadores tm
desenvolvido sistema de expresso eucarioto para a expresso de protenas
teraputicas para humanos e animais.
4.8 Expresso em Sistemas Eucariotos
Sistemas de expresso eucariotos so muito similares aos de
procariotos. Eles so constitudos por vetores de clonagem que contm os
elementos genticos que permitem a expresso do gene de interesse em
clulas eucariotas. Logo, estes vetores so constitudos por:
I. Uma sequncia que permita a seleo do transformante em
clulas eucariotas;II. Sequncias que permitam uma eficiente transcrio de genes
eucariotos, como um promotor eucarioto,
III. Sequncia de poliadenilao, permitindo a adio da cauda poliA
ao RNAm.
Um exemplo de vetor de expresso eucarioto est representado na Fig.
59. O pVAX um vetor que possui todos os elementos genticos para a
expresso gnica em clulas de mamferos. um vetor muito utilizado nodesenvolvimento de vacinas de DNA.
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149Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Figura 59: Mapa do vetor pVAX (Invitrogen).
Este vetor possui todos os elementos genticos necessrios para a
expresso gnica em clulas de mamferos, como o promotor do
citomegalovrus humano (CMV), que permite altos nveis de expresso; o sinal
de poliadenilao derivado da sequncia codificadora do hormnio bovino
(BGH), que confere maior eficincia na terminao da transcrio e da
poliadenilao do RNAm. Alm disso, o vetor foi construdo de acordo com as
normas do Food and Drug Administration (FDA), contendo somente as
sequncias necessrias replicao em E. coli ou para a expresso em
clulas de mamferos. (Fonte: Coelho, 2007).
Assim como discutido para os organismos procariotos, outras
sequncias importantes tambm podem ser adicionadas ao vetor de expresso
eucarioto, dependendo dos objetivos. No caso de o vetor ser um plasmdeo, o
qual se replicar de maneira independente aos cromossomos, este deve conter
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150Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
uma origem de replicao eucariota. Contudo, como a manipulao deste tipo
de clulas um processo mais complicado, geralmente os procedimentos se
realizam inicialmente em clulas procariotas, para depois prosseguirem em
eucariotas.
Para isso, frequentemente se utilizam plasmdeos que possuam duas
origens de replicao: uma procariota e outra eucariota. Estes vetores so
conhecidos como shuttle. Alm da origem de replicao, estes plasmdeos
so construdos contendo dois genes que permitam a seleo das clulas
transfectadas com o vetor recombinante.
Assim como a origem de replicao, uma das sequncias estrelacionada com a seleo em clulas procariotas e, a outra, em clulas
eucariotas. Estes vetores shuttle tm sido desenvolvidos para a expresso de
protenas recombinantes em leveduras e para clulas de insetos e de
mamferos.
Uma alternativa expresso em plasmdeo consiste na integrao
desta sequncia ao DNA cromossomal da clula hospedeira. Neste caso, o
vetor deve conter um segmento de DNA homlogo a uma regio docromossomo do hospedeiro o stio de integrao cromossomal para permitir
o processo de recombinao homloga.
Apesar do desenvolvido e aperfeioamento de vetores de expresso
eucarioto, no h um sistema que atenda todas as modificaes proteicas de
interesse. Por isso, devem-se analisar as caractersticas da protena de
interesse e, a partir disso, examinar diferentes sistemas de expresso e tipos
celulares a serem utilizados na produo da protena de interesse.
4.8.1 Sistemas de Expresso Eucariotos
Diversos tipos de organismos so utilizados como clulas hospedeiras
para a expresso de protenas eucariotas, como as leveduras, as clulas de
insetos e as clulas de mamferos. As leveduras compartilham muitas
caractersticas bioqumicas, genticas e moleculares com outros organismos
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151Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
eucariotos. Este fato propicia um ambiente intracelular favorvel s
modificaes de protenas, necessrias para que estas apresentem atividade
biolgica. Alm disso, muitas leveduras contm uma via de secreo e de
sinalizao idnticas s presentes em clulas de mamferos, possibilitando
ento a expresso de protenas tanto intracelularmente como na forma
secretada.
As vantagens do uso de leveduras ainda incluem as caractersticas de
manuteno da cultura, como a relativa simplicidade e facilidade na
manipulao, rapidez de crescimento, atingindo uma alta densidade celular e o
baixo custo de manuteno. Estas so as mesmas caractersticas quefavorecem a escolha de E. coli como sistema procarioto para a expresso de
protenas. Outro fator relevante para a eleio da expresso em leveduras a
segurana do sistema, que livre de endotoxinas e de oncogenes.
Outro aspecto vantajoso do uso de leveduras se baseia no fato de que
algumas delas j possuem o genoma completamente sequenciado. Isto facilita
as manipulaes genticas, propiciando o aprimoramento dos vetores de
expresso. Este fato permitiu, por exemplo, o isolamento e a caracterizao depromotores fortes que permitem atingir altos nveis de expresso da protena
de interesse. Isto facilitou a produo de protenas em larga escala e em menor
custo, se comparado aos nveis obtidos com a expresso em clulas de
mamferos.
Os vetores de expresso desenvolvidos apresentam elementos
genticos especficos que permitem uma maior produo de acordo com a
levedura que est sendo utilizada como clula hospedeira. Entretanto, umacaracterstica em comum que facilitou a transformao das leveduras com o
vetor de expresso foi o uso de vetores shuttle. A ligao do inserto a este
vetor produzida in vitroe ento utilizada para transformar primeiramente E.
coli.
Este procedimento utilizado, pois a manipulao desta bactria um
processo mais simples e que permite a construo de uma gama maior de
estruturas a serem utilizadas na expresso. Alm disso, este procedimento
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152Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
facilita a seleo da construo correta; depois da confirmao, parte-se para a
transformao da levedura com o vetor recombinante correto. As vantagens da
utilizao de leveduras na expresso de protenas recombinantes
impulsionaram muitas pesquisas no assunto. Um exemplo a utilizao da
tecnologia do DNA recombinante por grupos de pesquisa da Universidade de
Braslia e da USP para desenvolver linhagens de leveduras capazes de utilizar
o amido.
Estes novos organismos foram modificados e contm genes de
amilases para o processamento do amido presente na mandioca e na batata
doce, o que est sendo testado na produo de etanol. Diversos tipos deleveduras tm sido testados quanto ao seu potencial na expresso de
protenas recombinantes. Entre elas, uma das mais utilizadas a
Saccharomyces cerevisiae.
4.8.1.1 Expresso em Saccharomyces Cerevisiae
S. cerevisiae uma levedura constituda por uma nica clula, a qualpode se apresentar de forma esfrica ou oval (Fig. 60A). A multiplicao destas
clulas d um aspecto em gar semelhante a uma bactria (Fig. 60B).
A B
Figura 60: (A) Clulas de S. cerevisiae e (B) colnias da mesma Levedura.
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153Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
S. cerevisiae foi um dos primeiros organismos de eleio para a
expresso de protenas eucariotas. Muitos fatores contribuem para esta
escolha:
I. uma levedura cujas condies fisiolgicas so bem conhecidas;
II. Seu genoma j foi totalmente sequenciado;
III. Cresce facilmente tanto a nvel laboratorial como em escala
industrial;
IV. Diversas sequncias promotoras fortes j foram isoladas e
caracterizadas;V. Foram isolados plasmdeos naturais de S. cerevisiae, os quais
podem ser utilizados na construo de vetores de expresso;
VI. S. cerevisiae capaz de realizar diversas modificaes ps-
traducionais;
VII. capaz de secretar protenas para o meio, caracterstica utilizada
pela engenharia gentica para facilitar o processo de purificao;
VIII. Este organismo considerado como seguro. Isto explica porqueele tem sido muito utilizado na indstria para a produo de diversos bens com
fins teraputicos para humanos, sem ter que passar por experimentaes que
comprovem o seu uso.
Algumas protenas produzidas por S. cerevisiae esto sendo testadas
em fins diagnsticos ou teraputicos; outras j esto disponveis
comercialmente como antgenos vacinais. Os estudos de gentica molecular
com S. cerevisiae se aprofundaram no final da dcada de 70, quando estalevedura foi ento sequenciada. A partir disso, vrios tipos de vetores de
expresso foram desenvolvidos.
4.8.1.1.2 Vetores de Expresso de s. Cerevisiae
H trs classes de vetores utilizados na expresso de protenas
recombinantes por S. cerevisiae:
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154Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
I. Plasmdeo
II. Vetores de integrao
III. Cromossomo artificial de levedura
Os plasmdeos foram testados com sucesso para a expresso de
protenas, tanto na forma extracelular como na intracelular. Contudo, sua
desvantagem a instabilidade que esta construo apresenta sob grandes
escalas de produo, como acima de 10 litros. Alm disso, os nveis de
expresso obtidos ainda so considerados baixos. Alguns pesquisadores
tentaram clonar a sequncia codificadora em tandem, com vrias cpias.Contudo, esta construo instvel. Tentativas para aumentar os nveis de
expresso consistem em estudos de crescimento da levedura, visando
reconhecer as condies mais adequadas que aumentem a estabilidade do
plasmdeo.
A vantagem de utilizar vetores de integrao em relao aos
plasmdeos que aps a integrao da sequncia de interesse no genoma do
hospedeiro, ela apresentar maior estabilidade. Contudo, as desvantagensincluem a complexidade do processo, e somente uma cpia inserida, o que
resulta em baixos nveis de expresso.
Assim como os vetores de integrao, os cromossomos artificiais de
levedura apresentam como principal vantagem a estabilidade da construo
recombinante. Contudo, esta estratgia no tem sido utilizada comercialmente
para a expresso de protenas recombinantes, mas para outras opes como a
formao de bibliotecas genmicas de DNA de cromossomos humanosindividualmente.
4.8.1.1.3 Expresso Direta em S. Cerevisiae
A expresso direta um termo utilizado para descrever vetores que
permitem o acmulo de protenas no citoplasma aps a sua expresso. Muitos
grupos de pesquisa tm dedicado uma ateno especial a este tipo de vetor de
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155Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
expresso, os quais possuem estruturalmente a mesma caracterstica bsica.
Um exemplo destes vetores inclui um vetor shuttle, com uma origem de
replicao de E. coli e outro para a levedura. O plasmdeo possui um marcador
de seleo derivado do gene de ampicilina, um gene que codifica a sntese de
leucina (leu2) e um stio para a clonagem de cDNA (pois, clulas de levedura
no so eficientes na remoo de introns, e, por isso, deve-se usar cDNA ou
insertos sintetizados quimicamente).
O stio de clonagem do inserto flanqueado pelo promotor do gene da
dehidrogenase gliceraldedo fosfato (GAPD), que apresenta expresso
constitutiva, e pela sequncia contento os sinais de terminao da transcrio ede poliadenilao do RNAm do mesmo gene. Este vetor recombinante
utilizado na transformao de uma linhagem de levedura defectiva para leucina
(leu2-). Em seguida, a cultura plaqueada em um meio onde falta a leucina.
Este permite ento a seleo dos transformantes, os quais estaro
expressando este aminocido. Esta estratgia foi utilizada com sucesso na
expresso da protena superoxidismutase de humanos.
A primeira iniciativa para a expresso dela foi em E. coli. Contudo, aexpresso neste sistema no produziu a acetilao da cadeia proteica, como
ocorre com a protena de humanos. Assim, a tentativa seguinte foi a expresso
em S. cerevisiae. Neste experimento, altos nveis de expresso proteica da
superoxidismutase foram obtidos, sendo que a mesma apresentava-se
acetilada, assim como a protena isolada de humanos. Portanto, este exemplo
ilustra a eficcia da expresso de protenas eucariotas em S. cerevisiae.
O sistema de expresso de protenas recombinantes deve serdinmico, permitindo ao pesquisador testar diferentes estratgias de clonagem
e expresso. Diferentes vetores que proporcionam meios eficazes de
expresso em S. cerevisiae foram construdos. Alm de alcanar altos nveis
de produo de protena eucariotas em uma conformao adequada, os
vetores ainda oferecem opes ao pesquisador, como o endereamento
proteico. Sobre este aspecto, um dos mais visados em processos
biotecnolgicos a possibilidade de produzir protenas e secret-las ao meio
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156Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
externo.
4.8.1.1.4 Secreo de Protenas Heterlogas por S. Cerevisiae
A secreo de protenas heterlogas por S. cerevisiae exerce um papel
chave nas modificaes ps-traducionais, como a glicosilao. Somente as
protenas secretadas por esta levedura recebem a adio de acares cadeia
proteica. A construo de vetores de expresso que permitam a secreo de
protenas recombinantes muito similar ao protocolo utilizado em procariotos.
Com este propsito, um peptdeo sinal clonado a jusante da sequnciacodificadora. Esta sequncia sinal reconhecida pela maquinaria de secreo
de S. cerevisiae, permitindo que a protena assim expressa seja eficientemente
secretada.
Durante o processo compreendido entre a traduo e a secreo da
protena de interesse, estas macromolculas sofrem algumas modificaes
ps-traducionais, como a formao de pontes dissulfeto e a clivagem
proteoltica. Ao chegar membrana celular, o peptdeo sinal permite que aprotena passe atravs dela. Em seguida, o peptdeo sinal reconhecido e
removido da protena recombinante por uma endoprotease que reconhece o
dipeptdeo Lys-Arg.
Esta sequncia posicionada imediatamente antes da sequncia
codificadora da protena de interesse. Assim, a protena exibir a sequncia de
aminocidos correta na sua poro N-terminal. A liberao da protena para o
meio se completa aps a clivagem do peptdeo sinal.A utilizao primordial de vetores que permita a secreo de protenas
expressas em S. cerevisiae a glicosilao de protenas eucariotas.
Entretanto, outros proveitos de interesse biotecnolgico podem ser obtidos com
esta estratgia. Assim como a escolha destes vetores para organismos
procariotos, a secreo das protenas expressas facilita a purificao de
protenas recombinantes. Portanto, o uso de vetores de expresso de S.
cerevisiae contendo a sequncia do peptdeo sinal tem como vantagem a
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157Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
induo de modificaes ps-traducionais e purificao facilitada das protenas
expressas neste hospedeiro.
Muitas protenas tm sido expressas com sucesso em S. cerevisiae,
como o antgeno de superfcie do vrus da Hepatite B. Contudo, a expresso
nesta levedura tambm apresenta desvantagens, como os baixos nveis de
expresso obtidos para algumas protenas. Outros problemas relatados
incluem:
I. A perda de plasmdeos no decorrer de geraes em produes de
larga escala;
II. A hiperglicosilao de protenas heterlogas. Neste caso,observa-se que os resduos de manose receberam cerca de 100 resduos de
acar, sendo que o normal varia de 8 a 13. Estas unidades extras podem
alterar a atividade biolgica ou mesmo mudar a imunogenicidade da protena;
III. Em alguns casos, observou-se que protenas secretadas ficam
presas no espao periplasmtico, o que prejudica a purificao de protenas.
Frente a estas desvantagens apresentadas pelo sistema de expresso
em S. cerevisiae, pesquisadores estudaram mtodos para aperfeioar aexpresso de protenas. Para isso, tem-se estudado alternativas, como a
construo de novos vetores de expresso, alm da possibilidade de utilizar
diferentes hospedeiros.
A escolha de novas leveduras como sistema de expresso depende da
apresentao de algumas caractersticas desejadas para a expresso de
protenas. Dentre elas, incluem-se:
I. A disponibilidade de vetores apropriados;II. Sistemas de expresso com sequncias reguladoras apropriadas
para cada hospedeiro em especfico;
III. A habilidade de transformar os diferentes hospedeiros com os
vetores de interesse;
IV. Obteno de altos nveis de expresso;
V. Habilidade do organismo hospedeiro em crescer sob condies
industriais.
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158Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Candidatos de leveduras para a expresso de protenas heterlogas
incluem Pichia pastoris e Schizosaccharomyces pombe. Estas leveduras so
denominadas convencionais, pois so as mais utilizadas atualmente com
propsitos biotecnolgicos. Outras no convencionais incluem:
Kluyveromyces lactis, que foi utilizado comercialmente para a produo da -
galactosidase; Yarrowia lipolytica; Hansenula polymorpha; Arxula
adeninivorans.
Dentre as duas opes de leveduras convencionais, grupos de
pesquisa tm relatado sucesso obtido aps a expresso de protenas na
levedura Pichia pastoris. Por isso, grande ateno e investimentos tm sidodirecionados para esta levedura, visando seu aperfeioamento como sistema
de expresso.
4.8.1.2 Pichia Pastoris
Pichia pastoris uma levedura metilotrfica, o que significa que ela
capaz de crescer em meio de cultura contendo metanol como nica fonte decarbono. Historicamente, o que chamou a ateno quanto a esta levedura
que a mesma cresce facilmente em meio de cultura barato sob produes a
nvel industrial.
Outros aspectos, alm dos baixos custos de manuteno da cultura de
Pichia pastoris, so vantajosos para a utilizao desta levedura para processos
biotecnolgicos. A sua cultura no apresenta um alto nvel de fermentao.
Este processo resulta na gerao de etanol, um componente que em culturasde alta densidade celular pode atingir nveis txicos. A toxicidade desta
substncia inviabiliza o crescimento da cultura de leveduras.
Por apresentar baixos nveis de fermentao, isto constitui uma
vantagem do uso de Pichia pastoris como hospedeiro para a expresso de
protenas em comparao a S. cerevisiae, pois a cultura de Pichia pastoris
pode alcanar altas densidades celulares. H relatos de que o crescimento em
peso seco obtido pode atingir cerca de 100g/L, ou mesmo, quantidades
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159Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
maiores. Considerando todas as vantagens descritas e o fato de que a
densidade celular est diretamente relacionada com a quantidade de protenas
produzidas, ideias surgiram com a finalidade de transformar Pichia pastoris
como um sistema de produo de protenas recombinantes.
Um dos experimentos iniciais com a levedura para a expresso de
protenas de interesse comercial foi a tentativa de expressar, em altos nveis, o
antgeno de superfcie do vrus da hepatite B. Para isso, foi desenvolvido um
sistema de expresso do tipo integrativo, que continha a sequncia promotora
e a terminadora derivadas do gene da enzima lcool oxidase.
Atualmente, esta uma das caractersticas que tornam esta leveduracomo uma hospedeira atraente para a expresso de protenas heterlogas,
pois este vetor permite obter altos nveis de expresso proteica. O vetor de
expresso constitudo do promotor, da sequncia terminadora e do sinal de
poliadenilao derivados do gene que codifica a enzima lcool oxidase. O
plasmdeo um vetor shuttle, contendo uma origem de replicao para Pichia
pastoris e outra para E. coli.
Alm disso, o vetor contm a sequncia codificadora da ampicilina, oque permite a seleo dos plasmdeos recombinantes em E. coli. Outro gene
encontrado no plasmdeo o codificador da enzima histidiol desidrogenase
(his4). Esta marca permite a seleo de transformantes prototrficos His+
quando os vetores so transformados em uma linhagem de Pichia pastoris
deficiente para a expresso deste gene, as his4. Portanto, somente as clulas
transformadas sero hbeis para crescer em meio deficiente em histidina. O
mapa do vetor est demonstrado na Fig. 61.
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160Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Figura 61: Mapa do Vetor pPICZ para a expresso em Pichia pastoris (Invitrogen).
Os vetores de expresso utilizados em Pichia pastoris geralmente so
integrativos. O objetivo permitir que a sequncia de interesse, clonada entre a
regio promotora e terminadora, se integre ao genoma do hospedeiro, a fim de
evitar problemas de instabilidade do plasmdeo. Estes vetores possuem em sua
estrutura sequncias de DNA homlogas s do DNA do cromossomo da
levedura nas regies proximais do gene histidiol desidrogenase, o que tem por
finalidade facilitar a integrao do material gentico transformado por
recombinao homloga.
O processo de recombinao homloga est envolvido com dois fatos
interessantes. O primeiro que a sua concluso ocorre com a troca do gene
AOX1 pela sequncia de interesse. Isto permite uma segunda forma de
seleo dos transformantes. H um segundo gene funcional presente no
cromossomo da clula hospedeira, o AOX2. Este gene, apesar de funcional,
menos efetivo, resultando em um crescimento lento da levedura na presena
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161Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
de metanol. Outro ponto a considerar que vrias cpias podem ser integradas
ao genoma, o que est relacionado com os nveis de expresso.
O promotor AOX1 regulado transcricionalmente pelo substrato
metanol. O uso deste indutor vantajoso sob o ponto de vista econmico, pois
seu custo considerado como relativamente barato. A regulao da
transcrio, a partir deste promotor, tambm ocorre pela presena de glicose
na cultura. A ativao de AOX1 e, portanto, o incio da transcrio somente se
inicia na ausncia completa de glicose.
Aps a induo da expresso com o metanol so obtidos altos nveis
de expresso, equivalentes queles obtidos por genes altamente expressos eque esto sob o controle dos promotores envolvidos com a via glicoltica. Na
presena de metanol observa-se que os nveis de expresso da enzima lcool
oxidase representam cerca de 30% da protena celular total de Pichia pastoris,
o que confirma os altos nveis de expresso obtidos a partir deste promotor.
Alm disso, esta sequncia promotora fortemente regulada, sendo
reprimida em condies de crescimento com a ausncia de metanol. Assim,
por a transcrio ser fortemente regulada, a expresso da protena de interesse acionada e desligada em tempos determinados. Esta caracterstica impede a
expresso por perodos inapropriados de protenas txicas cultura celular e
dificulta a proliferao, na cultura de leveduras, daquelas que no expressem o
gene de interesse.
As protenas expressas por este sistema podem ser apresentadas
tanto como intracelulares como sendo secretadas. Esta caracterstica depende
da adio ao vetor de expresso de um peptdeo sinal que permita oendereamento proteico. Nestes casos, frequentemente utilizado o peptdeo
sinal derivado de S. cerevisiae (Fig. 62).
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162Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
Figura 62: Mapa do vetor pMET (Invitrogen).
A figura ilustra as duas verses de vetores disponveis comercialmente,
uma para a expresso citoplasmtica e outra para a secretada. Neste ltimo
caso, o vetor construdo com a adio do peptdeo sinal derivado de S.
cerevisiae, o fator alfa. A secreo de protenas recombinantes est
relacionada com uma caracterstica essencial da estrutura da protena
expressa, a glicosilao. Assim como ocorre em S. cerevisiae, a glicosilao de
protenas somente ocorre com aquelas que so secretadas.
Os tamanhos das cadeias de carboidratos adicionados por Pichia
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163Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
pastoris so menores que os observados em S. cerevisiae. Portanto, a
glicosilao em Pichia pastoris outra vantagem sobre a expresso em S.
cerevisiae, pois neste ltimo h a hiperglicosilao que altera a atividade das
protenas. O uso desta levedura como vetor de expresso tem se tornado
popular, sendo relatada a expresso de mais de 200 protenas de vrus,
bactrias, fungos, animais, plantas e de humanos. Contudo, a expresso em
Pichia pastoris tambm apresenta algumas desvantagens. Uma delas est
relacionada aos vetores de expresso disponveis.
Embora muito utilizados, os vetores de expresso apresentam como
desvantagem o grande tamanho que varia em torno de 8kb. Outradesvantagem dos mesmos consiste no fato de possurem poucos stios de
restrio que permitam a clonagem do gene heterlogo. H vetores de
expresso alternativos, que so plasmdeos menores. Um exemplo uma
famlia de vetores que apresenta como mecanismo de seleo dos
transformantes o gene sh ble, conferindo resistncia droga zeomicina. Apesar
de esta seleo ser eficiente tanto em E. coli como em Pichia pastoris, a droga
apresenta um custo elevado, o que inviabiliza a sua utilizao.Outro vetor desenvolvido consiste em um plasmdeo cuja expresso
est sob o controle do promotor gap. Esta sequncia derivada do gene
gliceraldedo-3-fosfato desidrogenase e apresenta uma forte expresso
constitutiva. A expresso obtida a partir deste promotor em culturas crescidas
em glicose apresenta nveis de expresso comparveis queles obtidos com o
promotor AOX1 em culturas crescidas em metanol.
A vantagem do promotor gapconsiste em no ser necessria a trocado meio de cultura antes de induzir a expresso do gene de interesse. A
desvantagem da sua utilizao consiste no fato de que a expresso constitutiva
no desejvel para a expresso de genes deletrios para a clula. Alm
disso, o gasto celular para este tipo de expresso significante para a cultura
se comparada obtida por um promotor regulvel, como o AOX1. Outra
desvantagem da expresso em Pichia pastoris consiste em baixos nveis de
expresso obtidos para algumas protenas. A soluo para este problema est
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164Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
em aprimorar novos vetores de expresso. Contudo, assim como em outros
organismos eucariotos, a regulao da expresso complicada, o que exige
tempo para desenvolver estratgias eficazes.
O aumento dos nveis de expresso foi verificado em linhagens que
continham trs cpias integradas ao genoma. A deteco destes clones se d
por mtodos imunolgicos. Neste caso, necessria a disponibilidade de
anticorpos especficos para a protena heterloga. O mtodo permitiu a
identificao de clones que expressam a protena de interesse em diferentes
nveis.
A glicosilao efetuada por Pichia pastoris nem sempre se d com aconformao adequada. Apesar de ser similar que ocorre em mamferos,
esta levedura no capaz de adicionar manoses terminais com ligaes -1,3,
como em S. cerevisiae, o que faz com que as protenas expressas em Pichia
pastoris sejam menos imunognicas que as expressas em S. cerevisiae.
Ainda, assim como em S. cerevisiae, outro problema relacionado com a
glicosilao que ocorre em algumas protenas expressas em Pichia pastoris a
hiperglicosilao. Apesar de algumas protenas receberem cadeias curtas deoligossacardeos, no se conhece um fenmeno capaz de explicar os
diferentes padres de glicosilao apresentados pela Pichia pastoris.
As leveduras apresentam vantagens significativas que justificam seu
uso na expresso de protenas eucariotas, como os altos nveis de expresso a
baixo custo, alm de sua capacidade de realizar modificaes ps-traducionais.
Quanto a esta ltima caracterstica, ela pode ser considerada um paradoxo.
Apesar de ser uma vantagem, estas modificaes tambm so pontos dedesvantagem da expresso em leveduras.
A explicao para esta ambiguidade de afirmaes est ligada ao fato
da falta de identidade destas modificaes ps-traducionais que ocorrem entre
a expresso em leveduras e em clulas de mamferos. A forma com que os
oligossacardeos so adicionados cadeia proteica por leveduras difere
estruturalmente da que ocorre em mamferos. Este ponto crtico na produo
de protenas de interesse teraputico, pois a diferena estrutural pode afetar a
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165Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.
atividade biolgica da macromolcula expressa.
Alternativas promissoras vm sendo desenvolvidas com a finalidade de
expressar protenas eucariotas de maneira a apresentar a maior identidade
quelas expressas em clulas de mamferos. Entre elas, especula-se a
possibilidade de produzir leveduras capazes de realizar a glicosilao de forma
mais similar observada em humanos. Alm destas estratgias, outros tipos
de hospedeiro tambm vm sendo testados, como os fungos filamentosos.
4.8.1.3 Fungos Filamentosos
Os fungos filamentosos so assim, como as leveduras, um sistema em
teste que tem ganhado cada vez mais espao na biotecnologia para a
expresso de protenas recombinantes. Entre os fungos utilizados com este
propsito esto o Filamentous fungus, o qual exibe alta capacidade de
secreo de protenas, e os fungos Aspergillus niger eAspergillus oryzae, que
tm sido, h algum tempo, utilizados na produo de alimentos. Outros fungos,
como o Metarhizium anisopliae, vm sendo testados quanto ao seu potencialno controle de insetos.
O uso de fungos filamentosos apresenta propriedades que os tornam
hospedeiros potenciais para a expresso de protenas eucariotas. Contudo,
este sistema tambm apresenta desvantagens como o baixo nvel de
expresso. Apesar de estudos na rea terem apontado alternativas potenciais
para solucionar o problema, estes hospedeiros ainda apresentam como
desvantagem a escassez de conhecimentos, o que dificulta a sua manipulaoe o desenvolvimento de ferramentas para a expresso de protenas. Enquanto
isso, uma opo o uso de outros hospedeiros, como os baculovrus.
4.8.1.4 Baculovrus
A produo de protenas recombinantes por meio de baculovrus uma
opo interessante para a expresso de protenas eucariotas. O uso deste
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