CONTROLE DA EXPRESSÃO GÊNICA

DALILA L. ZANETTE

Curso de Verão em Bioinformática

Proteínas: unidades funcionais e estruturais de todos os organismos

- Estrutura dos organismos

- Enzimas que catalisam as reações bioquímicas

- Hormônios

O DNA codifica as diferentes proteínas

Nucleotídeo – unidade básica do DNA

Nucleotídeo : pentose (desoxirribose) + base nitrogenada + fosfato

Purinas

Pirimidinas

Estrutura do DNA

Os nucleotídeos se ligam uns aos outros de forma linear – ligação fosfodiéster

Estrutura do RNA

Pentose : ribose (diferente do DNA)

No lugar da timina, no caso do RNA, uracila

RNA mensageiro

sintetizado no núcleo a partir do DNA

TRANSCRIÇÃO

Código genético

A cada 3 nucleotídeos no DNA, forma-se um CÓDON

Cada códon codifica um aminoácido, que é a unidade básica da estrutura das proteínas

A seqüência destes códons no DNA é copiada em RNA mensageiro

A seqüência dos aminoácidos, determinada pela sequência de códons é que dá origem às diferentes proteínas

Códons

Dogma central da biologia molecular

Proteínas

Dogma central da biologia molecular

Informação para síntese protéica

Conceito de gene

Um segmento de DNA que tem a informação necessáriapara a síntese de uma proteína

Composto por :

- regiões codificantes – éxons

- regiões não-codificantes - íntrons

Estrutura do gene

5` 3`

EXONS

INTRONS

As regiões codificadoras são chamadas de éxons e são alternadas

por regiões não-codificadoras, chamadas de íntrons

Estrutura do gene

Posteriormente, ocorre o splicing para retirada dos introns, ficandosomente a parte codificadora do gene, para orientar a tradução da proteína

DNA – igual para todas as célulasdo mesmo indivíduo

No entanto, temos tipos especializadosde células, que são bastante diferentes entre si

Além das diferentes células que temos,também existem diferentes situações nas quais nossas células são modificadasem resposta a um estímulo

Ex. uso de medicamentos, alteraçõeshormonais e doenças

Diferentes tipos celulares

EXEMPLOS DE DIFERENTES CÉLULASCélula epitelial

Célula muscular

Neurônios Células do tecidoconectivo

Organismos multicelulares

Síntese e acúmulo de diferentes RNAs e proteínastorna uma célula diferente da outra

Raras exceções, como os rearranjos que conferem a diversidadedo sistema imunológico

O que torna uma célula diferente da outra?

Apesar da sequência de DNA ser a mesma para todas as células

1. Processos comuns a todas as células - proteínas em comum

Como as células diferem umas das outras ?

2. Algumas proteínas são encontradas somente em células altamente especializadas

3. RNAs mensageiros - qualidade e quantidade

4. Há outras diferenças além do RNA. Exemplo: fatores pós-traducionais

Dogma central da biologia molecular

Igual para todas as células

Diferentes RNAs podemser gerados

Diferentes proteínas podemser geradas

Transcrição

Tradução

- Antes da transcrição

-Após a transcrição (pós-transcricionais)

-Mecanismos pós-traducionais – vários

entre eles, mecanismos epigenéticos

Níveis de regulação da expressão gênica

DNA RNA Proteína

Níveis de regulação da expressão gênica

Antes da transcrição

Entre o DNA e o RNA

• Fatores Trans-Atuantes

Genes que codificam estes fatores de regulação estão em outra região da molécula de DNA, tendo que migrar ao local de ação

• Fatores Cis-Atuantes

Seqüências reguladoras, região de ligação dos fatores trans-atuantes, estão na mesma molécula que o gene, ou transcrito de RNA, que está sendo regulado

Fatores cis e trans

Fatores cis e trans

Fatores cis

Estão na fita de DNA. São as regiões reguladoras, como as regiõespromotoras dos genes, que são regiões que podem “ligar ou desligar”a expressão do gene

Fatores trans

Ligam-se ao DNA, mas provém de outra região do DNA, que os codifica paraagirem sobre os fatores em cis

AtivadoresRepressoresReforçadoresElementos isolantes

Regiões reguladoras e regiões promotoras

Fatores cis e trans

Início da transcrição: ATIVADORES – FATORES CIS

Ativadores – dois sítios

Forma mais simples

Ativadores:Atraem, posicionam emodificam os fatores de transcrição e a RNA pol II

Enhacers ou reforçadoresaumentam a transcrição do gene

Podem agir à distância

Acima ou abaixo

O DNA faz uma alça

Ativadores que agem à distância

Como os fatores de transcrição acessam o DNA-alvo ?

DNA – empacotado para ocupar menosespaço na célula

Organização de DNA, RNA e proteínas HISTONAS em um complexo chamadoCROMATINA

Histonas – proteínas que compõe a cromatina

Heterocromatina DNA condensado

Eucromatina – DNA estendido

Estrutura do DNA : nucleossomos e cromatina

Nucleossomos: aproximadamente 147 nucleotídeos enrolados sobre um octâmerode histonas com 2 cópias de cada tipo de histona

Unidade básica da heterocromatinaNUCLEOSSOMOS

Estrutura do DNA : cromossomos e cromatina

DNA dupla hélice

Nucleossomos Contas de colar

Os nucleossomos se enrolam

Cromossomo nasua forma estendida

Cromossomo nasua forma condensada

Cromossomo mitóticointeiro

Resultado : o cromossomo empacotado é 10.000 vezes menor do quesua forma estendida

Ativadores podem modificar a cromatina

Organização em nucleossomos – Acesso dos fatores de transcriçãoatravés de modificações na cromatina

Para ativação das regiões promotoras, Ocorre recrutamento de histona-acetiliasese complexos de remodelagem da cromatina

Cromatina acetilada – ativa, desenrolada

Fácil acesso dos fatores de transcrição eda RNA polimerase II às regioes reguladorasdo gene

Ativadores e cromatinaAtivador se liga ao DNA

Complexo de remodelagem da cromatina

Remodelagem da cromatina

Enzimas modificadoras das histonas: histona-acetilases

Modificação covalente das histonas

Outros ativadores

Outros ativadores ligados às regiões reguladoras

Fatores de transcrição e RNA pol II conseguem acessar o DNA

Montagem do complexo de iniciação no promotor

Outros ativadores e rearranjo das proteínas do complexo

INÍCIO DA TRANSCRIÇÃO

Repressores

Repressão de grandes regiões - heterocromatina

Repressão local : várias maneiras, podendo haver:

1. Ativador e repressor competem pela mesma regiãoreguladora do DNA

2. O repressor se liga à região de ativação, mascarando-ae impedindo a ligação do ativador

3. O repressor interage com o complexo de transcriçãoantes que ele esteja pronto, impedindo seu funcionamento

4. Recrutamento de complexos de remodelagemde cromatina, que podem compactar o DNA

5. Os repressores recrutam histona-desacetilases, que vão inativar a cromatina, compactando-a

Complexos de proteínas reguladoras

Geralmente ocorre formação de complexos distintos que se formam de formaespecífica frente à região de DNA apropriada

As proteínas reguladoras não têm função fixa, elas poderão agir como ativadoras ou repressoras dependendo da região que estão regulando

As unidades reguladoras que geram os complexos, vão se unir, formandouma determinada combinação que por sua vez, irá determinar se aquele complexoirá ativar ou reprimir a transcrição

Co-ativadores

Co-repressores

Região de controle gênica

Região de controle gênica – todo o DNA envolvido na regulação de um gene

Quantidade de proteínas reguladoras de genes

Proteínas reguladoras

Sequencias reguladoras

DNA espaçador promotor

Fatores detranscrição

RNA POL II Proteínas reguladoras

Controle pós-transcricional

Processamento normal do RNA

SPLICING: retirada dos introns, ficam somente os exons

Capeamento

- Logo após a transcrição- Ligação efetiva de 7-metilguanosina ao primeiro nucleotídeo 5’ do

transcrito de RNA.

Protege o transcrito do ataque da exonuclease 5’→3’Facilita o transporte do RNAm para citoplasmaPapel no encaixe da subunidade 40S dos ribossomos no mRNA

- Após o término da transcrição – clivagem terminal do RNA- Adição de cerca de 200 resíduos de adenilato . Facilitar transporte para o citoplasma

. Estabilizar o RNAm

. Facilita a tradução

Poli-adenilação

Processamento normal do RNA

Cauda poli-A

AAAAAAAA 3’5’ m7G

5’ CAP

RNAm

Processamento normal do RNA

Controle pós-transcricional : splicing alternativo

Combinações diferentes de éxons – um gene, várias proteínas

Tipos de splicing alternativo

Sequências de DNA transcritas como uma unidade que codificam um grupo de

proteínas semelhantes (isoformas)

Mecanismos de controle da expressão gênica podem gerar diferentes transcritos,variantes do mesmo gene, comoo mecanismo de splicing alternativo

Genes são sequências de DNA transcritas como uma unidade que geram uma determinada proteína

O que são os genes ?

Regulação do transporte de RNA

O RNAm pode ir para locais específicos no citoplasma, próximo de onde a proteína atua

Região 3`- UTR é que quem regula esse direcionamento

Somente RNAm com estrutura de 5`cap e cauda poli–A vão para o citoplasma

Grande parte dos RNAs mensageiros nem saem do núcleo

Estabilidade dos RNAs mensageiros

RNA mensageiro instável – codificam proteínas cujas taxas de produção mudam rápido dentro da célula

Fatores externos também influenciam

Degradação do RNAm – sequência do RNA

Encurtamento da cauda poli-A

Clivagem da cauda poli-A por endonucleases

Mecanismos para a criação de células especializadas

As diferenças dramáticas que existem entre os diferentes tipos celulares é produzida por diferenças na expressão gênica

Estudo da expressão gênica

Para ajudar a entender os mecanismos que tornam uma célula diferente

da outra, seja em organismos diferentes, tecidos diferentes ou situações

diferentes

O fato de que as células possuem diversos níveis de regulação da expressão

gênica indica sua importancia para definir os processos e funções de cada

tipo celular ou a resposta de cada célula a uma determinada situação

Estudos globais da expressão gênica:Sequências pequenas de cada gene, que o identificam

Microarrays

SAGE

Bibliotecas de ESTs: dados mais detalhados

Sequências grandes de DNA complentar, gerado a partir do RNA das células

Somente as sequências transcritas – EXPRESSED SEQUENCE TAGS

O maior número possível de sequências é gerado e sequenciado – BIBLIOTECA

Com objetivo de acumular toda a informação possível do TRANSCRIPTOMA

das células, ou seja, tornar conhecidas todas as sequências de DNA que são

transcritas em RNAm naquela célula