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TEXTO 8 REGULAÇÃO GÊNICA EM BACTÉRIA

Biol

ogia

Mol

ecul

ar

O Sistema OperonA Descoberta do Sistema Operon

O repressor do operon LacA descoberta de um gene operador

Biologia Molecular e o OperOn Lac

Refinamentos na Regulação Gênica em bactériasRepressão Catabólica em E. coliO papel do AMP cíclicoA descoberta da proteína CAPControle da Expressão do OperOn GaL

Atenuação e Controle do OperOn Trp

O mecanismo de atenuaçãoExercícios

Parte A: Revendo conceitos básicosParte B: Ligando conceitos e fatosParte C: Aplicando conceitosParte D: Resolvendo problemas

2Biologia Molecular · Texto 8 Regulação Gênica em Bactéria

Apresentação

O que estudamos até o momento nos permite concluir que a estrutura e o funcionamento de uma célula são determinados pelas proteínas que ela contém. Como as proteínas são a expressão da atividade gênica, pode-se concluir que as células se diferenciam no tempo e no espaço em decorrência da atividade diferencial dos genes. Os estudos visando a compreensão da expressão e da regulação gênicas foram feitos inicialmente em bactérias e bacteriófagos. O conhecimento adquirido nesses estudos foi fundamental para a compreensão da regulação gênica em eucariontes, que é muito mais complexa. Nesse texto veremos como foi descoberto o sistema operon na bactéria Escherichia coli e alguns exemplos do refinamento da regulação gênica nessa bactéria.

O Sistema Operon

A Descoberta do Sistema OperOn

Mutações em genes estruturais alteram a atividade enzimática, enquanto que mutações em genes reguladores alteram a resposta da célula bacteriana às modificações do ambiente. A identificação desse último tipo de mutação em bactérias foi crucial para o começo da compreensão de como ocorre a regulação da expressão gênica. Por meio de experimentos de conjugação, transdução e transformação, foi possível fazer transferência de genes em E. coli e estudar os efeitos de mutações em genes estruturais e em genes reguladores. O resultado desses estudos foi a descoberta de uma nova unidade de funcionamento genética, a unidade operacional, ou operon.

O operon é definido como um conjunto de genes estruturais organizados em sequência e sob o controle de um único promotor. A polimerase do RNA transcreve, a partir do promotor comum, todos os genes estruturais em uma única molécula de RNA policistrônico, a qual é traduzida nas proteínas codificadas pelos genes.

Os experimentos mais importantes sobre a regulação gênica em bactérias, que culminaram com a concepção do operon por Jacob e Monod em 1961, foram realizados com o sistema Lac de E. coli, o qual envolve três enzimas indutíveis que atuam no metabolismo da lactose.

Quando E. coli é cultivada em meio de cultura isento de glicose e contendo um indutor, ou seja, lactose ou algum β-galactosídeo semelhante, a concentração intracelular das três proteínas aumenta dramaticamente. Essas enzimas são uma β-galactosidase, que quebra a lactose em glicose e galactose, uma permease, que aumenta a absorção de lactose pela célula, e uma transacetilase, cuja função parece ser a de transferir um grupo acetil, proveniente da acetil-coenzima A, para os beta-galactosídeos. Foi demonstrado que cada uma dessas enzimas é codificada por um gene específico e que a ordem desses três genes no cromossomo bacteriano é: gene Z, gene Y e gene A. (Fig. 1)

Figura 1. Indução enzimática em Escherichia coli. A taxa de síntese (linha interrompida) e a concentração intracelular (linha contínua) das enzimas necessárias ao metabolismo da lactose aumentam rapidamente na presença desse açúcar. A remoção do açúcar faz com que a síntese das enzimas pare rapidamente, enquanto sua concentração diminui gradualmente por diluição em função da multiplicação celular.


O repressor do operon Lac

A constituição das bactérias selvagens é: Z+Y+A+ e, a partir delas, foram selecionados mutantes para cada um desses genes. Esses mutantes se caracterizavam pelo fato de não produzir a forma ativa da enzima codificada por cada um, quando cultivados em meio com indutor.

Uma descoberta muito importante foi a de certos mutantes que eram selvagens quanto aos três genes estruturais (Z+Y+A+), mas haviam perdido a capacidade de regulá-los, ou seja, eles produziam as três enzimas mesmo na ausência de indutor. Esses mutantes foram chamados de constitutivos, em contraste com as bactérias selvagens, chamadas de indutivas.

Descobriu-se que uma classe de mutantes constitutivos possuía alterações em um gene não muito distante dos genes estruturais, o qual foi denominado gene I, de indutibilidade. O genótipo de uma bactéria normal é representado por I+ e o desses mutantes constitutivos, por I−.

A relação funcional entre os diversos mutantes para os genes envolvidos no metabolismo da lactose foi inves-tigada por meio de experimentos de conjugação em que eram usadas bactérias doadoras F'lac, ou seja, bactérias com um fator F portador de um pedaço de cromossomo bacteriano contendo os genes relacionados com o metabolismo da lactose.

Foi demonstrado que mutações nos três genes estruturais se complementavam e que, portanto, cada um desses genes representava uma unidade funcional ou cistron. Por exemplo, uma bactéria Z+Y− / F’Z−Y + apresenta fenótipo selvagem, ou seja, produz β-galactosidase e permease indutivamente, mostrando a complementação entre os alelos Z+, presente no cromossomo, e o alelo Y+, presente no fator F'. Note a simbologia usada, ela indica que a bactéria é um diploide parcial e possui os alelos Z+ e Y− no cromossomo e os alelos Z− e Y + no fator F'. A tabela 1 resume o resultado dos testes genéticos com os dois tipos de genes.

Tabela 1. Genótipos e fenótipos de mutantes Z e Y de E. coli.

FenótiposGenótipos Enzima β-gal Enzima permease

Z+Y+ + +

Z−Y+ − +

Z+Y− + −

Z−Y− / F'Z+Y+ + +

Z−Y+ / F'Z+Y− + +

Foram realizados diversos testes de complementação envolvendo os genes I e Z e I e Y. Os resultados desses experimentos são apresentados nas tabelas 2 e 3. Note que os diploides parciais I−Z+/F'I+Z− e I− Y+/F'I +Y − necessitam do indutor para produzir as enzimas beta-galactosidase e permease. Portanto, o gene I+ presente no plasmídeo F' é capaz de controlar a expressão dos genes estruturais localizados no cromossomo. Isso sugere que o gene I+ tenha um produto difusível capaz de reprimir a expressão de genes localizados no cromossomo bacteriano quando o indutor não está presente no meio.

Tabela 2. Genótipos e fenótipos de mutantes I e Z de E. coli (as bactérias são selvagens quanto aos outros genes)

Fenótipos (atividade de β-gal)Genótipos indutor presente indutor ausente

I+Z+ + −

I−Z+ + +

I+Z− − −

I−Z− / F'I+Z+ + −

I−Z+ / F'I+Z− + −

4Biologia Molecular · Texto 8 Regulação Gênica em BactériaTabela 3. Genótipos e fenótipos de mutantes I e Y de E. coli (as bactérias são selvagens quanto aos outros genes)

Fenótipos (atividade de permease)Genótipos indutor presente indutor ausente

I+Y+ + −

I−Y+ + +

I+Y− − −

I−Y− / F'I+Y+ + −

I−Y+ / F'I+Y− + −

A existência de um repressor difusível produzido pelo gene I+ foi confirmada por meio de um experimento de conjugação. Nesse experimento, bactérias Hfr I+Z+ foram misturadas com bactérias receptoras I− Z− em um meio isento de indutor. Nenhum dos dois tipos de bactéria produz beta-galactose nesse meio; a doadora porque a atividade do gene Z+ está inibida pelo produto do gene I+ e a receptora por ser mutante Z−. Cerca de uma hora e meia após as bactérias terem sido misturadas, as doadoras foram mortas. Isso foi feito adicionando-se um tipo de bacteriófago T na mistura ao qual as bactérias doadoras eram sensíveis; as receptoras eram resistentes a esse fago. Cerca de duas horas após o início do experimento, a mistura de conjugação foi dividida em dois frascos e em um deles foi adicionado o indutor. (Fig. 2)

Note que nas primeiras duas horas, mesmo na ausência de indutor, ocorre síntese de beta-galactosidase; no entanto, essa síntese é interrompida nessa época, só continuando no caso de indutor ser adicionado ao meio. Como as bactérias doadoras tinham sido mortas pelo fago, logo após a transferência dos genes I+ e Z+, foram as bactérias receptoras (merozigotos) que produziram beta-galactosidase e depois pararam de sintetizá-la na ausência do indutor.

Para explicar esses resultados, os pesquisadores sugeriram que as células doadoras, na ausência do indutor, conti-nham um produto do gene I+ que impedia a transcrição do gene Z+. Este produto não estaria presente nas células receptoras porque o seu gene I− era inativo. Assim, quando o gene Z+ entrou na célula receptora e encontrou um ambiente desprovido do produto do gene I+, ele começou a produzir beta-galactosidase. Porém, o gene I+ também tinha sido doado às células receptoras. Com o passar do tempo e na ausência do indutor, o produto do gene I+ começou a se acumular nos merozigotos e a atividade do gene Z+ foi suprimida. Assim, esses resultados corroboraram a hipótese da existência de um produto difusível do gene I+ que agiria como repressor da atividade dos genes estruturais.

Figura 2. Experimento de conjugação entre mutantes lac que confirmou a natureza difusível do repressor.


A descoberta de um gene operador

A outra classe de mutantes constitutivos do sistema Lac se caracterizava pelo fato de terem o alelo selvagem do gene I, ou seja, eram I+, e produzirem as três enzimas mesmo na ausência de indutor. Esses mutantes foram denominados Oc (de operador constitutivo), pois o gene em questão foi denominado gene O (de operador). O comportamento desses mutantes nos testes de complementação mostraram que o sítio O é o local onde se liga o repressor produzido pelo gene I.

A tabela 4 mostra testes de complementação envolvendo o gene operador e o gene estrutural Z.Tabela 4. Genótipos e fenótipos de mutantes O e Z de E. coli (as bactérias são selvagens quanto aos outros genes)

Fenótipos (atividade de beta-gal)Genótipos indutor presente indutor ausente

O+Z+ + −

OcZ+ + +

OcZ− − −

O+Z+ / F'OcZ + −

O+Z− / F'OcZ+ + +

Note que não há complementação entre Oc e Z+. Apesar de terem os mesmos genes, os diploides parciais O+Z+/F'Oc Z− e O+Z− /F'Oc Z+ apresentam fenótipos diferentes, o primeiro é indutivo, enquanto o segundo é constitutivo. Isso mostra que o gene O atua apenas sobre o gene Z+ localizado na mesma molécula de DNA que ele.

A tabela 5 mostra o resultado de testes de complementação envolvendo o gene operador e o gene estrutural Y. Note que também não ocorre complementação entre Oc e Y+; os diploides parciais O+Y+/F'Oc Y− e O+Y−/F'Oc Y+, apesar de terem os mesmos genes, apresentam fenótipos diferentes, o primeiro é indutivo, enquanto o segundo é constitutivo. Isso mostra que, como no caso anterior, o gene O atua apenas sobre o gene Y + localizado na mesma molécula de DNA que ele.

Tabela 5. Genótipos e fenótipos de mutantes O e Y de E. coli (as bactérias são selvagens quanto aos outros genes)

Fenótipos (atividade de permease)Genótipos indutor presente indutor ausente

O+Y+ + −

OcY+ + +

OcY− − −

O+Y+ / F'OcY− + −

O+Y− / F'OcY+ + +

Neste ponto dos experimentos, havia dois tipos de mutação que resultavam na produção constitutiva das três enzimas do sistema Lac: as mutações do gene regulador (I) e as mutações do gene operador (O). As mutações do gene O agiam em cis, ou seja, afetavam apenas os genes localizados na mesma molécula de DNA, enquanto que as mutações do gene I agiam em trans, ou seja, afetavam tanto os genes situados na mesma molécula de DNA quanto em outra molécula de DNA presente na mesma célula.

Como visto anteriormente, Z e Y são unidades de complementação diferentes já que codificam produtos funcionalmente distintos. No entanto, os resultados obtidos com mutantes O demonstraram que este pertence a uma unidade mais abrangente, que inclui Z e Y, já que O interfere na expressão das duas unidades de complemen-tação. Isto significa que havia uma entidade genética formada por O, Z e Y. Esta unidade genética cuja expressão é coordenada por O pode ser vista como hierarquicamente superior às unidades de complementação tomadas individualmente. Jacob e Monod deram a ela o nome de unidade operacional ou operon.

A interpretação de Jacob e Monod foi que uma unidade funcional, ou cistron, corresponderia à sequência de DNA traduzida em uma única cadeia polipeptídica, enquanto a unidade operacional, ou operon, corresponderia à sequência de DNA transcrita em uma única molécula de uma suposta molécula intermediária entre o DNA e a proteína. Jacob e Monod imaginaram que o hipotético intermediário seria um RNA e sugeriram chamá-lo de RNA mensageiro. Assim, cistron seria a unidade de tradução e operon, a unidade de transcrição.


Na época em que eles propuseram essa hipótese, o RNA mensageiro ainda não havia sido descoberto. Na verdade, tanto a ideia da existência de um produto intermediário entre o DNA e a proteína, quanto o nome de mensageiro para essa hipotética entidade foram concebidos por Jacob e Monod. Por esse trabalho eles ganharam o prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia.

Biologia Molecular e o OperOn Lac

Jacob e Monod propuseram em 1961 que a molécula repressora codificada pelo gene lacI regula a transcrição do segmento de DNA que codifica para as três enzimas envolvidas no metabolismo da lactose. Eles também suge-riram que um intermediário, uma molécula de RNA mensageiro contendo a informação do DNA determinava a síntese das enzimas pela maquinaria de síntese de proteínas da célula. Eles propuseram ainda que a função do repressor era regular a síntese desse RNA mensageiro. (Fig. 3)

O repressor lac seria antagonizado pelo indutor; a ideia era que a lactose se ligaria à molécula repressora inati-vando-a, isto é, impedindo que ela impedisse a atividade dos genes estruturais.

Essa hipótese foi corroborada pela descoberta de mutantes do gene I que, apesar de terem os genes estruturais intactos, produziam quantidades mínimas das três enzimas mesmo na presença do indutor. Esses mutantes foram chamados de mutantes não induzíveis e representados por I s. A explicação para o comportamento desses mutantes foi a de que eles perderam a afinidade pelo indutor, mas não a capacidade de inibir a expressão dos genes estru-turais; os mutantes I−, ao contrário, perderam a capacidade de inibir a expressão dos genes estruturais. A tabela 6 mostra os resultados de testes de complementação de mutantes I s com outros mutantes lac.

Tabela 6. Genótipos e fenótipos de mutantes lac de E. coli (os genes não representados são selvagens)

Fenótipos (β-gal)Genótipos indutor presente indutor ausente

I sO+Z+ − −

I sO+Z− − −

I sOcZ+ + +

I sO+Z+ / I+O+Z+ − −

I sOcZ / I+O+Z+ − −

I sOcZ+ / I+O+Z− + +

Figura 3. Modelo de expressão do operon Lac. (a) Na ausência do indutor, o repressor, produto do gene I, se liga ao operador, impedindo assim a transcrição do operon.(b) Na presença do indutor, este se liga ao repressor que perde afinidade pelo DNA e se dissocia do operador, e o operon é transcrito em moléculas de RNAm policistrônicas que são traduzidas em proteínas.


Medidas da quantidade de RNAm complementares aos genes Z, Y e A forneceram apoio experimental para a hipótese de Jacob e Monod. Experimentos de hibridação RNA-DNA com plasmídeos contendo os genes do sistema Lac mostraram que células normais de E. coli crescendo na presença de lactose contêm grandes quantidades do RNAm para as enzimas envolvidas no metabolismo da lactose. Na ausência do indutor, as células contêm muito pouco RNAm complementar ao DNA do operon lac.

A descoberta de mutantes sensíveis à temperatura no gene I indicaram que o seu produto deveria ser uma proteína, porque as proteínas são muito mais sensíveis ao calor do que os ácidos nucléicos. Além disso, descobriu-se que certas mutações do gene I podiam ser corrigidas por mutações supressoras em RNAt que permitem o reco-nhecimento de códons sem sentido.

Verificou-se também que O (operador), na realidade, não é um gene como foi denominado inicialmente e sim o sítio de ligação da molécula repressora, o qual é formado por cerca de 25-30 pares de bases do DNA ao redor do sítio de iniciação da transcrição do gene da beta-galactosidase (Z). A molécula repressora proposta por Jacob e Monod foi purificada e a sequência completa de seus 360 aminoácidos foi determinada. Os mutantes I− não produzem a proteína repressora ou sintetizam um polipeptídeo incapaz de se ligar ao sítio O.

O sítio operador O sobrepõe-se parcialmente ao promotor do operon, de modo que a presença da proteína repressora ligada a O funciona como barreira à iniciação da síntese do RNAm pela RNA polimerase. Existem evidências de que a polimerase do RNA se liga à região promotora mesmo na presença do repressor, mas ela não consegue iniciar a síntese do RNAm. Assim, o repressor impede a iniciação da transcrição e não a ligação da polimerase do RNA. (Fig. 4)

Os pontos de contato entre o DNA e a proteína repressora foram identificados através de experimentos de footprinting, semelhantes àqueles usados para identificar os sítios de ligação da polimerase do RNA ao promotor. Esses estudos demonstraram que a proteína repressora normal tem pontos de contato com o DNA e que as mutações Oc são, em geral, alterações na sequência de bases do DNA dessas regiões. Essas alterações no DNA impedem a ligação da proteína repressora e levam à síntese constitutiva das enzimas do operon Lac.

Figura 4. Arranjo das sequências promotoras e operadora do operon Lac.


Refinamentos na Regulação Gênica em bactérias

Repressão Catabólica em E. coli

A glicose é o açúcar mais utilizado pela bactéria E. coli, ela entra no metabolismo celular sem necessidade de indução de qualquer nova enzima. As enzimas que participam do metabolismo da glicose são produzidas constitu-tivamente e utilizadas também nas vias de degradação de outros tipos de açúcares.

As bactérias desenvolveram no curso de sua evolução um mecanismo de regulação gênica que lhes permite se beneficiar do fato de terem de produzir as enzimas do metabolismo da glicose constitutivamente; nenhuma outra enzima relacionada com o metabolismo de açúcares é induzida no caso de glicose estar presente no meio. Aparentemente, a glicose, ou produtos de sua degradação (catabolitos), impede a síntese de RNAm para enzimas metabolizadoras de outros açúcares. Esse fenômeno é conhecido como repressão catabólica.

O papel do AMP cíclico

O mecanismo de repressão catabólica começou a ser desvendado quando se descobriu que bactérias cultivadas em meio isento de glicose apresentavam um aumento acentuado na síntese de um nucleotídeo não usual, a adenosina-3’, 5’-monofosfato, conhecido também como AMP cíclico ou cAMP. Essa molécula havia sido descoberta originalmente em vertebrados onde participam como segundo mensageiro no mecanismo de ação de diversos hormônios. O aumento do nível de cAMP na bactéria parece ser um sinal de “alerta” de um estresse metabólico.

Foi verificado que a adição de cAMP ao meio de cultura das bactérias anula a repressão catabólica. Por exemplo, uma bactéria cultivada em meio contendo glicose e lactose simultaneamente não produz as enzimas relacionadas com o metabolismo da lactose em função da repressão catabólica. No entanto, se a esse meio for adicionado cAMP, o operon Lac entra em atividade. O mesmo acontece em relação às enzimas indutíveis de diversos açúcares.

A descoberta da proteína CAP

Quando o efeito do AMP cíclico na transcrição de enzimas indutíveis foi descoberto, supôs-se que uma ou mais proteínas deveriam mediar sua ação sobre os genes. Caso isso fosse verdade, mutantes para essa hipotética proteína não responderiam ao cAMP.

Foram encontrados mutantes de E. coli, incapazes de utilizar lactose, galactose, maltose ou arabinose. Esses mutantes, no entanto, readquiriam a capacidade de utilizar qualquer desses açúcares com uma segunda mutação. Esse fato mostrava que a primeira mutação estava restrita a um único gene responsável pela capacidade do mutante de utilizar diversos tipos de açúcares.

Foi verificado que cerca de metade desses mutantes podia utilizar açúcares diferentes da glicose se cAMP fosse adicionado ao meio de cultura. O defeito desses mutantes era, portanto, decorrente de uma incapacidade de produzir cAMP. Eles apresentam erros no gene que codifica uma enzima chamada adenilciclase, a qual catalisa a reação de conversão de ATP em cAMP.

A outra metade dos mutantes não conseguia metabolizar açúcares diferentes da glicose mesmo na presença de cAMP; na verdade, esses mutantes tinham o gene da adenilciclase intacto e conseguiam produzir cAMP normalmente. Essa observação sugeria que esse segundo grupo de mutantes apresentava defeito em uma proteína mediadora do efeito do cAMP. Essa ideia foi comprovada pelo isolamento de uma proteína bacteriana capaz de se ligar ao cAMP. Esta proteína está presente em células selvagens e ausente no segundo grupo de mutantes mencionado acima. Essa proteína foi denominada CAP (do inglês, catabolite activator protein).

Evidências conclusivas de que a atividade dos operons que codificam enzimas relacionadas com o metabolismo de açúcares é controlada pelo AMP cíclico e pela proteína CAP foram obtidas em experimentos de transcrição in vitro. Em extratos livres de células, contendo polimerase do RNA e DNA purificado do operon Lac, a síntese de RNAm na ausência de cAMP ou da proteína CAP foi apenas cerca de 5% do obtido na presença dessas duas substâncias.

O operon Lac, assim como outros operons relacionados com o metabolismo de açúcares, está sujeito, portanto, a um controle duplo: a proteína repressora atua negativamente sobre a transcrição do operon, enquanto o complexo


CAP-cAMP atua positivamente, fornecendo as condições básicas para a transcrição. Hoje se sabe que complexo CAP-cAMP liga-se ao promotor Lac e dobra o DNA dessa região, o que permite que ele seja reconhecido pela polimerase do RNA. Na ausência de cAMP ou da proteína CAP, a transcrição não ocorre porque a polimerase do RNA não reconhece o promotor Lac. Quando o complexo CAP-cAMP está presente, o promotor é reconhecido pela polimerase do RNA, que se liga a ele, mas a transcrição só ocorrerá se não houver proteína repressora ligada ao sítio operador, pois ela impede o deslocamento da polimerase. A proteína CAP é, portanto, um ativador e o cAMP um efetor.

A proteína CAP é necessária para a transcrição de outros operons relacionados com o metabolismo de açúcares pelo mesmo motivo descrito acima, ou seja, os promotores desses operons só são reconhecidos pela polimerase do RNA quando ligados ao complexo CAP-cAMP. Assim, na presença de glicose, esses operons não são transcritos, mesmo quando seus indutores estão presentes, pois a polimerase do RNA não reconhece seus promotores. Já na ausência de glicose, todos eles se tornam acessíveis à polimerase de RNA e a transcrição só dependerá da presença do indutor específico no meio.

Controle da Expressão do OperOn GaL

Quando a bactéria E. coli é colocada em um meio isento de glicose e suplementado com o açúcar galactose, ocorre aumento da síntese das três enzimas relacionadas com o metabolismo da galactose: uma epimerase (E), uma transferase (T) e uma quinase (K). Na verdade, essas três enzimas são produzidas constitutivamente pela célula, mas na condição induzida sua síntese é 10 a 15 vezes maior (No caso do operon Lac, o aumento de síntese das enzimas na condição induzida é cerca de 1000 vezes).

Na presença de glicose, ou seja, sob repressão catabólica, a síntese das três enzimas relacionadas ao metabolismo da galactose volta a seu nível basal, ou seja, ela é 10 a 15 vezes menor do que no estado induzido. Assim, existe um nível basal de síntese dessas enzimas que é independente da fonte de carbono que está sendo utilizada pela célula. Isso poderia ser considerado um desperdício, pois, em princípio, as enzimas não teriam função em uma bactéria vivendo em um meio onde a fonte de carbono não fosse a galactose. A bactéria, no entanto, têm benefícios fisio-lógicos em usar, nesse caso, uma estreita faixa de indução; a razão é que uma das enzimas codificadas pelo operon Gal, a epimerase, é responsável pela produção de um precursor direto da biossíntese da parede bacteriana; assim, essa enzima é necessária à célula independentemente da fonte de carbono que está sendo utilizada.

Figura 5. Ação da proteína CAP e do cAMP sobre a transcrição de operons envolvidos no metabolismo de açúcares. Á direita, representação esquemática do modo de ação do repressor Lac e do complexo proteína CAP-cAMP sobre a transcrição do operon Lac. Á direita, a proteína CAP, na ausência de cAMP tem uma configuração espacial que não permite a sua ligação com o DNA. Ao se combinar com o cAMP, a proteína CAP sofre uma modificação em sua forma espacial (alteração alostérica) e pode se ligar a sequências de bases específicas do DNA. Quando o complexo proteína CAP- cAMP se liga ao DNA, a hélice sobre uma distorção (quadro) na região promotora, tornando-a acessível à polimerase do RNA.


O mecanismo de regulação do operon Gal é um paradigma para outros sistemas complexos de regulação da atividade gênica. O operon Gal possui dois promotores parcialmente sobrepostos (P

G1 e P

G2) e dois sítios separados

para iniciação da transcrição. O promotor PG2

se liga à polimerase do RNA, permitindo a transcrição dos genes gal, mesmo quando glicose está presente e galactose ausente; ele é responsável pela síntese constitutiva das três enzimas. Já o promotor P

G1 só se liga à polimerase do RNA na presença do complexo CAP-cAMP; assim, esse promotor

só tem capacidade de iniciar transcrição quando não existe glicose no meio. (Fig. 6) O complexo CAP-cAMP inibe a ligação da polimerase do RNA ao promotor P

G2. Já o promotor P

G1

complexado com CAP-cAMP tem afinidade pela polimerase do RNA. A síntese de mRNA gal é maior quando P

G1 é usado (ou seja, na condição induzida) do que quando P

G2 é usado.

Atenuação e Controle do OperOn Trp

A regulação do operon Trp é um excelente exemplo dos sofisticados processos de regulação que uma célula pode utilizar para se adaptar às condições ambientais e poupar ao máximo o desperdício de energia.

O operon Trp codifica as proteínas necessárias à síntese do aminoácido triptofano. Esse operon tem regulação negativa e a proteína repressora só é ativa em associação com um correpressor que é o próprio triptofano. Assim, quando existe triptofano disponível, a transcrição do operon é interrompida; na ausência de triptofano, a proteína repressora é incapaz de se ligar ao operador e a transcrição ocorre.

A regulação do operon Trp é suplementada e refinada por um segundo mecanismo independente, que deter-mina se a transcrição do operon, uma vez iniciada, deve ser interrompida ou deve ser continuada. Esse mecanismo é chamado atenuação.

Entre o promotor e o primeiro gene estrutural (trpE) do operon Trp, existe uma sequência de 162 pares de nucleotídeos denominada região líder. Nessa sequência existe um conjunto de 45 pares de nucleotídeos que codificam um peptídeo de 14 aminoácidos, denominado peptídeo líder.

O RNAm transcrito a partir da região líder contém, próximo do final da região de codificação do peptídeo líder, dois códons consecutivos que especificam o aminoácido triptofano. Além disso, a região líder contém quatro segmentos ricos em GC. Os códons que especificam triptofano e essas quatro sequências ricas em GC participam do processo de atenuação. (Fig. 7)

Figura 6. O operon Gal da bactéria E. coli tem dois promotores sobrepostos e dois sítios de iniciação de síntese de RNA. Um dos promotores (PgG2) é constitutivo, ou seja, promove iniciação da transcrição na ausência de galactose, mesmo quando a glicose está presente. O segundo promotor, PG1 (indutivo) requer a presença da galactose, da proteína CAP e de altos níveis de cAMP.


Figura 7. Acima, sequência de bases da porção inicial do RNAm transcrito pelo Operon Trp. (a) Posição do segmento codificador do peptídeo líder, das quatro regiões ricas em GC (indicadas pelos números nos círculos) e do início da região codificadora do gene trpE.(b) Alças formadas pelo emparelhamento entre as sequências 1 e 2 e entre as sequências 3 e 4.(c) Alça formada pelo emparelhamento entre as sequências 2 e 3. Ao lado, organização geral do operon Trp, mostrando as posições do promotor (P), do operador (O), dos genes estruturais (E, D, C, B e A), da região líder (L) e do atenuador.


O mecanismo de atenuação

As quatro sequências ricas em GC da região líder do RNAm podem se emparelhar e formar uma ou duas estruturas secundárias alternativas.

A primeira configuração secundária possível envolve a formação de duas alças no RNAm; uma pelo empare-lhamento das sequências 1 e 2, e outra pelo emparelhamento das sequências 3 e 4.

A alça 1-2 é uma estrutura típica de pausa de transcrição. Já a alça 3-4 é seguida de uma série de Us sendo, portanto, um sinal de término de transcrição independente de fator rho. Esse sinal de término de transcrição é incomum, pois está localizado antes do primeiro gene do operon Trp.

A segunda configuração secundária possível envolve a formação de uma única alça no RNAm, pelo emparelhamento das sequências 2 e 3. Essa alça só se forma no caso da sequência 1 não estar disponível para se emparelhar com a 2.

Durante a transcrição da região líder, a polimerase do RNA sofre uma pausa quando a alça 1-2 é formada. Enquanto a polimerase está parada, um ribossomo inicia a tradução do RNAm codificador do peptídeo líder. Essa região de codificação começa pouco antes da alça 1-2.

Na presença de triptofanil-RNAt, o ribossomo e a polimerase do RNA se movem praticamente na mesma velocidade.À medida que o ribossomo traduz a sequência 1, ele desfaz a alça 1-2 e permite que a polimerase continue e

transcreva a sequência 3. Quando o ribossomo encontra o códon de terminação (pare) do peptídeo líder, presente dentro da porção 1, ele se desacopla do RNAm e a alça 1-2 se refaz. A polimerase do RNA continua a transcrever a sequência 4, que forma então uma alça com a sequência 3.

A formação dessa alça é um sinal de parada de transcrição e faz com que a polimerase se dissocie do DNA molde antes que os genes estruturais do operon Trp sejam transcritos.

Quando existe pouco triptofano na célula, o ribossomo e a polimerase do RNA não se movem em sincronia. O ribossomo para quando atinge os dois códons que especificam triptofano na sequência 1 do RNAm, pois há relativamente pouco triptofa-nil-RNAt na célula. Nessa circunstância, a polimerase do RNA, que havia sido liberada do sítio de pausa pela ruptura da alça 1-2 pelo ribossomo, transcreve as sequências 3 e 4.

Enquanto o ribossomo está parado, esperando pela chegada de um triptofanil-RNAt, e a sequência 1 está recoberta por ele, parte da sequência 2 forma uma alça com a sequência 3. Uma vez que a alça 2-3 é mais estável do que a alça 3-4, a sequência 3 não se emparelhará com a 4 para formar a alça de término de transcrição. Assim, a polimerase do RNA passa pelo sítio potencial de término de transcrição e o restante do operon Trp é transcrito. (Fig. 8)

A atenuação parece ser um mecanismo de regulação recente na história evolutiva e é encontrado apenas em bactérias entéricas como a E. coli (atenuação não ocorre em eucariontes pois nesses organismos os processos de transcrição e tradução são separados pela existência da membrana nuclear).

O mecanismo de atenuação regula diversos operons em E. coli, como os operons Phe, Thr, His, Leu e Ile. Alguns operons, como o Trp, combinam atenuação com repressão, enquanto que outros, como o His, são regulados apenas por atenuação.

Os peptídeos líder dos operons cujos genes estão envolvidos na síntese de aminoácidos podem conter até sete códons que espe-cificam o aminoácido na síntese do qual o operon está envolvido.

O RNAm do peptídeo líder do operon da histidina contém 16 códons, 7 dos quais codificam o aminoácido histidina. O RNAm do peptídeo líder do operon da fenilalanina contém 14 códons, 7 dos quais codificam o aminoácido fenilalanina.

Figura 8. Acima, representação do mecanismo de atenuação do operon Trp, que provoca terminação prematura da transcrição em decorrência da presença de alta concentração de triptofano na célula. Nessa condição, o ribossomo se move na mesma velocidade que a polimerase do RNA. (a) Quando o ribossomo atinge o códon de término do peptídeo líder ele se desacopla, permitindo a reconstituição da alça 1—2 no RNAm. (b) Após o desacoplamento do ribossomo, a polimerase transcreve a sequência 4 que se emparelha com a sequência 3, formando a alça que determina o término de transcrição.


EXERCÍCIOS

Parte A: Revendo conceitos básicos

Preencha os espaços em branco nas frases de 1 a 3 usando o termo abaixo mais apropriado:(a) gene operador (c) gene estrutural(b) gene promotor (d) gene regulador

1. Um segmento de DNA capaz de interagir com proteínas que impedem ou estimulam a ação da polimerase do RNA é chamado ( ).

2. A região do DNA onde se liga a polimerase do RNA é chamada ( ).

3. ( ) é aquele que codifica proteínas que participam diretamente do metabolismo e crescimento celulares.

Preencha os espaços em branco nas frases de 4 a 6 usando o termo abaixo mais apropriado:(a) enzima indutível(b) indutor(c) RNAm policistrônico(d) operon

4. ( ) é aquela sintetizada em resposta à presença de seu substrato no meio.

5. ( ) é um conjunto de genes transcritos em uma mesma molécula de RNAm.

6. Uma molécula de baixo peso molecular que se combina com proteínas específicas modificando sua afinidade pelo operador é chamada ( ).

Preencha os espaços em branco nas frases de 7 a 12 usando o termo abaixo mais apropriado:(a) Gene O (c) Gene I (d) Gene Z(b) Gene P (e) Gene Y (f) Gene A

7. O local do cromossomo da bactéria E. coli onde se liga a proteína repressora Lac é chamado ( ).

8. ( ) é o local da região Lac do cromossomo da bactéria E. coli onde se liga a polimerase do RNA.

9. A sequência de bases do DNA da bactéria E. coli que codifica a enzima beta-galactosidase é chamada ( ).

10. ( ) é a seqüência de bases do cromossomo da bactéria E. coli que codifica a enzima permease.

11. A enzima transacetilase é codificada por uma região do cromossomo da E. coli conhecida como ( ).

12. A sequência de bases do cromossomo da bactéria E. coli que codifica a proteína repressora do operon Lac é chamada ( ).


Parte B: Ligando conceitos e fatos

Para cada uma das frases de 13 a 15 escreva no parênteses a letra V, caso a afirmação seja verdadeira, ou a letra F, no caso dela ser falsa.

13. Genes envolvidos na mesma via metabólica estão frequentemente agrupados nos cromossomos dos procariotos, geralmente, na mesma sequência das reações que eles controlam. Além disso, os genes dentro de um grupo são expressos ao mesmo tempo. ( )

14. A mutação I− afeta o repressor em sua região de ligação ao DNA, impedindo a transcrição do operon Lac, mesmo na presença do indutor. ( )

15. A mutação I s afeta a proteína repressora em sua região de ligação ao indutor, reprimindo assim a transcrição, mesmo na ausência do indutor. ( )

Indique a alternativa mais apropriada para completar as frases de 16 a 18.

16. Os genes de um mesmo operon, em geral, codificama. enzimas que atuam em uma mesma via metabólica.b. proteínas reguladoras que controlam a expressão de genes afins.c. enzimas que atuarão fora da célula.d. proteínas cromossômicas.

17. Sobre as taxas de síntese das proteínas codificada por um operon pode-se dizer que são a. idênticas pois a tradução é feita a partir de uma mesma molécula de RNAm.b. idênticas pois um operon só tem um promotor.c. podem ser diferentes pois cada região codificadora do RNAm único tem seu próprio sítio de

ligação ao ribossomo.d. podem ser diferentes pois a tradução é feita a partir de diferentes moléculas de RNAm.

18. O termo indução enzimática em bactérias refere-se ao fato dea. a atividade gênica ser controlada por enzima.b. as reações metabólicas serem controladas por enzimas.c. enzimas serem sintetizadas em resposta a um substrato no meio.d. os operons codificarem enzimas que atuam sobre um mesmo substrato.

Use as alternativas abaixo para responder as questões de 19 a 22.(a) mutação I− (c) mutação Y−

(b) mutação P− (d) mutação Z−

19. Uma bactéria perde a capacidade de sobreviver em meio onde a única fonte de carbono é a lactose, apesar de manter a capacidade de absorver esse açúcar em decorrência de uma ( ).

20. Uma ( ) faz com que a bactéria não consiga sobreviver em um meio onde a única fonte de carbono seja a lactose, pois ela se torna incapaz absorver esse açúcar, apesar de manter a capacidade de metabolizá-lo.

21. Uma bactéria que perdeu a capacidade de absorver e metabolizar lactose em função de um único erro no DNA é portadora de uma ( ).

22. A ( ) faz com que a bactéria passe a produzir as enzimas envolvidas no metabolismo da lactose constitutivamente.


23. A presença de indutor causa grande aumento na síntese de beta-galactosidase em bactérias com genótipo(a) I+OcZ+ (c) I+OcZ−/I−O+Z+

(b) I−O+Z+ (d) I+OcZ+/I+O+Z+

Parte C: Aplicando conceitos24. Determine o fenótipo de cada um dos diploides parciais a baixo, em termos da produção das

enzimas β-galactosidase e permease (sintetiza ou não sintetiza; a síntese é indutiva ou constitutiva). Justifique sua resposta com base no modelo de funcionamento do operon Lac.

(a) I− P+ Oc Z+ Y− / I+ P+ O− Z− Y+

(b) I+ P− Oc Z− Y+ / I− P+ Oc Z+ Y−

(c) Is P+ O+ Z+ Y− / I+ P+ O+ Z− Y+

(d) Is P+ O+ Z+ Y+ / I− P+ O+ Z+ Y+

(e) I− P+ Oc Z+ Y− / I− P+ O+ Z− Y+

(f ) I− P− O+ Z+ Y+ / I− P+ Oc Z+ Y−

(g) I+ P+ O+ Z− Y+ / I− P+ O+ Z+ Y−

Parte D: Resolvendo problemas25. Um controle gênico do tipo que atua no operon Lac é uma regulação negativa, pois na ausência do

indutor, a proteína reguladora impede a transcrição dos genes estruturais. Quando a regulação de um operon é positiva?

texto 8 regulaÇÃo gÊnica em bactÉria biologia molecular · biologia molecular e o operon lac...

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