Regulação da Expressão Gênica em Bactérias

Regulação da expressão gênica em bactérias Profa Pricila da Silva Cunha Disciplina Biologia Molecular Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Introdução Dado o alto custo energético da síntese proteica ATP e GTP a regulação da expressão gênica é essencial para otimizar o uso da energia disponível A célula restringe a expressão da informação gênica à formação dos produtos que ela necessita em um determinado momento Introdução A concentração celular de uma proteína é determinada pelo equilíbrio de ao menos sete processos cada um deles tendo vários pontos potenciais de regulação Regulação da expressão gênica no início da transcrição Proteínas regulatórias afetam a interação da RNApolimerase com o promotor Regulação da expressão gênica no início da transcrição Foco principal das nossas aulas por ser o processo melhor decifrado pelos pesquisadores PRINCÍPIOS DA REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA Proteínas regulatórias que atuam no início da transcrição 1 Fatores de especificidade alteram a especificidade da RNApolimerase para um determinado promotor ou para um conjunto de promotores Exemplos proteína de ligação ao TATA box TBP nas células eucarióticas subunidade σ da RNApolimerase holoenzima de E coli Subunidade σ70 reconhece a maioria dos promotores de E coli Subunidade σ32 reconhece os promotores de genes do choque térmico Princípios da regulação da expressão gênica 2 Ativadores estimulam a interação da RNApolimerase com o promotor ou seja estimulam a expressão gênica 3 Repressores impedem a ligação da RNApolimerase ao promotor ou seu movimento ao longo do DNA ou seja reduzem ou inibem a expressão gênica Princípios da regulação da expressão gênica IMPORTANTE No DNA de bactérias os sítios de ligação para ativadores e repressores são frequentemente encontrados dentro do promotor ou próximo a ele No DNA de eucariotos os sítios de ligação para ativadores e repressores geralmente estão localizados muito distantes do promotor Existem dois padrões comuns de regulação da expressão gênica no início da transcrição Regulação negativa e Regulação positiva Princípios da regulação da expressão gênica REGULAÇÃO NEGATIVA a ligação do repressor no DNA inibe a atividade da RNA polimerase inibição da expressão gênica efetor efetor Operador nome dado ao sítio de ligação de um repressor em bactérias Princípios da regulação da expressão gênica REGULAÇÃO POSITIVA a ligação do ativador no DNA estimula a atividade da RNA polimerase estímulo da expressão gênica efetor efetor Nos eucariotos a distância entre os promotores e os sítios de ligação dos ativadores ou repressores é superada fazendo alças looping no DNA entre eles Princípios da regulação da expressão gênica Princípios da regulação da expressão gênica Proteínas regulatórias geralmente apresentam estrutura dimérica e se ligam aos sítios regulatórios no DNA palíndromos Proteínas regulatórias possuem motivos estruturais comuns para interação com o DNA e com outras proteínas Principais motivos de ligação ao DNA hélicevoltahélice dedo de zinco homeodomínio Repressor Lac motivo hélicevoltahélice de ligação ao DNA Princípios da regulação da expressão gênica Principais motivos de interação proteínaproteína zíper de leucina hélicealçahélice Zíper de leucina K lisina R arginina L leucina Regulação da expressão gênica em bactérias REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA EM BACTÉRIAS Óperon é uma unidade única de transcrição composta pelo promotor sequências regulatórias ex operador e os genes que eles controlam genes estruturais Em bactérias genes que codificam produtos com funções interdependentes são frequentemente agrupados em óperons Óperon bacteriano Óperon lac E coli Promotor P região de ligação da RNApolimerase Operador O sítio de ligação do repressor Lac Sítio CRP sítio de ligação do complexo ativador CRPcAMP CAPcAMP Gene lacZ codifica a βgalactosidase clivagem da lactose em glicose e galactose Gene lacY codifica a galactosídeopermease transporta lactose para o interior da célula Gene lacA codifica a tiogalactosídeotransacetilase modifica os galactosídeos tóxicos para facilitar sua remoção da célula Gene lacI não faz parte do óperon lac codifica o repressor Lac ÓPERON DA LACTOSE ÓPERON lac O óperon lac E coli contém genes que codificam para as enzimas envolvidas na captação e no catabolismo da lactose Adaptado de Lehninger Óperon lac E coli E como o repressor Lac se liga ao operador O1 operador principal O2 e O3 operadores secundários REGULAÇÃO NEGATIVA Na ausência de lactose o repressor Lac se liga ao operador e inibe a expressão gênica lacZ lacY Alolactose indutor do óperon Lac Alolactose indutor do óperon Lac Indutor molécula sinal que estimula a expressão de um gene O repressor Lac responde aos níveis de lactose no meio Óperon lac E coli Além da regulação negativa o óperon lac também sofre regulação positiva A regulação positiva do óperon lac é mediada pelo complexo ativador CRPcAMP que se liga a um sítio próximo do promotor e estimula a expressão gênica O complexo ativador CRPcAMP responde aos níveis de glicose no meio CRP proteína receptora de cAMP também é conhecida como CAP proteína ativadora de genes para catabólitos Glicose cAMP CRPcAMP Glicose cAMP CRPcAMP Repressão catabólica O que é repressão catabólica Na presença de glicose ocorre inibição da expressão de genes necessários para o catabolismo de fontes alternativas de carbono tais como lactose e arabinose Isso ocorre porque a glicose é a principal fonte de energia utilizada pela E coli Óperon lac E coli Óperon lac E coli Regulação do óperon lac de acordo com a disponibilidade de glicose e de lactose 1 Glicose alta e lactose ausente Quando a glicose está alta os níveis de cAMP diminuem a glicose inibe a síntese de cAMP e estimula seu efluxo da célula Isso impede a formação do complexo ativador CRPcAMP Quando a lactose está ausente o repressor Lac se liga ao operador e impede a transcrição Óperon lac E coli 2 Glicose baixa e lactose ausente Quando os níveis de glicose estão baixos os níveis de cAMP aumentam Isso leva à formação do complexo ativador CRPcAMP que se liga ao DNA Quando a lactose está ausente o repressor Lac se liga ao operador e impede a transcrição Quando a lactose está ausente o repressor Lac se liga ao operador e impede a transcrição dos genes lac Não importa se a glicose está presente ou ausente Óperon lac E coli 3 Glicose alta e lactose presente Quando a glicose está alta não formase o complexo ativador CRPcAMP Na presença de lactose que é convertida em alolactose o repressor Lac se dissocia do operador A RNApolimerase pode ocasionalmente se ligar ao DNA e iniciar a transcrição resultando em baixos níveis de expressão gênica Óperon lac E coli 4 Glicose baixa e lactose presente Quando a glicose está baixa formase o complexo ativador CRPcAMP que se liga ao DNA Na presença de lactose que é convertida em alolactose o repressor Lac se dissocia do operador A RNApolimerase se liga fortemente ao DNA resultando em altos níveis de expressão gênica Óperon ara E coli ÓPERON DA ARABINOSE ÓPERON ara O óperon ara E coli contém genes que codificam para as enzimas envolvidas no catabolismo da arabinose araO1 e araO2 operador araI1 e araI2 meiosítios do sítio indutor araI Sítio CRP sítio de ligação do complexo ativador CRPcAMP CAPcAMP Gene araB codifica a ribuloquinase Gene araA codifica a Larabinoseisomerase Gene araD codifica a Lribulose5fosfato4epimerase Gene araC não faz parte do óperon ara codifica a proteína AraC que pode atuar tanto como repressor quanto como ativador Óperon ara E coli 1 Glicose alta e arabinose ausente Quando a glicose está alta não formase o complexo ativador CRPcAMP Quando a arabinose está ausente AraC atua como repressor se ligando tanto ao operador araO2 quanto ao meiosítio araI1 Isso leva à formação de uma alça no DNA que impede a ligação da RNApolimerase no promotor dos genes araBAD araO1 Óperon ara E coli 2 Glicose baixa e arabinose presente Quando os níveis de glicose estão baixos os níveis de cAMP aumentam Isso leva à formação do complexo ativador CRPcAMP que se liga ao DNA Quando a arabinose está presente ela se liga à proteína AraC que então atua como ativador o dímero AraC muda de conformação e se liga aos meiosítios araI1 e araI2 A interação com araI2 recruta a RNApolimerase para o promotor araBAD e ativa a transcrição No óperon da arabinose AraC atua tanto na regulação negativa quanto na regulação positiva indutor araO1 Óperon trp E coli ÓPERON DO TRIPTOFANO ÓPERON trp Promotor P região de ligação da RNApolimerase Operador O sítio de ligação do repressor Trp Genes trpE trpD trpC trpB e trpA codificam enzimas da via de biossíntese do triptofano Sequência trpL codifica a região líder do mRNA Gene trpR não faz parte do óperon trp codifica o repressor Trp O óperon trp E coli contém genes que codificam para as enzimas envolvidas na via de biossíntese do aminoácido triptofano Óperon trp E coli 1 Ausência de triptofano o repressor Trp não consegue se ligar ao operador e com isso a transcrição ocorre normalmente Regulação do óperon trp de acordo com a disponibilidade de triptofano Óperon trp E coli 2 Níveis muito altos de triptofano o aminoácido triptofano se liga ao repressor Trp que então se liga ao operador e inibe a expressão gênica REGULAÇÃO NEGATIVA O triptofano provoca a ligação do repressor Trp ao operador inibindo a expressão gênica Óperon trp E coli 3 Níveis altos de triptofano atenuação da transcrição a transcrição é iniciada mas é abruptamente interrompida antes que os genes do óperon trp sejam transcritos Região líder região de 162 nucleotídeos na extremidade 5 do mRNA que antecede o códon de início da tradução do gene trpE O mecanismo de atenuação da transcrição do óperon trp emprega sinais codificados em quatro sequências no interior da região líder Óperon trp E coli E como ocorre a atenuação da transcrição O atenuador funciona como um terminador da transcrição Óperon trp E coli 4 Níveis baixos de triptofano ocorre a transcrição dos genes do óperon trp O pareamento das sequências 23 impede a formação do atenuador e a transcrição ocorre normalmente Resposta SOS E coli RESPOSTA SOS Resposta a danos extensos no DNA Muitos dos genes induzidos estão envolvidos no reparo do DNA As proteínas regulatórias são o repressor LexA e a proteína RecA Repressor LexA inibe a transcrição de todos os genes SOS Proteína RecA atua como coprotease se liga ao DNA danificado e induz a autoclivagem e consequente inativação do repressor LexA Resposta estringente em E coli RESPOSTA ESTRINGENTE EM E coli Resposta estringente em E coli regulação da expressão dos genes que codificam rRNA de acordo com a disponibilidade de aminoácidos Quando as concentrações de aminoácidos são baixas a síntese de rRNA é interrompida ppGpp guanosina tetrafosfato RNAs com função regulatória ASSIM COMO ALGUMAS PROTEÍNAS EXISTEM TAMBÉM RNAs COM FUNÇÃO REGULATÓRIA Regulação em trans quando uma molécula de RNA separada se liga ao mRNA e afeta sua atividade Exemplo Regulação do mRNA do gene rpoS que codifica o fator σS necessário para a transcrição de genes de resposta a situações específicas de estresse estado de ausência de crescimento devido à ausência de nutrientes DsrA pequeno RNA que pareia com o mRNA do fator σS desfazendo o grampo e permitindo a tradução OxyS pequeno RNA que bloqueia a tradução ao se parear com o sítio de ligação do ribossomo no mRNA do fator σS Hfq chaperona que facilita o pareamento RNARNA RNAs com função regulatória Regulação em cis quando uma região do próprio mRNA regula seu próprio funcionamento A regulação em cis envolve uma classe de estruturas de RNA conhecidas como ribocontroladores riboswitches estruturas observadas no mRNA que ligam metabólitos ligantes e sofrem uma mudança conformacional que regula a expressão gênica A maioria dos genes regulados desse modo está envolvida na síntese do metabólito ligado pelo ribocontrolador Os ribocontroladores exercem sua função no nível da transcrição e da tradução INIBIÇÃO DA TRANSCRIÇÃO