Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos

Regulação da expressão gênica em eucariotos Profa Pricila da Silva Cunha Disciplina Biologia Molecular Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Introdução RELEMBRANDO Nos eucariotos o DNA encontrase associado a proteínas principalmente histonas formando a CROMATINA Existem dois tipos de cromatina Eucromatina corresponde a regiões menos condensadas do DNA regiões de genes ativos que estão servindo de molde para a síntese de RNA Heterocromatina corresponde a regiões altamente condensadas do DNA regiões de genes inativos que não estão sendo transcritos em RNA Introdução Alterações na estrutura da cromatina Nos eucariotos o empacotamento do DNA no interior da cromatina torna a maioria dos promotores inacessíveisà maquinaria da transcrição de modo que a maioria dos genes são inativos na ausência de ativadores Por isso em eucariotos a regulação positiva é mais comum do que a regulação negativa e a transcrição é acompanhada por grandes alterações na estrutura da cromatina E quais são as alterações que ocorrem na estrutura da cromatina A estrutura da cromatina é alterada por pelo menos três mecanismos 1 Mudanças no posicionamento dos nucleossomos Promotores ativos possuem regiões abertas com nucleossomos posicionados fora da região promotora possibilitando o acesso dos fatores de transcriçãoe da RNApolimerase 2 Presença de variantes de histonas nos nucleossomos Perda da histona H1 que se liga ao DNA de ligação entre as partículas do nucleossomo presença das variantes de histonas H33 e H2AZ 3 Modificações covalentes de histonas ocorrem em resíduos de aminoácidos específicos no domínio Nterminal rico em lisina Ex a acetilação das histonas resulta em descompactação da cromatina possibilitando o acesso dos fatores de transcrição e da RNApolimerase Por outro lado a desacetilação das histonas leva à condensação da cromatina Inativa na transcrição Ativa na transcrição Ativadores e coativadores Perda de H1 Modificações de histonas ex acetilação Repressores e correpressores Modificações de histonas ex desacetilação Alterações na estrutura da cromatina As mudanças estruturais na cromatina associadas à transcrição são coletivamente chamadas de remodelação da cromatina ativador promotor acetiltransferase de histona HAT acetilação de histonas a maquinaria de transcrição ligase ao promotor a maquinaria de transcrição ligase ao promotor ativador promotor complexo de remodelamento da cromatina SWISNF nucleossomos irregularmente espaçados Alterações na estrutura da cromatina Alterações na estrutura da cromatina O efeito final da remodelação da cromatina no contexto da transcrição é o de tornar um segmento de cromossomo mais acessível e marcálo por meio de modificações químicas para facilitar a ligação e atividade dos fatores de transcrição que regulam a expressão dos genes naquela região Regulação eucariótica x Regulação bacteriana Os promotores eucarióticos usam mais proteínas regulatórias do que os promotores bacterianos Os promotores bacterianos são em geral regulados por somente uma ou duas proteínas regulatórias e seus sítios de ligação estão próximos ou sobrepostos ao promotor Os promotores eucarióticos principalmente aqueles de organismos multicelulares possuem vários sítios de ligação para proteínas regulatórias localizados a montante eou a jusante do promotor ou até mesmo dentro da sequência codificadora do gene CONTROLE COMBINATÓRIO a regulação gênica nos eucariotos é feita utilizando diferentes combinaçõesde um repertório limitado de proteínas regulatórias Quatro proteínas regulatórias formam dez combinações regulatórias diferentes Duas proteínas regulatórias formam três combinações regulatórias diferentes Importante O controle combinatório também ocorre em bactérias Ex complexo CRPcAMP que participa como ativador na regulação da expressão de vários genes relacionadosao metabolismode açúcaressecundários Ativação da expressão gênica em eucariotos ATIVAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA EM EUCARIOTOS A ligação bemsucedida da RNApolimerase II holoenzima aos seus promotores e consequentemente a ativação da expressão gênica geralmente requer a ação combinada das seguintes proteínas 1 Ativadores de transcrição 2 Complexos de proteínas coativadoras 3 Reguladores de arquitetura 4 ProteínasEnzimas que promovem remodelação da cromatina 5 Fatores de transcrição basais Ativação da expressão gênica em eucariotos 1 Ativadores de transcrição proteínas regulatórias que se ligam a sequências denominadas potenciadores enhancers ou UAS sequências ativadoras a montante e estimulam a transcrição Potenciadores encontrados em eucariotos superiores Podem estar localizados a centenas ou milhares de pb a montante do sítio de início da transcrição a jusante dele ou até mesmo no interior do própriogene UAS encontradas em leveduras Estão localizadas a centenas de pb a montante do sítio de início da transcrição Ativação da expressão gênica em eucariotos 2 Complexos de proteínas coativadoras atuam como intermediários entre os ativadores da transcriçãoe o complexo de iniciaçãoda transcrição Os ativadores se ligam diretamente às sequências reguladoras no DNA enquanto os coativadoresse ligam aos ativadores e não ao DNA Exemplos Complexo Mediador consiste em 20 ou mais polipeptídeos altamente conservados de fungos a humanos Ele se liga fortemente ao domínio Cterminal CTD da RNApolimerase II e também interage com os ativadores da transcrição TFIID inclui o TBP e mais de 10 proteínasassociadas ao TBP Ativação da expressão gênica em eucariotos 3 Reguladores de arquitetura facilitam a formação de uma alça no DNA necessária para aproximar proteínas localizadas em sítios distantes e possibilitar sua interação Exemplo proteínas HMG 4 ProteínasEnzimas que promovem remodelação da cromatina Enzimas de modificação de histonas ex HATs enzimas que alteram o posicionamento dos nucleossomos ex complexoSWISNF e enzimas que inserem variantes de histonas 5 Fatores de transcrição basais TFIIB TFIIE TFIIF TFIIH e talvez TFIIA que juntos com a RNA polimerase II formam o complexo de início da transcrição Ativação da expressão gênica em eucariotos Os componentes de ativação da transcrição nos eucariotos Repressão da expressão gênica em eucariotos REPRESSÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA EM EUCARIOTOS Apesar de ser menos frequente a repressão da transcrição nos eucariotos é mediada por proteínas repressoras que rompem ou impedem contatos essenciais entre a RNApolimeraseII e ativadores ou coativadores Alguns ativadores podem adotar diferentes conformações tornandoos capazes de servir como ativadores em um promotor ou como repressores em outro promotor Regulação da transcrição de genes GAL em leveduras REGULAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO DE GENES GAL EM LEVEDURAS As enzimas necessárias para a captação e para o catabolismo de galactose em leveduras são codificadas por 6 genes espalhados por vários cromossomos Como as leveduras não tem óperons cada um dos genes GAL é transcrito separadamente Entretanto todos os genes GAL apresentam promotores semelhantes e são regulados coordenadamente por um conjunto comum de proteínas Os promotores dos genes GAL possuem TATA box sequência Inr e sequência ativadora a montante UAS O controleda expressão dos genes GAL pela galactose depende de três proteínas Gal4p ativador da transcrição Gal80p inibidor da transcrição Gal3p indutor Regulação da transcrição de genes GAL E como ocorre a regulação dos genes GAL pelas proteínas Gal4p Gal80p e Gal3p Regulação da transcrição de genes GAL Importante Outros complexos proteicos também desempenham papéis na ativação da transcrição dos genes GAL complexo SAGA complexo SWISNF e complexo Mediador Complexo SAGA promove a remodelação da cromatina presença de acetilases de histonas na sua composição Regulação da transcrição de genes GAL em leveduras O controleda expressão dos genes GAL pela glicose depende de duas proteínas Mig1 repressor da transcrição Tup1 correpressorque se liga à Mig1 Nas leveduras assim como acontece nas bactérias a glicose também é a principal fonte de carbono Ou seja quando a glicose está presente os genes GAL são reprimidos havendo galactose disponível ou não Os genes GAL de leveduras sofrem tanto regulação positiva quanto regulação negativa Regulação da transcrição de genes GAL em leveduras Regulação da expressão dos genes GAL de acordo com a disponibilidade de glicose e de galactose 1 Glicose ausente e galactose ausente Quando a glicose está ausente a proteína repressora Mig1 é fosforilada e permanece no citosol sendo incapaz de se ligarao DNA Quando a galactose está ausente Gal4p se liga à UAS mas os genes GAL são reprimidos por Gal80p impedindo a transcrição Regulação da transcrição de genes GAL em leveduras 2 Glicose ausente e galactose presente Quando a glicose está ausente a proteína repressora Mig1 é fosforilada e permanece no citosol sendo incapaz de se ligarao DNA Quando a galactose está presente Gal4p ativa a transcrição dos genes GAL Isso ocorre porque o complexo Gal3pgalactoseATP interage com Gal80p liberando Gal4p para funcionar como ativador nos vários promotores dos genes GAL Regulação da transcrição de genes GAL em leveduras 3 Glicose presente e galactose presente Quando a glicose está presente não ocorre fosforilação da proteína repressora Mig1 que então entra no núcleo e se liga à Tup1 O complexo Mig1Tup1 reprime a expressãodos genes GAL Repressãocatabólica Quando a galactose está presente o complexo Gal3pgalactoseATP interage com Gal80p Essa interação altera a conformação de Gal80p que libera Gal4p para ativar a transcriçãodos genes GAL Quando a glicose está presente não ocorre transcrição dos genes GAL porque o complexo repressor Mig1Tup1 está ligado ao promotor Não importa se a galactose está presente ou ausente Imprinting genômico O IMPRINTING GENÔMICO PERMITE A EXPRESSÃO GÊNICA SELETIVA A PARTIR DE SOMENTE UM ALELO O imprinting genômico consiste em mecanismos que desligam completamente a expressão de um dos alelosparentais Ocorre durante a formação dos gametas e é mais frequente em mamíferos Existem atualmente cercade 80 genes no genoma humano que sofrem imprinting O imprinting do gene IGF2 é essencial porque a expressão de ambos os alelos tende a resultar no desenvolvimento de câncer Exemplo Imprinting do gene IGF2 fator de crescimento semelhante à insulina2 Insulador sequência específica no DNA localizada entre o promotor e o enhancer Compensação de dose inativação de um cromossomo X A COMPENSAÇÃO DE DOSE EQUILIBRA A EXPRESSÃO GÊNICA A PARTIR DOS CROMOSSOMOS SEXUAIS Durante o desenvolvimento embrionário das fêmeas de mamíferos um cromossomo X em cada célula somática é inativado cromatina sexual ou corpúsculo de Barr Fotomicrografia de células epiteliais de uma mulher mostrando o nucléolo e o corpúsculo de Barr dentro do núcleo A inativação do cromossomo X está relacionada a um mecanismo chamado compensação de dose que mantém constante a relação entre cromossomos autossomos e cromossomos X tanto nos machos como nas fêmeas havendo sempre um cromossomo X funcional nas células somáticas Proposta por Mary Lyon em 1961 Compensação de dose inativação de um cromossomo X A inativação do cromossomo X ocorre de forma aleatória em algumas células somáticas é inativado o cromossomo X que veio da mãe em outras é inativado o cromossomo X que veio do pai Esse processo ocorre no início do desenvolvimento embrionário e persiste em todas as mitoses seguintes Como resultado o corpo das mulheres é um mosaico de células distintas com relação ao cromossomo X em certas regiões as células somáticas têm ativo o cromossomo X de origem materna e em outras o cromossomo X de origem paterna Se uma fêmea é heterozigota para uma característica ligada ao X cerca de 50 das suas células somáticas expressará um alelo e 50 expressará o outro alelo Compensação de dose A inativação do cromossomo X em mamíferos envolve um ncRNA XIST RNA e uma variante de histonas macroH2A A inativação do cromossomo X se inicia no locus XIC centro de inativação do cromossomo X que codifica o ncRNA XIST XIST reveste o cromossomo X sem especificidade de sequências resultando na repressão gênica e consequente inativação do cromossomo X A variante de histonas macroH2A também contribui para a compactaçãodo DNA E como ocorre a inativação do cromossomo X Regulação da expressão gênica por sinais intercelulares e intracelulares REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA POR SINAIS INTERCELULARES E INTRACELULARES SINALIZAÇÃO DIRETA Exemplo Regulação da expressão gênica por hormônios esteroides ex estrogênio progesterona e cortisol regulação mediada pela interação direta do hormônio esteroide com receptores intracelulares que atuam como ativadores da transcrição Exemplo Regulação da expressão gênica por hormônios da tireoide regulação mediada pela interação direta do hormônio da tireoide com receptores intracelulares que atuam como ativadores da transcrição Regulação da expressão gênica por sinais intercelulares e intracelulares Regulação da expressão gênica por sinalização indireta REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA POR SINALIZAÇÃO INDIRETA VIAS DE TRANSDUÇÃO DE SINAIS Exemplo Regulação da expressão gênica por hormônios não esteroides ex insulina glucagon calcitonina FSH regulação mediada por fosforilação de proteínasalvo que atuam como ativadores da transcrição CREB ativador transcricional CBP coativador Regulação da expressão gênica no nível da tradução REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA NO NÍVEL DA TRADUÇÃO 1 Um dos mecanismos mais importantes de regulação da expressão gênica no nível da tradução consiste na ligação de proteínas repressoras em sítios específicos na região 3 não traduzida 3 UTR do mRNA Os repressores interagem com os fatores de iniciaçãoou com o ribossomo para impedir a tradução Regulação no nível da tradução 2 Outro mecanismo importante de regulação da expressão gênica no nível da tradução é mediado pelos ncRNAs Entre eles podemos destacar os miRNAs 22 nucleotídeos que estimulam a clivagem do mRNA ou impedem a sua tradução O desenvolvimento de um organismo pluricelular representa o desafio mais complexo de regulação da expressão gênica envolvendo diversos mecanismos de regulação transcricional e póstranscricional Regulação da expressão gênica no desenvolvimento