Lista de Controle de Expressão Gênica

1 Diferencie os mecanismos gerais de regulação transcricional em procariotos e eucariotos destacando os principais elementos envolvidos em cada caso Dica Considere fatores como organização genômica elementos cis e trans remodelamento da cromatina e complexidade regulatória 2 Descreva o funcionamento do operon Lac em Escherichia coli e explique como a presença ou ausência de lactose e glicose influencia sua expressão Inclua em sua resposta o papel do represor LacI da alolactose e da proteína CAP catabolite activator protein 3 Explique como ocorre a regulação do operon His em procariotos Compare o mecanismo com o do operon Lac e destaque o papel da atenuação na regulação da biossíntese de histidina 4 Discuta os principais mecanismos póstranscricionais de controle da expressão gênica em eucariotos incluindo o controle de splicing alternativo Cite exemplos de como o splicing alternativo pode gerar diversidade proteica a partir de um único gene 5 Descreva como a célula regula a tradução por meio da modificação da proteína eIF2 O que acontece com a tradução global durante o estresse celular Inclua em sua resposta o papel da fosforilação da eIF2 e como isso afeta a iniciação da tradução 6 O que é um IRES Internal Ribosome Entry Site e qual sua importância na regulação traducional Em que contextos fisiológicos ou patológicos o uso de IRES se torna relevante 7 Explique o processo de decaimento de RNAm mRNA decay em eucariotos Quais são as vias principais envolvidas e como esse processo contribui para o controle da expressão gênica Comente sobre a via de deadenilação capremoval e a degradação 53 e 35 8 A repressão gênica em eucariotos pode ocorrer em diferentes níveis Explique como os microRNAs miRNAs participam da regulação póstranscricional da expressão gênica Inclua o mecanismo de pareamento com o RNAmalvo e os possíveis desfechos para esse RNAm Respostas Expressão Gênica Baseadas em Alberts 6ª ed 1 A regulação transcricional em procariotos e eucariotos apresenta diferenças fundamentais relacionadas à organização genômica aos elementos regulatórios envolvidos e ao nível de complexidade dos mecanismos Nos procariotos o DNA é circular e não está associado a histonas ficando disperso no citoplasma o que permite acesso direto da RNA polimerase ao DNA Os genes geralmente estão organizados em operons que agrupam diversos genes sob o controle de um mesmo promotor sendo transcritos como um único mRNA policistrônico A regulação envolve elementos cis como promotor e operador e elementos trans como proteínas repressoras ou ativadoras O controle ocorre principalmente na etapa de iniciação da transcrição permitindo respostas rápidas a mudanças ambientais como a disponibilidade de nutrientes Nos eucariotos o DNA é linear e está empacotado em nucleossomos no interior do núcleo o que exige remodelamento da cromatina para permitir a transcrição Os genes são monocistrônicos e controlados individualmente por promotores enhancers silencers e insulators regulados por fatores de transcrição gerais e específicos além de coativadores e correpressores A regulação é muito mais complexa atuando não apenas na transcrição mas também em diversas etapas póstranscricionais como splicing exportação nuclear estabilidade do mRNA e tradução O remodelamento da cromatina por modificações como acetilação ou metilação de histonas é um fator crucial no controle eucarioto modulando a acessibilidade do DNA aos fatores transcricionais 2 Operon lac em Escherichia coli O operon lac em Escherichia coli é um modelo clássico de regulação gênica em procariotos responsável pelo metabolismo da lactose Ele é composto pelos genes estruturais lacZ βgalactosidase lacY permease e lacA transacetilase além do gene regulador lacI que codifica o repressor LacI Na ausência de lactose o repressor se liga ao operador impedindo a ligação da RNA polimerase e bloqueando a transcrição Quando a lactose está presente parte dela é convertida em alolactose que atua como indutor ligandose ao repressor e alterando sua conformação fazendoo se desprender do operador Assim a RNA polimerase pode transcrever o operon Contudo a presença de glicose influencia negativamente essa ativação por meio de um mecanismo de repressão por catabolito a glicose baixa os níveis intracelulares de AMP cíclico cAMP e esse nucleotídeo é essencial para ativar a proteína CAP Catabolite Activator Protein O CAP ativo ligado ao cAMP interage com o promotor do operon aumentando a afinidade da RNA polimerase Dessa forma a expressão máxima ocorre quando a lactose está presente e a glicose ausente situação em que o cAMP está elevado o CAP está ativo e o repressor inativo permitindo alta transcrição 3 Regulação do operon his e comparação com lac O operon his responsável pela biossíntese de histidina em procariotos é regulado por um mecanismo combinado de repressão e atenuação Quando a concentração de histidina na célula está alta um repressor específico se liga ao operador bloqueando a transcrição Entretanto mesmo que a transcrição se inicie a sua continuidade é modulada pelo processo de atenuação que depende da tradução da região líder do mRNA A região líder contém códons para histidina e pode formar diferentes estruturas secundárias no RNA Se a histidina é abundante a tradução da região líder ocorre rapidamente permitindo a formação de uma estrutura de terminação antecipada interrompendo a transcrição antes que os genes estruturais sejam copiados Quando a histidina está em baixa concentração o ribossomo pausa na tradução da região líder devido à escassez de tRNAHis favorecendo a formação de uma estrutura alternativa que impede a terminação precoce e permite a transcrição completa Comparando com o operon lac o controle do operon his não depende da presença de um substrato a ser metabolizado mas sim da disponibilidade do produto final utilizando a atenuação como regulador fino algo que o operon lac não emprega 4 Mecanismos póstranscricionais em eucariotos Em eucariotos a regulação póstranscricional desempenha um papel crucial no controle da expressão gênica permitindo que um único gene produza múltiplas variantes proteicas e que a expressão seja ajustada rapidamente O splicing alternativo é um dos mecanismos mais importantes pois consiste na remoção seletiva de íntrons e junção de diferentes combinações de éxons gerando múltiplos mRNAs a partir de um único prémRNA Isso amplia enormemente a diversidade proteica sem a necessidade de aumentar o número de genes Um exemplo clássico é o gene da troponina T que apresenta isoformas distintas no músculo esquelético e no cardíaco A regulação do splicing é mediada por proteínas de ligação ao RNA que atuam como ativadores ou repressores influenciando a escolha dos sítios de splice Além do splicing alternativo outros mecanismos póstranscricionais incluem a edição de RNA que pode modificar nucleotídeos e alterar a sequência codificada como no caso da apolipoproteína B o controle da estabilidade do mRNA que regula sua meiavida e o controle do transporte do mRNA para o citoplasma Todos esses mecanismos permitem respostas rápidas a sinais internos e externos modulando a quantidade e a variedade de proteínas produzidas 5 Regulação da tradução via eIF2 A tradução em eucariotos é regulada de forma eficiente pela modificação da proteína eIF2 fator de iniciação eucariótico 2 responsável por transportar o tRNA iniciador carregado com metionina para o ribossomo Em condições normais o eIF2GTP se associa ao tRNA iniciador e após a entrega ao ribossomo o GTP é hidrolisado formando eIF2GDP que precisa ser reciclado para eIF2GTP por ação de um fator de troca eIF2B Durante situações de estresse celular como privação de nutrientes choque térmico ou infecção viral o eIF2 é fosforilado por quinases específicas Essa fosforilação inibe a atividade do eIF2B bloqueando a reciclagem de eIF2 e reduzindo drasticamente a iniciação da tradução global economizando recursos e permitindo que a célula priorize a tradução de mRNAs específicos que utilizam mecanismos alternativos de iniciação Esse processo é fundamental para a adaptação celular em situações adversas controlando a produção proteica de maneira seletiva 6 IRES O IRES Internal Ribosome Entry Site é uma sequência presente no mRNA que permite a ligação direta do ribossomo a uma região interna do RNA iniciando a tradução independentemente do reconhecimento da extremidade 5 e do cap Essa estratégia de iniciação alternativa é particularmente importante quando a via tradicional de iniciação é bloqueada como em situações de estresse celular apoptose ou infecção viral Muitos vírus como o poliovírus utilizam IRES para sequestrar a maquinaria traducional da célula hospedeira permitindo a produção de proteínas virais mesmo quando a tradução cap dependente está inibida Em células eucariotas o uso de IRES pode ocorrer durante o desenvolvimento embrionário ou em condições patológicas garantindo que mRNAs essenciais sejam traduzidos mesmo quando há repressão global da tradução 7 Decaimento de mRNA O decaimento de mRNA em eucariotos é um mecanismo essencial para regular a expressão gênica e ajustar rapidamente os níveis de proteínas na célula O processo geralmente iniciase com a deadenilação que é o encurtamento progressivo da cauda poliA por exonucleases específicas reduzindo a estabilidade do mRNA Após a deadenilação o mRNA pode seguir dois caminhos principais de degradação na via 53 ocorre a remoção da estrutura de cap decapping seguida pela degradação por exonucleases na via 35 o mRNA é degradado pelo complexo exossomo Além disso existem vias específicas para degradação de mRNAs defeituosos como aqueles com códons de parada prematuros NMD nonsensemediated decay Esses processos não apenas eliminam transcritos defeituosos mas também permitem um controle fino da quantidade de proteínas produzidas ajustandose às necessidades fisiológicas da célula 8 Papel dos microRNAs Os microRNAs miRNAs são pequenas moléculas de RNA não codificante com cerca de 22 nucleotídeos que desempenham papel fundamental na regulação póstranscricional da expressão gênica em eucariotos Eles são transcritos como primiRNAs processados no núcleo para prémiRNAs e exportados para o citoplasma onde são maturados e incorporados ao complexo RISC RNAInduced Silencing Complex O miRNA guia o RISC até o mRNAalvo por complementariedade de sequência Em plantas essa complementariedade é geralmente total levando à clivagem e degradação direta do mRNA Em animais a complementariedade é parcial resultando principalmente na inibição da tradução ou no encurtamento da cauda poliA diminuindo a estabilidade do mRNA Um único miRNA pode regular dezenas a centenas de genes desempenhando papéis cruciais no desenvolvimento na diferenciação celular na homeostase e em respostas ao estresse Alterações na expressão ou função de miRNAs estão associadas a diversas doenças incluindo câncer e distúrbios neurodegenerativos Referência ALBERTS B et al Biologia Molecular da Célula 6 ed Porto Alegre Artmed 2017