Genética

Regulação da expressão gênica: como o genes são regulados

Para uma célula funcionar adequadamente, as proteínas necessárias devem ser sintetizadas no momento adequado. Todos os organismos e células controlam ou regulam a transcrição e tradução do seu DNA em proteína. O processo de ligar um gene para produzir RNA e proteína é chamado de expressão gênica . Seja em um organismo unicelular simples ou em um organismo multicelular complexo, cada célula controla quando e como seus genes são expressos.

Para que isso ocorra, deve haver um mecanismo para controlar quando um gene é expresso para produzir RNA e proteína, quanto da proteína é produzida e quando é hora de parar de produzir essa proteína, porque ela não é mais necessária.

As células em organismos multicelulares são especializadas; células em diferentes tecidos parecem muito diferentes e desempenham funções diferentes. Por exemplo, uma célula muscular é muito diferente de uma célula do fígado, que é muito diferente de uma célula da pele. Essas diferenças são conseqüência da expressão de diferentes conjuntos de genes em cada uma dessas células.

Todas as células têm certas funções básicas que devem desempenhar por conta própria, como converter a energia das moléculas de açúcar em energia no ATP. Cada célula também tem muitos genes que não são expressos e expressa muitos que não são expressos por outras células, de tal forma que ele pode executar suas funções especializadas. Além disso, as células ativam ou desativam certos genes em momentos diferentes em resposta a mudanças no ambiente ou em momentos diferentes durante o desenvolvimento do organismo. Organismos unicelulares,

O controle da expressão gênica é extremamente complexo. As falhas neste processo são prejudiciais para a célula e podem levar ao desenvolvimento de muitas doenças, incluindo o câncer.

Expressão Genética Procariótica versus Eucariótica

Para entender como a expressão gênica é regulada, devemos primeiro entender como um gene se torna uma proteína funcional em uma célula. O processo ocorre em ambas as células procarióticas e eucarióticas, apenas em formas ligeiramente diferentes.

Como os organismos procarióticos não possuem um núcleo celular, os processos de transcrição e tradução ocorrem quase simultaneamente. Quando a proteína não é mais necessária, a transcrição é interrompida. Como resultado, o método primário para controlar que tipo e quanta proteína é expressa em uma célula procariótica é através da regulação da transcrição de DNA em RNA. Todas as etapas subsequentes acontecem automaticamente. Quando mais proteína é necessária, mais transcrição ocorre. Portanto, em células procarióticas, o controle da expressão gênica é quase inteiramente no nível transcricional.

O primeiro exemplo de um tal controlo foi descoberto usando E . coli na década de 1950 e 1960 por pesquisadores franceses e é chamado de lac operon. O lac operon é uma sequência de ADN com três genes adjacentes que codificam para proteínas que participam na absorção e metabolismo da lactose, uma fonte de alimento para E . coli . Quando a lactose não está presente no ambiente da bactéria, o lacos genes são transcritos em pequenas quantidades. Quando a lactose está presente, os genes são transcritos e a bactéria é capaz de usar a lactose como fonte de alimento.

O operon também contém uma sequência promotora à qual a RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição; entre o promotor e os três genes é uma região chamada o operador. Quando não há lactose presente, uma proteína conhecida como repressor se liga ao operador e impede que a RNA polimerase se ligue ao promotor, exceto em casos raros.

Assim, muito pouco dos produtos proteicos dos três genes é produzido. Quando a lactose está presente, um produto final do metabolismo da lactose se liga à proteína repressora e a impede de se ligar ao operador. Isto permite que a RNA polimerase se ligue ao promotor e transcreva livremente os três genes, permitindo que o organismo metabolize a lactose.

As células eucarióticas, ao contrário, possuem organelas intracelulares e são muito mais complexas. Lembre-se que nas células eucarióticas, o DNA está contido dentro do núcleo da célula e é transcrito em mRNA. O mRNA recém-sintetizado é então transportado para fora do núcleo para o citoplasma, onde os ribossomos traduzem o mRNA em proteína.

Os processos de transcrição e tradução são fisicamente separados pela membrana nuclear; a transcrição ocorre apenas dentro do núcleo, e a translação só ocorre fora do núcleo no citoplasma. A regulação da expressão gênica pode ocorrer em todos os estágios do processo ( Figura ). Regulação pode ocorrer quando o DNA desenrola-se e soltar-se do nucleossomas para ligar a factores de transcrição ( epigenética), quando o RNA é transcrito (nível transcricional), quando o RNA é processado e exportado para o citoplasma depois de transcrito ( nível pós-transcricional ), quando o RNA é traduzido em proteína (nível translacional) ou após a proteína ( nível pós-traducional ).

A ilustração mostra os passos da síntese de proteínas em três etapas: transcrição, processamento de RNA e tradução. Na transcrição, a cadeia de RNA é sintetizada pela RNA polimerase na direção 5 'para 3'. No processamento de RNA, um transcrito de RNA primário com três exons e dois introns é mostrado. Na transcrição combinada, os introns são removidos e os exons são fundidos. Uma capa 5 'e uma cauda poli-A também foram adicionadas. Na tradução, um RNAt iniciador reconhece a sequência AUG no mRNA que está associado à subunidade ribossômica pequena. A grande subunidade se junta ao complexo. Em seguida, um segundo ARNt é recrutado no local A. Uma ligação peptídica é formada entre o primeiro aminoácido, que está no sítio P, e o segundo aminoácido, que está no sítio A. O mRNA então muda e o primeiro tRNA é movido para o local E, onde se dissocia do ribossomo. Outro tRNA liga o site A e o processo é repetido.
Para entender melhor esse assunto veja também:

A expressão gênica eucariótica é regulada durante a transcrição e o processamento do RNA, que ocorre no núcleo, bem como durante a tradução da proteína, que ocorre no citoplasma. Outras regulações podem ocorrer através de modificações pós-traducionais de proteínas.

As diferenças na regulação da expressão gênica entre procariotas e eucariotas estão resumidas na Tabela .

Diferenças na regulação da expressão gênica de organismos procarióticos e eucarióticos
Organismos procarióticos Organismos Eucariotos
Núcleo de falta Conter o núcleo
Transcrição de RNA e tradução de proteínas ocorrem quase simultaneamente
  • A transcrição do RNA ocorre antes da tradução da proteína e ocorre no núcleo. A tradução do RNA para proteína ocorre no citoplasma.
  • O pós-processamento de RNA inclui adição de uma capa de 5 ‘, cauda poli-A e excisão de introns e splicing de exons.
A expressão gênica é regulada principalmente no nível transcricional A expressão gênica é regulada em muitos níveis (epigenético, transcricional, pós-transcricional, translacional e pós-traducional)
EVOLUÇÃO EM AÇÃO

Splicing de RNA alternativoNa década de 1970, os genes foram primeiro observados que exibiam splicing de RNA alternativo . Processamento alternativo de RNA é um mecanismo que permite que diferentes produtos de proteína a ser produzida a partir de um gene quando diferentes combinações de intrões (e às vezes exs) são removidos a partir do transcrito ( Figura).

Esse splicing alternativo pode ser aleatório, mas mais frequentemente é controlado e atua como um mecanismo de regulação gênica, com a freqüência de diferentes alternativas de splicing controladas pela célula como uma forma de controlar a produção de diferentes produtos proteicos em diferentes células, ou diferentes estágios de desenvolvimento. O splicing alternativo é agora entendido como um mecanismo comum de regulação gênica em eucariotos; De acordo com uma estimativa, 70% dos genes em humanos são expressos como múltiplas proteínas através de splicing alternativo.

Ilustração de segmentos de pré-mRNA com exons mostrados em azul, vermelho, laranja e rosa. Cinco modos básicos de splicing alternativo são geralmente reconhecidos. Cada segmento de pré-mRNA pode ser emendado para produzir uma variedade de novos segmentos de mRNA maduros; dois são mostrados para cada aqui. No caso do salto do exon, um exon pode ser separado ou retido. No caso de exons mutuamente exclusivos, um dos dois exons é retido nos mRNAs após o splicing, mas não ambos. No caso de um sítio doador alternativo, uma junção de junção alternativa 5 '(local doador) é usada, alterando o limite de 3' do exon a montante. No caso de um site aceptor alternativo, uma junção de junção alternativa 3 '(local do aceitador) é usada, alterando o limite 5' do exon a jusante. No caso de retenção de intrão, uma sequência pode ser dividida como um intrão ou simplesmente retida. Isto é distinto do salto do exon porque a sequência retida não é flanqueada por introns. A parte rosa é considerada um intron quando pulada (em cima) e um exon quando incluída (em baixo).
Existem cinco modos básicos de splicing alternativo. Segmentos de pré-mRNA com éxons mostrados em azul, vermelho, laranja e rosa podem ser emendados para produzir uma variedade de novos segmentos de mRNA maduros.

Como o splicing alternativo poderia evoluir? Os introns têm uma sequência inicial e final de reconhecimento, e é fácil imaginar a falha do mecanismo de splicing em identificar o fim de um intron e encontrar o fim do próximo intron, removendo assim dois introns e o exon interveniente. Na verdade, existem mecanismos para evitar que o exon seja ignorado, mas as mutações provavelmente levarão ao fracasso. Tais “erros” mais do que provavelmente produziriam uma proteína não funcional.

De fato, a causa de muitas doenças genéticas é o splicing alternativo, e não as mutações em uma sequência. No entanto, o splicing alternativo criaria uma variante de proteína sem a perda da proteína original, abrindo possibilidades de adaptação da nova variante a novas funções.

Resumo

contêm o mesmo DNA, nem todas as células dentro desse organismo expressam as mesmas proteínas. Os organismos procarióticos expressam o DNA inteiro que eles codificam em cada célula, mas não necessariamente todos ao mesmo tempo. As proteínas são expressas apenas quando são necessárias. Organismos eucarióticos expressam um subconjunto do DNA codificado em qualquer célula.

Em cada tipo de célula, o tipo e a quantidade de proteína são regulados pelo controle da expressão gênica. Para expressar uma proteína, o DNA é primeiro transcrito em RNA, que é então traduzido em proteínas. Nas células procarióticas, esses processos ocorrem quase simultaneamente. Nas células eucarióticas, a transcrição ocorre no núcleo e é separada da tradução que ocorre no citoplasma. A expressão gênica em procariontes é regulada apenas no nível transcricional.

Referências:

Glossário

splicing de RNA alternativo
um mecanismo de regulação gênica pós-transcricional em eucariotos nos quais múltiplos produtos protéicos são produzidos por um único gene através de combinações de splicing alternativo do RNA transcrito
epigenética
descrevendo fatores regulatórios não-genéticos, como alterações nas modificações de proteínas histonas e DNA que controlam a acessibilidade a genes em cromossomos
expressão genética
processos que controlam se um gene é expresso
pós-transcricional
controle da expressão gênica após a molécula de RNA ter sido criada, mas antes de ser traduzida em proteína
pós-traducional
controle da expressão gênica após a criação de uma proteína

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