Genetics for Dummies



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G
Tradução e adaptação do cap. 10 do livro “Genetics for Dummies”, de Tara Robinson, WIley Publishing Inc. 2005
enética Básica Bio-240.
Prof. Karla Yotoko 10/10/2007

Controle da Expressão Gênica

Introdução

Cada célula do seu corpo, com raríssimas exceções, carrega o conjunto completo de instruções que perfaz todo o seu corpo. Nas células de seus olhos há genes que fazem seu cabelo crescer. Nas células da sua pele há genes que determinam a cor dos seus olhos. Mesmo os genes supostamente ativos em certos tipos de células não estão ativos o tempo todo. Ao invés disso, estes genes são ligados apenas quando sua expressão é necessária e depois são desligados de novo, como quando você acende a luz do quarto pra procurar alguma coisa e depois desliga pra sair do quarto.

Esta aula tentará explicar porque, por exemplo, seu globo ocular não tem cabelos. Controlando a expressão gênica, a célula produz o que precisa no tempo certo. Todos os genes disponíveis não estão ativos o tempo todo e a expressão gênica é tecido-específica (o que significa que apenas alguns genes são ativados em um determinado tecido).

Primeiro caso de expressão gênica descrito – Operon Lac.

Bactérias cultivadas em laboratório da espécie E. coli apresentam um padrão bem interessante de utilização de nutrientes. Mais especificamente, na utilização de açúcares, estes organismos, sempre dão preferência à utilização de glicose, de modo que se houver glicose e outros açúcares, elas sempre utilizam a glicose. Com isso podemos dizer que:



  1. Se houver glicose e lactose no meio, a bactéria utiliza glicose

  2. Se houver apenas glicose no meio, a bactéria utiliza glicose

  3. Se houver apenas lactose no meio, a bactéria utiliza lactose.

Se pensarmos que a degradação tanto da glicose quanto da lactose depende de enzimas dentro da célula, podemos concluir que existem enzimas para metabolizar ambos os açúcares, mas que as enzimas para metabolizar a lactose só são ativadas na presença de lactose e na ausência de glicose.

Este mecanismo foi mais tarde explicado com a descrição do Operon Lac. Um operon é um transcrito de mRNA que carrega informação para a formação de mais de uma proteína. No caso do Operon Lac, as proteínas β-galactosidase e permease, entre outras, tem seu RNA transcrito num único transcrito.

Ora, sabemos que para ativar um gene é preciso transcrever o mRNA e este mRNA deve ser traduzido, de modo a formar as proteínas. Com isso, quando o Operon é transcrito, as proteínas podem ser traduzidas. Então, por que as proteínas que degradam a lactose não estão disponíveis sempre?

Porque o sítio promotor do Operon (no DNA) fica bloqueado por um repressor, que impede que a transcrição do mRNA ocorra. Quando presente no meio, a lactose se liga ao repressor, que imediatamente deixa o sítio promotor do Operon, permitindo que a RNA polimerase faça seu trabalho. Assista ao vídeo OperonLac presente no FTP para entender melhor esta história.

Você deve estar se perguntando sobre o papel da glicose nisso tudo. Pois é, o vídeo não mostra, mas a transcrição do Operon depende da presença de AMP cíclico na célula. O AMP é o último produto da degradação do ATP, a molécula que fornece energia para a célula. O AMP primeiro é quebrado em ADP e depois em AMP. Com isso, se há alta concentração de AMP na célula, é porque os níveis de energia estão baixos, ou seja, faltou glicose!

Mantendo os genes sob controle

Controle Espacial

Voltando para o mundo dos eucariotos, o controle da expressão gênica se inicia na formação do zigoto e se estende por toda a vida de um organismo. No início, todas as células são iguais, ou totipotentes (o que chamamos de células tronco, que podem se tornar qualquer tipo de célula do corpo). Em um determinado momento uma célula se especializa, ou seja, “decide” qual conjunto de genes poderá nela ser expresso e desliga permanentemente todos os demais.

Como isso acontece? Em Drosophila, alguns experimentos mostraram resultados interessantes: marcadores coloridos para determinados tipos de proteínas foram aplicados a ovos de Drosophila, e o resultado foi um ovo com listras coloridas, mostrando que diferentes partes do embrião continham proteínas diferentes. Estas proteínas promovem a transcrição de outros genes, que por sua vez promovem a transcrição de outros, numa cascata que culmina com a diferenciação das células e dos tecidos.


Figura 1: Ovo de Drosophila. As cores evidenciam que diferentes proteínas são expressas em diferentes localizações do embrião.

Neste caso, o desenvolvimento de diferentes estruturas em adultos de Drosophila depende da posição das diferentes células no embrião. Experimentos de trocas de segmentos depois de algumas horas após a fertilização do óvulo de Drosophila provocam o aparecimento de estruturas como antenas no lugar de pernas ou vice-versa. O mais interessante disso é que os genes que provocam a diferenciação em Drophila foram encontrados em outros animais, inclusive nos mamíferos.




Figura 2: Ovo e adulto de Drosophila. As diferentes cores indicam os genes homeóticos ativados em cada local do ovo que darão origem a diferentes estruturas nos adultos.



Figura 3: Curiosamente, os mesmos genes que acionam o desenvolvimento em Drosophila acionam o desenvolvimento em outros animais.


Controle temporal

Assim como diferentes genes são acionados em localidades diferentes no embrião, outros são acionados em tempos diferentes do desenvolvimento. As hemoglobinas dão um bom exemplo disso. Seu genoma contém um grande grupo de genes que codificam as hemoglobinas, que transportam o oxigênio ao longo do corpo. Durante o seu desenvolvimento, nove genes de globinas se combinam de maneira a formar três tipos de hemoglobina, que atuam em diferentes estágios de sua vida. Quando você era um embrião, e logo depois, um feto, você dependia completamente do oxigênio captado por sua mãe. Este oxigênio precisava atravessar uma membrana para chegar até você. Este processo é um tanto ineficiente, e esta ineficiência precisava ser compensada por uma grande afinidade por oxigênio por parte destas moléculas para sustentar o seu crescimento e desenvolvimento.




Figura 4. Os genes que produzem diferentes tipos de hemoglobinas são ligados na mesma ordem em que aparecem nos cromossomos.

Os genes que controlam a produção destas hemoglobinas estão nos cromossomos 11 e 16. Estes genes em ambos os cromossomos são acionados em ordem (5’ → 3’, figura 2) ao longo do tempo.

Nós sabemos que as hemoglobinas são sempre formadas por quatro polipeptídeos, formando um tetrâmero. Nossa primeira hemoglobina, durante as primeiras semanas de vida, é formada por duas cadeias épsilon e duas zeta (zeta 1 e zeta 2). Após este período, tanto a produção das cadeias épsilon quanto zeta cessam, e as cadeias alfa e gama começam a ser produzidas (de modo que temos hemoglobinas com duas cadeias alfa e duas gama). Esta é a nossa hemoglobina fetal. Quando o bebê nasce, a produção de globina gama decai enquanto a produção da globina beta aumenta. A combinação de duas cadeias alfa e duas beta compõe a hemoglobina adulta normal, ou hemoglobina A (HbA). O gene delta, localizado entre os genes gama e beta no cromossomo 11 produz um pequeno número de globinas delta em crianças e adultos. O produto da globina delta é chamado hemoglobina A2 (HbA2), normalmente perfaz menos de 3% do total de hemoglobinas adultas e é composto por duas cadeia alfa e duas delta.

Controle Ambiental:

Efeitos do calor Calor. Os organismos precisam responder rapidamente a alterações no ambiente. A indução gênica ocorre quando condições externas acionam genes. Respostas a luz e calor são dois tipos de indução particularmente bem conhecidos.

Quando um organismo é exposto a altas temperaturas, um conjunto específico de genes é colocado em ação para produzir proteínas de choque térmico. Sabemos que as proteínas são desnaturadas com a ação do calor (por exemplo, a cor da clara do ovo muda de cor e textura com o contato com altas temperaturas). As proteínas de choque térmico são produzidas por 20 diferentes genes que evitam que outras proteínas sejam desnaturadas. Estas proteínas também podem reparar danos em outras proteínas e fazê-las voltar a funcionar. Estes genes estão sempre em stand-by, prontos para entrar em ação assim que a temperatura aumenta muito. Estes genes também protegem contra os efeitos de estresses e poluentes.

Controle transcricional da expressão gênica

A maior parte do controle da expressão gênica em eucariotos ocorre durante a transcrição.

Na maior parte das vezes, quando um gene é acionado, ele está sendo transcrito. Se este gene for desligado, é porque a transcrição foi suspensa. A única maneira de produzir proteínas é pela produção de mRNA. A transcrição produz os mRNAs usados na tradução. Com isso, se a transcrição está ocorrendo, a tradução também está, e a expressão gênica está acionada. Quando a transcrição cessa, a expressão gênica é desligada também. A coordenação da transcrição é controlada por uma série de fatores que incluem:

1) Acessibilidade do DNA

2) Regulação por outros genes

3) Sinais enviados aos genes por outras células na forma de hormônios.



1) Acessibilidade do DNA

Os seus genes estão normalmente desligados, ou seja, só serão ligados se houver um estímulo pra isso. Este estado faz sentido se você se lembrar que quase todas as células do seu corpo contêm o genoma completo. É simplesmente impossível ligar todos os genes de todas as suas células ao mesmo tempo, é preciso especificar a ação gênica apenas nos tecidos onde esta ação é necessária. Portanto, manter a maior parte dos genes desligados é tão ou mais importante que ligar um pequeno conjunto de genes por célula.

Os genes são mantidos desligados de duas maneiras diferentes

A – O Empacotamento é um mecanismo muito efetivo de assegurar que a maior parte dos genes vai ficar desligada durante a maior parte do tempo, porque evita a transcrição de fatores que acessam diferentes genes. O DNA é uma molécula enorme, e a única maneira dele caber numa célula é mantê-lo compactado (ele se enrola nas histonas e forma os nucleossomos). Nesta forma ele não pode ser transcrito, já que os fatores de transcrição são incapazes de se ligar ao DNA para encontrar a fita molde e transcrevê-la.


Figura 5. Regiões de cromatina condensada e não condensada

Cromatina

condensada



Cromatina não condensada


B – Repressores. Em partes desempacotadas do DNA, algumas proteínas bloqueiam a transcrição se ligando nos mesmos sítios onde ocorre a ativação da transcrição ou interferindo na ação do grupo de enzimas que iniciam a transcrição (holoenzima). Em qualquer destes casos, os genes permanecem desligados.

No entanto, nem todos os genes podem ficar desligados pra sempre. Com isso, algumas seções do DNA podem ser acionadas caso necessário. Para acionar estas seções, o DNA precisa ser desempacotado. Para desfazer os nucleossomos, proteínas específicas precisam se ligar ao DNA. Várias proteínas, que incluem os fatores de transcrição, coletivamente conhecidos como complexos de remodelamento de cromatina, fazem o trabalho de disponibilizar o DNA de acordo com as necessidades do organismo. A maioria destas proteínas se liga a uma região próxima ao gene a ser ativado e empurra os nucleossomos para liberar o DNA. Assim que o DNA fica disponível, os fatores de transcrição começam seu trabalho.

Conforme explicado na aula de transcrição, ela se inicia quando um grupo de enzimas chamado holoenzima se liga à seqüência promotora. Seqüências promotoras são partes dos genes que controlam a transcrição, mas se encontram distantes deles. As proteínas ativadoras de transcrição são parte do conjunto. Estas proteínas ajudam a posicionar os componentes certos no momento certo da transcrição. Estes ativadores de transcrição também empurram os nucleossomos para manter o DNA livre para a transcrição.

2) Regulação por outros genes

Os genes são freqüentemente controlados pela ação de outros genes. Há quatro tipos de genes que gerenciam a atividade de outros.



Gerenciamento da Transcrição. Três tipos de genes atuam como agentes reguladores que aumentam as taxas de transcrição (enhancers, ou acentuadores) ou as diminuem (silencers, ou silenciadores), ou especificam os efeitos dos acentuadores ou silenciadores (insulators, ou isoladores).

Enhancers: Este tipo de seqüência inicia a transcrição e a acelera, fazendo que ela ocorra várias vezes mais rápido e com freqüência maior. Os acentuadores podem estar localizados antes da unidade de transcrição, depois dela ou no meio dela. Os acentuadores podem controlar genes a distâncias bem longas (vários milhares de bases). No entanto, estes elementos são tecido-específicos em suas atividades – eles somente influenciam genes normalmente ativados em um determinado tipo de célula.

Silencers: Servem para fazer com que a transcrição fique mais lenta ou cesse. Assim como os acentuadores, os silenciadores podem estar localizados há vários milhares de bases do gene que controlam. Os silenciadores mantêm o DNA empacotado e não disponível para a transcrição.

Insulators: às vezes chamados de elementos de ligação, estas seqüências têm um trabalho um pouco diferente. Elas protegem alguns genes dos efeitos de silenciadores e acentuadores, confinando a atividade destes elementos ao conjunto adequado de genes. Em geral esta proteção significa que o isolador precisa estar posicionado entre o acentuador (ou silenciador) e os genes que estão fora dos limites da ação destes elementos.

Como os acentuadores e silenciadores estão freqüentemente localizados há muitos pares de bases dos genes que controlam, a maioria dos geneticistas acredita que o DNA se dobra de forma a permitir que acentuadores e silenciadores se aproximem do gene que influenciam. A figura 3 ilustra a dobra.




Figura 6: dobra no DNA para que um acentuador (enhancer) possa acessar o gene sob seu controle.


3)Hormônios

Hormônios são substâncias complexas que controlam a expressão gênica. São secretados por diversos tecidos no cérebro, gônadas e outras glândulas ao longo do corpo. Eles circulam na corrente sanguínea e podem afetar tecidos localizados muito longe da área onde foram secretados. Neste sentido, podem afetar genes em vários tecidos simultaneamente. Essencialmente, hormônios atuam como uma chave geral para a regulação gênica para o corpo todo.

Alguns hormônios não podem cruzar as membranas das células diretamente, pois são moléculas grandes. Estas grandes moléculas se ligam a proteínas receptoras que transmitem sua mensagem através da transdução de sinal. Veja o filme do you tube sobre transdução de sinal: http://www.youtube.com/watch?v=tMMrTRnFdI4. Outros hormônios, como os esteróides, são solúveis em gorduras e pequenos, então passam diretamente pelas membranas e se ligam a proteínas receptoras. Esteróides e proteínas receptoras foram um complexo que entra no núcleo celular para atuar como um fator de transcrição que aciona genes específicos.

Genes que reagem a sinais hormonais são controlados por seqüência de DNA conhecidas como elementos de resposta a hormônios. Estes elementos se situam proximamente aos genes a serem transcritos e se ligam ao complexo receptor de hormônios. Vários destes elementos podem influenciar o mesmo gene. Na verdade, quanto maior for a quantidade de elementos presentes, mais rápido ocorrerá a transcrição.



Hormônios esteróides: Anabolizantes esteróides são formas sintéticas da testosterona, o hormônio que controla a masculinização. O aspecto anabólico destes esteróides refere-se ao aumento da massa muscula pelo aumento do número de células, e não pelo aumento das células, como acontece após o exercício. Há notícias do uso de anabolizantes esteróides tanto por atletas de alto nível quanto jovens freqüentadores de academias de ginástica.

Hormônios como a testosterona controlam a expressão gênica. Pesquisas sugerem que a testosterona exerce seus efeitos anabólicos reprimindo a atividade do gene que produz a proteínas p27, um supressor de tumor. (mutações no p27 foram vistas em uma forma de leucemia). Quando a quantidade de p27 diminui no tecido muscular, as células podem se dividir mais rapidamente. Defeitos em genes supressores de tumor como o p27 em geral são associados a câncer. Não só isso, mas alguns cânceres dependem de hormônios que fornecem sinais captados por células tumorais (para se multiplicar). Alguns trabalhos sugerem que anabolizantes esteróides são carcinogênicos. Além disso, esteróides obtidos de forma ilegal podem conter contaminantes potencialmente carcinogênicos, o que no fim das contas é introduzido no corpo junto com um repressor do gene supressor de tumor. Não é preciso ser um gênio pra adivinhar o quão perigoso isso pode ser. Cânceres associados a anabolizantes esteróides incluem o câncer de fígado, de testículo, de próstata e leucemia. Homens com histórico familiar de câncer de próstata ou de mama devem tomar cuidado especial.

Além de tudo isso, o uso de anabolizantes tem vários efeitos colaterais indesejados. Homens que possuem o gene para a calvície aparentemente apresentam o fenótipo mais cedo se usarem anabolizantes. Hormônios esteróides podem causar perda temporária da produção de esperma e crescimento de mamas. Essas drogas provocam o aumento da libido, mas diminuem a habilidade de manter uma ereção. Anabolizantes esteróides também aumentam a pressão sanguínea a níveis perigosos. Tem mais: homens que usam anabolizantes podem sofrer de ataques do coração e apresentam comportamento violento.


Convenções: Os elementos que interferem na transcrição do mRNA são divididos entre elementos de ação CIS e TRANS. Elementos de ação CIS são todos aqueles presentes na mesma molécula de DNA, podem ser proximais, como as seqüências promotoras ou distais, como os acentuadores e silenciadores. Elementos de ação TRANS são aqueles produzidos em outra molécula de DNA, em geral são proteínas que interagem com as seqüências de ação CIS, promovendo ou inibindo a síntese de mRNA, ou transcrição.


Depois da transcrição é possível haver controle da expressão gênica?

Sim! Após a transcrição pode ocorrer controle da expressão gênica!



Splice do RNA. O mRNA de eucariotos contém exons e íntrons, e os primeiros compõe a parte que de fato será traduzida em proteínas. Os íntrons são porções não codificadoras de DNA que se encontram entre os éxons. Antes de ocorrer a tradução do mRNA, os íntrons devem ser retirados, ou seja, o mRNA deve ser editado. Quando vários íntrons estão presentes no mesmo mRNA, várias combinações de éxons podem resultar do processo de edição, ou seja, várias proteínas podem ser formadas. Esta flexibilidade genética explica como pode ser produzida uma quantidade tão grande de proteínas com tão poucos genes.

Exemplo: Dscam. Um gene grande que tem 115 exons e pelo menos 100 sítios de “splice”. O Dscam pode ser transcrito em 30.016 proteínas diferentes. No entanto, a produção de proteínas do Dscam é regulada. Alguns dos produtos só são produzidos durante os primeiros estágios do desenvolvimento embrionário.


Figura 7: “Splice” alternativo de um transcrito com quatro éxons e três íntrons.


Silenciamento do mRNA

Depois que o mRNA é transcrito, os genes podem ser regulados através do silenciamento do mRNA. Silenciar o mRNA significa basicamente interferir com o mRNA de forma que não possa ser traduzido. O silenciamento é chamado de interferência. Este mecanismo não é usado unicamente para regular a expressão gênica do organismo, ele é usado também para proteger o organismo de genes de vírus. Quando as defesas do organismo detectam um vírus de RNA dupla-fita, uma enzima denominada Dicer é produzida. Esta enzima quebra o RNA em pedaços pequenos (de 20 a 25 pares de bases). Estes pedaços pequenos, chamados de pequenos RNAs interferentes (siRNAs) são então usados como armas contra RNAs virais. O RNA viral é então sumariamente destruído e degradado. Veja o vídeo sobre o silenciamento do mRNA por siRNA (http://www.youtube.com/watch?v=D-77BvIOLd0) .



Data de validade dos mRNAs

Depois que o mRNA é transcrito, editado (cap 5’, cauda poli-A) e tem seus íntrons retirados, é transportado para o citoplasma. Deste momento em diante, inicia-se a destruição do mRNA, já que as enzimas do citoplasma começam a atacá-lo assim que ele chega. mRNAs têm tempos de vida relativamente curtos, que dependem de uma série de fatores. Dentre estes fatores, a cauda poli-A parece ser o mais importante, já que quanto maior a cauda, mais tempo o mRNA dura.




Na aula de estrutura e replicação do DNA foi falado sobre as diferenças do DNA e do RNA. Uma destas diferenças era o fato do RNA conter uma molécula de oxigênio a mais que o DNA, o que torna a molécula mais reativa (ou menos estável). Outra diferença sempre ressaltada nos livros didáticos é o fato do RNA ter a base Uracila ao invés da Timina, presente no DNA. A principal diferença entre estas bases é que a Timina contém um grupo metil ausente na Uracila. Sabemos que a metilação ajuda a proteger o DNA da ação de nucleases (enzimas que quebram moléculas de ácidos nucléicos). Além disso, o DNA permanece no núcleo, onde fica protegido, enquanto o RNA migra para o citoplasma. Todas estas características, somadas ao fato de que moléculas de DNA são dupla-fita, enquanto as moléculas de RNA são simples-fita, sugerem que o DNA é uma molécula a ser protegida de modificações, que poderiam levar a mutações indesejadas, enquanto o RNA é, e precisa ser, uma molécula efêmera, com curto tempo de duração. Refletindo um pouco, o pequeno prazo de validade do RNA permite que a regulação gênica seja precisa, ou seja, uma determinada proteína só é produzida quando a transcrição do mRNA que a codifica é permitida, ou seja, regulada.


Controle gênico pelo controle da tradução

A tradução do mRNA em aminoácidos é um passo crítico na expressão gênica, mas às vezes os genes são regulados durante ou depois da tradução.



Local da tradução: A tradução de determinados genes só ocorre em alguns locais do citoplasma. Com isso, algumas proteínas que se encontram em locais específicos da célula. Embriões utilizam esta estratégia para o desenvolvimento. Proteínas são produzidas em diferentes lados do ovo para criar, por exemplo, a parte de frente e a de trás do embrião.

Modificações que ocorrem durante a tradução: Muitas vezes, a chegada do mRNA no citoplasma não é suficiente para que ocorra a tradução. Alguns genes são limitados por determinadas condições que evitam que a tradução ocorra. Por exemplo, um ovo não fertilizado contém muitos mRNAs produzidos pela fêmea. A tradução ocorre no óvulo não fecundado, mas é lenta e seletiva. Quando o espermatozóide entra no óvulo, várias modificações acontecem e estas modificações são causadas pela tradução do mRNA que já estava no citoplasma.

O controle da expressão gênica pelo controle da tradução pode ocorrer de duas maneiras:



  • A maquinaria que faz a tradução, como as proteínas de iniciação que interagem com os ribossomos, é modificada para aumentar ou diminuir a efetividade da tradução

  • O mRNA carrega uma mensagem que controla quando e onde será transcrito.

Todo mRNA carrega pequenas seqüências em suas extremidades 5’ que não são traduzidas, e estas sequencias podem levar mensagens a respeito do “timing” da tradução. As seqüências não traduzidas são reconhecidas por fatores de iniciação que ajudam o ribossomo a se ligar ao códon de inciação do mRNA.

Algumas células produzem mRNAs, mas atrasam sua tradução até que certas condições sejam atendidas. Algumas células respondem a níveis críticos de elementos químicos a que são expostas. Por exemplo, proteínas que precisam se ligar a moléculas de ferro só são traduzidas quando o ferro está disponível, mesmo que o mRNA seja produzido o tempo todo. Em outros casos, as condições do organismo enviam mensagens que controlam a tradução. Por exemplo, a insulina, hormônio que controla os níveis de açúcar no sangue, controla a tradução de alguns genes, que é bloqueada na ausência de insulina.

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Bibliografia:



Robinson, Tara. Genetics for Dummies, Cap. 10. Wiley Publishing Inc. 2005.


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