Como ocorre a regulação da expressão gênica em procariotos?

Definição de “Expressão Gênica”: é o processo em que a informação codificada por um determinado gene (sequências de nucleotídeos do DNA), é decodificada em uma proteína. Teoricamente, a regulação em qualquer uma das etapas desse processo pode levar a uma expressão gênica diferencial. Ela ocorre em duas etapas bem distintas: a produção do RNAm (chamado de transcrição) e a síntese da proteína (chamado de tradução).

Com a definição clara do termo “expressão gênica”, podemos falar sobre a dessa expressão nos procariotos! Muitos estudantes sentem grande dificuldade nesse assunto, mas vocês verão que acaba sendo muito interessante quando você o compreende. Vamos aos estudos!

A regulação da expressão gênica foi estudada extensivamente em procariotos, especialmente Escherichia coli. Assim, compreendeu-se a evolução dos mecanismos genéticos altamente eficientes para regular a transcrição de genes específicos, conforme a necessidade da célula.

 François Jacob e Jacques Monod estudaram os genes envolvidos no metabolismo da lactose (Operon lac) e do triptofano (Operon trp) na E. coli, e viram que as bactérias respondem a mudanças em seu ambiente e se adaptam a ele, produzindo “enzimas adaptativas” (ou facultativas) somente em presença de determinados substratos químicos. Em experimentos mais recentes, foi descoberto um sistema que inibe a síntese de enzimas em resposta a moléculas presentes no meio ambiente.

Uma dessas enzimas é a β-galactosidase, que é produzida pela E. coli quando há o carboidrato lactose presente no meio. A β-galactosidase vai quebrar a lactose em galactose e glicose, e estes monossacarídeos fornecerão energia para a bactéria. Se não houver lactose no meio, a E. coli não produz a enzima β-galactosidase. É evidente que a expressão gênica, ou seja, a produção de proteínas como esta enzima, requer gasto de energia. A célula, sabiamente, poupa a produção de β-galactosidase se não houver necessidade pelo fato de não haver lactose para sofre o catabolismo. Esse é um exemplo de regulação da expressão gênica em procariotos.

Fig 1: catabolismo da lactose.

Além disso, as bactérias também regulam atividades gênicas que estejam relacionadas com a divisão celular e com diversas atividades celulares cuja regulação independe do ambiente – incluindo a replicação, a recombinação e a reparação de seu DNA.

Ok! Vimos anteriormente que François Jacob e Jacques Monod estudaram o operon. Mas o que é operon?

Operons são sequências lineares de DNA que as células procariontes possuem. Trata-se de um controlador do anabolismo (síntese) de enzimas pelos procariotos. Nesta postagem vamos tratar do Operon lactose (Operon lac).

O operon lac é composto basicamente por:

ØRegião Reguladora:

·uma sequência promotora.

·um gene operador.

ØGenes estruturais:

·lacZ (gene da β-galactosidase).

·lacY (gene da permease).

·lacA (gene da transacetilase).

Fig 2: esquema do Operon lac. Em amarelo, o gene repressor que será comentado mais adiante.

 A região reguladora coordena a expressão dos genes estruturais. Ela localiza-se à montante (à 5’) do grupamento gênico que ela controla. Como a região reguladora está na mesma fita que os genes referimo-nos a ela como sítio cis-atuante, e ela liga-se às moléculas que controlam a transcrição do grupamento de genes. Essas moléculas são chamadas de trans-atuantes. Os eventos que ocorrem nos sítios reguladores determinarão se as sequências de genes estruturais serão ou não transcritas e se enzimas serão ou não produzidas (traduzidas).

Dentro da região reguladora, como descrito acima, encontramos duas regiões:

ØSequência promotora (promotor)

É o sítio de ligação da RNA polimerase para a formação do mRNA. Ele determina então, onde se inicia a transcrição.

Ø Gene operador

É a região na qual se liga uma proteína repressora (expressa pelo gene repressor I, representado à montante ao promotor, mas que não é parte do operon lac) da expressão dos genes estruturais lacZ, lacY e lacA. Quando há a ligação dessa proteína repressora no operador, há inibição da ligação da RNA polimerase na sequência promotora. Então, a função da proteína repressora é justamente reprimir a ligação da RNA polimerase, e consequentemente, reprimir a transcrição e expressão dos genes estruturais à jusante. Falaremos mais dela posteriormente.

É importante ressaltar que nenhum dos genes envolvidos no controle da expressão gênica (descritos acima) sintetizam alguma molécula, ou seja, codifica alguma enzima necessária para o metabolismo da lactose. Quem codifica essas enzimas são os chamados genes estruturais.

ØGenes estruturais

Em procariotos, pode haver um ou mais genes estruturais que atuam como modelos para as proteínas. Na operon lac da E. coli, existem três desses genes estruturais: lacZ, lacY e lacA. Como já mencionado, cada um desses genes é capaz de codificar uma proteína, sendo que o gene laca que codifica a transacetilase não participa do metabolismo da lactose. Os três genes estruturais do operon lac são transcritos de uma só vez em um único mRNA policistrônico, o qual é simultaneamente traduzido por vários ribossomos nas três enzimas codificadas pelo operon.

Fig 3: expressão dos genes estruturais.

Havíamos falado que a função da proteína repressora era inibir a expressão dos genes estruturais, ligando-se no operador, certo? Mas não é somente isso. Ela também tem a capacidade de se ligar à lactose quando a mesma estiver presente no meio. Assim, ao invés de reprimir, ela atua como indutora da expressão gênica. Está confuso?

É o seguinte: a proteína repressora possui dois sítios de ligação. Um para que ocorra a ligação com o operador, e outro para que ocorra a ligação com a lactose. Se houver lactose disponível no meio, haverá a formação do completo proteína repressora+lactose (tratamos aqui como “complexo” já que a lactose não é metabolizada por essa proteína). 

Quando a lactose liga-se na proteína repressora, há modificação alostérica (conformacional) no seu outro sítio de ligação ao operador. Portanto, ela fica incapaz de se ligar ao operador, e o mesmo não inibe a ligação da RNA polimerase ao promotor. Ocorre então a transcrição e consequente expressão gênica. Quando toda a lactose presente na célula tenha sido catabolizada, a proteína repressora se liga ao operador e desliga o operon.

Fig 4: esquema completo de todos os componentes e participantes do sistema Opeon lac.

E se não houver lactose no meio, como a proteína repressora se comporta?

Ocorre que não há modificação alostérica, e a proteína repressora se liga normalmente no operador. Assim, o operador regula o promotor, inibindo que haja a transcrição e tradução.

Agora, vejamos a seguinte situação: a bactéria está em um ambiente que já contém grandes quantidades de glicose e gactose. Desta maneira, considerando que a glicose é a fonte de carbono preferida da E. coli, não seria interessante gastar energia para obter o que ela já tem, mesmo que esteja disponível no meio a lactose.

Devemos falar então de mais um componente molecular, chamado de proteína ativadora de catabólito (CAP – do inglês: catabolite activation protein), envolvida na efetiva repressão do Operon lac. A CAP exerce controle positivo sobre o Operon lac, e é uma proteína auxiliar, e ajuda a RNA polimerase a se ligar no promotor. Entretanto, ela só se promove este auxílio se houver grandes concentrações de um constituinte celular denominado adenosina monofosfato cíclico (cAMP), que é formado a partir do ATP. O cAMP se liga à CAP causando uma modificação alostérica nesta proteína, e complexo CAP+cAMP pode então auxiliar à ligação da RNA polimerase ao promotor. Este mecanismo ocorre na ausência de glicose, pelo seguinte fato:

Se não há glicose, consequentemente a célula está com pouco ATP. Bioquimicamente, a baixa do ATP provoca o aumento de AMP, e por isso há grandes quantidades de cAMP para que se ligue à CAP. O complexo formado então permite que a transcrição se inicie, porque ajuda a RNA polimerase a se ligar ao promotor. Certo?

Mas... voltando à situação de muita glicose e galactose. Neste caso, há muita produção de ATP, e pouco AMP. Assim, haverá também pouco cAMP, e então não há a formação do complexo CAP+cAMP. Desta forma, a RNA polimerase não consegue se ligar ao promotor, e é aí que ocorre a diminuição da transcrição e da tradução, já que a célula não precisa produzir enzimas que degradam a lactose e culminaria no aumento ainda mais de glicose. Seria um trabalho sem necessidade, e a célula compreende isso.

Vamos retomar tudo de uma maneira bem simples:

Na presença da lactose:

Ø Lactose se liga à proteína repressora.

ØA proteína repressor é inativada (sofre modificação alostérica).  

ØO gene operador fica desbloqueado.

ØA enzima RNA polimerase liga-se ao promotor.

ØOs genes estruturais são transcritos.

ØOcorre a expressão gênica (síntese das enzimas para o metabolismo da lactose).

Fig 5: Operon na presença de lactose.

Na ausência da lactose:

ØO gene regulador I determina a síntese da proteína repressor.

ØA proteína repressora se liga ao operador e bloqueia o promotor.

ØA enzima RNA polimerase não se liga ao promotor.

ØOs genes estruturais não são transcritos.

ØNão ocorre a síntese das três enzimas.

Fig 6: Operon na ausência de lactose.

Regulação adicional:

Na presença de glicose:

ØcAMP não se liga à proteína CAP.

ØNão há auxílio para a ligação da RNA polimerase ao promotor.

ØHá diminuição da transcrição e tradução.

Fig 7: Operon na presença de glicose.

Na ausência de glicose:

ØcAMP se liga à proteína CAP e promove modificação alostérica.

ØHá auxílio para a ligação da RNA polimerase ao promotor.

ØHá aumento da transcrição.

ØOcorre a síntese das três enzimas.

Fig 8: Operon na ausência de glicose.

 Extras:

Como na maioria das postagens para auxílio às disciplinas, trago a vocês vídeos de revisão. Espero que tenha ajudado! Qualquer dúvida, deixe nos comentários!

Ruberti, M. Regulação da Expressão Gênica em Procariontes - Sistema Operon da lactose. 2013.

Vídeos do youtube, citados acima. 

Como se dá a regulação gênica em Procariotos?

Como ocorre o controle da expressão gênica em Procariotos e em eucariotos?

Como ocorre a regulação da expressão gênica?

Qual a importância da regulação da expressão gênica nos Procariotos?