Como a expressão gênica é regulada?
Existem muitas formas de regulação gênica, isto é, mecanismos para controlar quais genes serão expressos e em que níveis. No entanto, muito da regulação gênica acontece durante a transcrição.
As bactérias têm moléculas reguladoras específicas que controlam se um gene determinado será transcrito em RNAm. Muitas vezes, essas moléculas atuam se ligando ao DNA próximo do gene e promovendo ou bloqueando a enzima da transcrição, RNA polimerase. Vamos analisar mais de perto a maneira como os genes são regulados nas bactérias.
Em bactérias, muitas vezes os genes são encontrados em operons
Em bactérias, genes relacionados são frequentemente encontrados agrupados no cromossomo, do qual podem ser transcritos por um promotor (sítio de ligação da RNA polimerase) como uma unidade. Esse conjunto de genes sob o controle de um único promotor é conhecido como operon. Operons são comuns em bactérias, mas são raros em eucariontes como os seres humanos .
Nota: O operon não é composto somente dos três genes. Em vez disso, ele também inclui o promotor e outras sequências que regulam a expressão dos genes.
Em geral, um operon contém genes que atuam em um mesmo processo. Por exemplo, um operon bem-estudado, chamado operon lac contém genes que codificam proteínas envolvidas na absorção e no metabolismo de um açúcar em particular, a lactose. Os operons permitem que a célula expresse, com eficiência, conjuntos de genes cujos produtos são requeridos simultaneamente.
Anatomia de um operon
Os operons não são compostos somente por sequências de genes codificadoras. Em vez disso, eles também têm sequências de DNA reguladoras que controlam a transcrição do operon. Tipicamente, essas sequências são sítios de ligação para proteínas reguladoras, que controlam o quanto o operon é transcrito. O promotor, ou sítio de ligação da RNA polimerase, é um exemplo de uma sequência reguladora de DNA.
Diagrama ilustrando que o promotor é o sítio de ligação da RNA polimerase. O promotor é encontrado no DNA do operon, anteriormente aos genes. Quando a RNA polimerase se liga ao promotor, ela transcreve o operon e produz os RNAm.
A maioria do operons apresenta outras sequências de DNA reguladoras além do promotor. Essas sequências são sítios de ligação de proteínas reguladoras que "ativam" ou "desativam" a expressão do operon.
Algumas proteínas reguladoras são repressoras que se ligam a segmentos do DNA chamados operadores. Quando ligado a seu operador, o repressor reduz a transcrição (por exemplo, impedindo a RNA polimerase de avançar sobre o DNA).
Algumas proteínas reguladoras são ativadores. Quando um ativador se liga a seu sítio de ligação, ele aumenta a transcrição do operon (por exemplo, ajudando a RNA polimerase a se ligar ao promotor).
Diagrama ilustrando como um ativador funciona. A proteína ativadora se liga a uma determinada sequência de DNA, nesse caso, imediatamente anterior ao promotor onde se liga a RNA polimerase. Quando um ativador se liga, ele auxilia a RNA polimerase a se ligar ao promotor (torna a ligação ao promotor mais energeticamente favorável). Isso leva a RNA polimerase a se prender firmemente ao promotor e a transcrever os genes do operon muito mais frequentemente, resultando na produção de muitas moléculas de RNAm.
De onde vêm as proteínas reguladoras? Assim como qualquer outra proteína produzida no organismo, elas são codificadas em genes presentes no genoma bacteriano. Os genes que codificam proteínas reguladoras são, algumas vezes, chamados de genes reguladores.
Muitas proteínas reguladoras podem ser "ativadas" ou "inativadas" por pequenas moléculas específicas. A pequena molécula se liga a proteína, alterando sua conformação e sua capacidade de se ligar a DNA. Por exemplo, um ativador pode se tornar ativo (capaz de se ligar a DNA) somente quando está ligado a uma determinada molécula.
Diagrama ilustrando a maneira como a atividade de um ativador hipotético pode ser modulada por uma pequena molécula. Quando a pequena molécula está ausente, o ativador está "desligado" - apresenta uma conformação que o impede de se ligar ao DNA. Quando adiciona-se a pequena molécula, ela se liga ao ativador alterando-lhe a conformação. Essa alteração na conformação torna o ativador capaz de se ligar a sua sequência-alvo do DNA e ativa a transcrição.
Operons podem ser induzíveis ou repressíveis
Alguns operons estão geralmente inativados, mas podem ser ativados por uma pequena molécula. Essa molécula é chamada de indutor, e do operon é dito ser induzível.
Por exemplo, o operon lac é um operon induzível que codifica enzimas para o metabolismo do açúcar lactose. Ele é ativado somente na presença do açúcar lactose (e outros açúcares, preferidos, estão ausentes). O indutor nesse caso é a alolactose, uma forma modificada de lactose.
Outros operons estão geralmente ativados, mas podem ser inativados Esses exemplos ilustram um ponto importante: que a regulação gênica permite que bactérias respondam a mudanças no meio através da alteração da expressão gênica (assim modificando o conjunto de proteínas presentes na célula).
por uma pequena molécula. A molécula é chamada de co-repressor, e do operon é dito ser repressível.
Por exemplo, o operon trp é um operon repressível que codifica enzimas para a síntese do aminoácido triptofano. Esse operon é expresso por padrão, mas pode ser reprimido quando altos níveis de triptofanos estão presentes. O co-repressor nesse caso é o triptofano.
Alguns genes e operons são expressos o tempo todo
Muitos genes desempenham funções especializadas e são expressos somente sobre condições determinadas, como descrito acima. No entanto, também existem genes cujos produtos são constantemente requeridos pela célula para manter funções essenciais. Esses genes constitutivos são expressos constantemente sob condições normais de crescimento ("constitutivamente ativados"). Genes constitutivos possuem promotores e outras sequências de DNA reguladoras que asseguram a expressão constante.
Via Khan Academy
Link: https://pt.khanacademy.org/science/biology/gene-regulation/gene-regulation-in-bacteria/a/overview-gene-regulation-in-bacteria
Referências:
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