Estrutura G

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Estrutura Gênica e Definição de Termos

• Gene toda a seqüência de ácido nucléico que é
  necessária para a síntese de um polipeptídeo
  funcional ou molécula de RNA.
• Promotor a seqüência mínima necessária do DNA
  que é reconhecida pela RNA polimerase para que a
  transcrição se inicie corretamente. Faz parte do
  gene.
• Elementos Reguladores em Cis segmentos de DNA
  que antecedem a seqüência codificadora e regulam
  a iniciação da transcrição. Fazem parte do gene.
• Unidade de Transcrição segmento de DNA que
  codifica a seqüência no transcrito primário.

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Estrutura Gênica e Definição de Termos (2)

• Transcrição processo de formação de RNA a partir
  de uma fita molde de DNA.
• Splicing Corte seletivo do transcrito primário.
• Transcrito primário segmento de RNA com os
  introns e os exons.
• Exon segmento do DNA que é transcrito em RNA e
  traduzido em proteína.
• Intron Segmento de DNA que é transcrito para o
  RNA, mas é cortado antes da tradução.
• Tradução processo de formação de uma proteína
  nos ribossomos usando o RNAm para determinar a
  seqüência de aminoácidos.

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(No Transcript)
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EXPRESSÃO GÊNICA

• A expressão gênica é o processo em que a
  informação contida em um determinado gene é
  decodificada em uma proteína.
• Regulação da expressão gênica em qualquer uma das
  etapas do processo pode levar a uma expressão
  gênica diferencial.
• Expressão constitutiva ocorre para genes
  indispensáveis à sobrevivência, os quais
  expressam-se em todas as células, o tempo todo.

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Objetivos da regulação da expressão gênica

• Bactérias
• o controle da expressão gênica serve
  principalmente para permitir que as células se
  ajustem às mudanças nutricionais no ambiente, de
  forma que o seu crescimento e divisão sejam
  otimizados.
• Organismos multicelulares
• a expressão gênica controlada regula um programa
  genético fundamental para o desenvolvimento
  embrionário e a diferenciação.

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Expressão gênica em bactérias
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Operon de E. coli

• Operon
• Séries de genes que codificam para produtos
  específicos e os elementos reguladores que
  controlam esses genes.
• Lac operon
• Segmento de DNA necessário para a produção de
  enzimas responsáveis pelo metabolismo da lactose.

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Lac operon - Definição

• Genes estruturais para o metabolismo da lactose
  são expressos apenas quando a lactose está
  presente no meio de incubação da bactéria.
• Como o operon controla a expressão dos genes?
• Repressão
• Ativação

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Partes do Lac operon

• Operador (O)
• segmento do DNA no qual se liga uma proteína
  inibidora que bloqueia a transcrição.
• Promoter (P)
• segmento do DNA reconhecido pela RNA polimerase
  e que promove a transcrição.
• Genes estruturais (z, y, a)
• Genes que codificam para polipeptídeos
  específicos.

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Partes do Lac Operon
Seqüência que codifica a proteína repressora (i)
e seu promotor (p)
p promotor o operador z, y, a genes
estruturais
Lac operon
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Repressão

• Quando a lactose está ausente
• Um proteína repressora liga-se ao DNA na
  seqüência do operador (o) e impede a ligação da
  RNA polimerase ao DNA
• Resultado Não ocorre transcrição dos genes que
  codificam para as enzimas que metabolizam lactose
  (z, y, a).
• O controle da transcrição é devido ao gene
  regulador (i) que codifica para a produção da
  proteína repressora.
• A seqüência de DNA que codifica a proteína
  repressora (i) não faz parte do Lac operon.

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Ativação

• Início da transcrição só ocorre quando a
  proteína repressora é retirada.
• Quando a lactose está presente, liga-se à
  proteína repressora no operador (o)
• Resultado A proteína repressora desliga-se do
  DNA e a RNA polimerase pode iniciar a transcrição
  dos genes estruturais (z, y, a).
• Lactose é o indutor da expressão gênica, pois sua
  presença resulta na indução da expressão dos
  genes.

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REPRESSÃO
Ausência de lactose
Proteína repressora
ATIVAÇÃO
Presença de lactose
lactose
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Expressão Gênica em Eucariotos
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Expressão Gênica em Eucariotos

• Genomas são muito maiores em eucariotos do que
  em procariotos.
• DNA dos eucariotos está localizado em vários
  cromossomos ao invés de um único cromossomos
  circular dos procariotos.
• Os eucariotos são geralmente multicelulares,
• Diferentes tipos células precisam produzir
  diferentes proteínas
• Nem todos os genes serão expressos em todas as
  células.
• Não são encontrados operons nos eucariotos.

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Como uma célula eucariótica controla quais
proteínas que ela fabrica?

• Controlando quando e como um determinado gene é
  transcrito
• Controlando como um transcrito primário de RNA
  sofre o splicing ou é processado
• Selecionando quais RNAm são traduzidos
• Ativando ou inativando seletivamente as proteínas
  depois da sua síntese.
• Controlando a velocidade de degradação das
  proteínas ativas.

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Pontos de controle da expressão gênica em
eucariotos
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Morfogênese plantas vs. animais

• Animais
• Movimentos de células e tecidos são necessários
  no desenvolvimento embrionário para chegar à
  forma final do organismo.
• Continuidade do desenvolvimento nos adultos
  restrito à diferenciação de células continuamente
  repostas ao longo da vida.
• Plantas
• Morfogênese e crescimento ao longo de toda a vida
  da planta
• Meristemas apicais mantém-se com características
  embrionária, responsáveis pelo contínuo
  crescimento das plantas.

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Expressão gênica diferencial

• As diferenças entre células advém das diferença
  na expressão gênica (genes ligados e desligados),
  e não da diferença nos genomas.
• Evidências
• Equivalência Genômica todas as células de um
  organismo tem os mesmos genes.
• Totipotência células podem manter o potencial
  zigótico para formar todas partes do organismo
  maduro (células vegetais clonagem)
• Determinação restrição do potencial de
  desenvolvimento, resultando na limitação das
  possibilidades de desenvolvimento de cada célula
  à medida que o embrião se desenvolve alteração
  nos RNAm transcritos.

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Técnicas para detectarexpressão gênica
diferencial
Eletroforese bidimensional
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Determinação ? Diferenciação

• Determinação à medida que o embrião se
  desenvolve, o destino possível de cada célula
  torna-se mais limitado.
• Diferenciação especialização das células depende
  do controle da expressão gênica.
• Indução a habilidade de um grupo de células
  embrionárias em influenciar o desenvolvimento de
  outro determinantes citoplásmicos que regulam a
  expressão gênica. (efeito de vizinhança)
• Genes homeóticos genes que controlam o plano
  corporal global através do controle do destino de
  desenvolvimento de grupos de células.

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Diferenças na iniciação da transcrição entre
eucariotos e bactérias (1)

• RNA-polimerase
• Bactérias contêm um único tipo de
  RNA-polimerase,
• Células eucarióticas apresentam três tipos
• RNA-polimerase I ,
• RNA-polimerase II e
• RNA-polimerase III .
• Início da transcrição
• A RNA-polimerase bacteriana é capaz de iniciar a
  transcrição sem o auxílio de proteínas
  adicionais.
• As RNA-polimerases eucarióticas precisam da
  ajuda de várias proteínas os fatores gerais de
  transcrição.

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Diferenças na Iniciação da Transcrição em
Eucariotos e Bactérias (2)

• Seqüências reguladoras
• Em eucariotos, tais seqüências podem estar
  localizadas no DNA a milhares de pares de
  nucleotídeos distante do promotor de um gene
• Em bactérias, os genes são freqüentemente
  controlados por uma única seqüência regulatória,
  tipicamente localizada próxima ao promotor.
• A iniciação da transcrição em eucariotos deve
  levar em consideração a compactação do DNA nos
  nucleossomos e as formas mais compactas da
  estrutura da cromatina.

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As Três RNA-Polimerases das Células Eucarióticas

• RNA-polimerase I - transcreve os genes para
  rRNA.
• RNA-polimerase II - transcreve todos os genes
  que codificam proteínas, mais alguns genes que
  codificam pequenos RNAs (p.ex., aqueles presentes
  nos spliceossomos).
• RNA-polimerase III transcreve os genes de
  tRNAs, rRNA 5S e genes para pequenos RNAs
  estruturais.

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Fatores Gerais de Transcrição

• Os fatores gerais de transcrição são proteínas
  responsáveis
• pelo posicionamento correto da RNA-polimerase no
  promotor
• ajudam na separação das fitas de DNA, para
  permitir o início da transcrição e
• liberam a RNA-polimerase do promotor quando a
  transcrição se inicia.

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Etapas na formação do complexo de iniciação da
transcrição em eucariotos

• TFIID liga-se a região TATA, possibilitando a
  ligação de TFIIB.
• A seguir ligam-se o TFIIF e RNA-polimerase II.
• TFIIE, TFIIH e TFIIJ então se juntam ao complexo.
• TFIIH usa ATP para fosforilar a RNA-polimerase
  II, mudando a sua conformação e liberando a
  RNA-polimerase do complexo e
• Início da transcrição.

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Fatores de Transcrição Seletivos

• Os promotores isolados são geralmente
  ineficientes. Fatores de transcrição seletivos
  ligam-se à região upstream e a enhancers e
  aumentam a iniciação da transcrição.
• Proteínas adicionais (mediadores, coativadores)
  podem ser necessárias para estimular a
  transcrição.
• Proteínas que se ligam a seqüências de enhancer
  devem atuar de forma semelhante àquelas que se
  ligam próximas ao promotor.
• O DNA entre o enhancer e o promotor forma uma
  alça para permitir que as proteínas ativadoras
  ligadas ao enhancer façam contato com as
  proteínas ligadas ao promotor.
• As proteínas reguladoras da expressão gênica
  (repressores e ativadores) podem influenciar a
  iniciação da transcrição, mesmo quando estão
  ligadas no DNA a milhares de pares de
  nucleotídeos distante do promotor.

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Fatores de Transcrição Seletivos
Fatores de transcrição gerais
Fatores de transcrição seletivos
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Domínios Funcionais dos Fatores de Transcrição
Seletivos

• São seqüências de aminoácidos no fator de
  transcrição
• Domínio de ligação ao DNA - liga a proteína no
  sítio de ligação do DNA.
• Seqüências de localização nuclear necessárias
  para o transporte da proteína para dentro do
  núcleo.
• Domínio de ativação transcricional - realiza o
  contato com os fatores gerais de transcrição.
• Região de dimerização requerido para formar
  homo- ou heterodímeros com outras proteínas.
• Domínio de ligação de ligante necessário para
  ligação de composto que pode funcionar como
  ativador do fator.

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Motivos de ligação nos fatores de transcrição

• Homeodomínio consiste de três ?-hélices
  adjacentes. A maior parte do contato com as bases
  do DNA é feita pela hélice 3. Exemplos proteínas
  Hox e outras proteínas reguladoras do
  desenvolvimento.
• Dedo de zinco (Zinc finger) - Esse motivo é
  constituido de uma ?-hélice e uma ?folha ?
  pregueada unidas por um íon zinco. Exemplos
  receptores de hormônios esteróides, Sp1.
• Região básica e zíper de leucina (ou bZip) A
  região básica serve para o contato com o DNA e o
  zíper de leucina serve para a formação do dímero.
  Exemplos Fos, Jun (complexos Fos-Jun teriam
  função central na mediação de resposta nuclear a
  sinais na superfície celular)
• Hélice-alça-hélice Contém um motivo estrutural
  muito semelhante a b-zip, exceto que uma alça não
  helicoidal separa as duas ?-hélices em cada
  monômero. Exemplo MyoD (fator regulador
  importante na determinação e diferenciação de
  músculo).

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Zipper de leucina
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Genes Eucarióticos São Regulados por Combinação
de Proteínas

• A maioria das proteínas reguladoras de genes
  atuam como parte de um comitê de proteínas
  reguladoras, todas essenciais para a expressão de
  um determinado gene na célula correta, em reposta
  a uma dada condição, no tempo certo e no nível
  requerido.
• O termo controle combinatorial refere-se a forma
  como grupos de proteínas trabalham juntas para
  determinar a expressão de um único gene.

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Ação de fatores de transcrição gerais e seletivos
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Uma única proteína pode coordenar a expressão de
diferentes genes

• Embora o controle da expressão gênica em
  eucariotos seja combinatorial, o efeito de uma
  única proteína reguladora pode ser decisiva para
  ligar e desligar, simplesmente completando a
  combinação necessária para ativar ou reprimir um
  gene.
• Exemplo Em seres humanos, o receptor de
  glicocorticóide. Para se ligar aos sítios no DNA,
  o receptor precisa formar um complexo com uma
  molécula de um hormônio esteróide (p.ex.
  cortisol). Em resposta aos hormônios
  glicocorticóides, as células do fígado aumentam a
  expressão de vários genes.

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Efeito de uma única proteína reguladora na
diferenciação celular

• Estudos com células musculares em diferenciação,
  em meio de cultura, possibilitaram a
  identificação de proteínas reguladoras
  importantes, expressadas somente em células
  musculares, que coordenam a expressão gênica.
• Quando o gene que codifica uma dessas proteínas
  reguladoras, MyoD, é introduzido em fibroblastos,
  eles passam a se comportar como mioblastos e
  fundem-se para formar células semelhantes às
  musculares.

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Um Único Gene que Codifica uma Proteína
Reguladora Pode Estimular a Formação de um Órgão
Inteiro

• Estudos sobre o desenvolvimento de olho em
  Drosophila, camundongo e humanos mostraram que um
  único gene que codifica uma proteína reguladora
  (Ey em moscas e Pax6 em vertebrados) é crucial
  para o desenvolvimento do olho.
• Quando expressado num tipo celular apropriado, Ey
  pode desencadear a formação do órgão inteiro
  (olho), composto de diferentes tipos de células,
  todas corretamente organizadas no espaço
  tridimensional.

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Influência da Estrutura da Cromatina na
Transcrição em Eucariotos

• A maior parte do DNA em uma célula eucariótica
  está complexada nos nucleossomos e a estrutura
  espiralada dificulta o acesso de fatores de
  transcrição e da RNA-polimerase.
• A iniciação da transcrição depende da remoção
  dos nucleossomos da região promotora do gene.
• Durante a síntese de DNA, quando os nucleossomos
  são substituídos, poderia haver competição entre
  as histonas e os fatores de transcrição (p.ex.
  TFIID) pelos sítios promotores.
• A ligação e ruptura dos nucleossomos por
  ativadores.

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Empacotamento do DNA e a expressão gênica

• O empacotamento do DNA ao redor das histonas pode
  silenciar grandes trechos do genoma, às vezes de
  maneira não reversível em determinados tipos
  celulares.

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Ruptura e Reorganização do Nucleossomo

• Complexos poderiam estar envolvidos na ruptura
  dos nucleossomos
• Participação de fator GAGA e fator de
  remodelamento de nucleossomo (nucleosome-remodelin
  g factor, NURF)
• Participação do complexo SW1/SNF
• Existe uma boa correlação entre acetilação de
  histona e a atividade transcricional da
  cromatina.
• Competição entre histonas e fatores de
  transcrição poderia estar envolvida no controle
  da expressão gênica.

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Desmontagem dos nucleossomos

• Enquanto o TATA box está enovelado no
  nucleossomo, não se inicia a ligação dos fatores
  gerais de transcrição.

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Regiões Controladoras de Lócus (Locus Control
Regions, LCRs)

• Regiões controladoras de lócus (LCRs) são
  seqüências de DNA essenciais para o
  estabelecimento de uma configuração aberta da
  cromatina.
• Elas são capazes de inibir a transcrição normal
  de áreas relativamente grandes contendo vários
  genes. Um dos mais bem estudados é o LCR que
  controla a expressão tecido-específica da família
  de ?-globin.

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(No Transcript)
43
Expressão diferencial em função da etapa do
desenvolvimento
Vida intra-uterina
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Splicing diferencial do transcrito primário
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Metilação do promotor e inatividade gênica

• Em células sangüíneas vermelhas de humanos e de
  galinhas, o DNA que codifica para a síntese de
  globina está completamente (ou quase
  completamente) não-metilado.
• O gene de ovalbumina de galinha não está
  metilado nas células do oviduto, mas metilado nos
  outros tecidos.
• Nos somitos de camundongo, a demetilação de um
  enhancer de MyoD antecede a transcrição do gene
  MyoD e é essencial para a especificação dessas
  células como precursoras de músculo.

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Um pouco de regulação da expressão gênica nos
separa dos ...
Genomas 98,5 idênticos