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BACTERIOLOGIA – CAPÍTULO NOVE  

MECANISMOS GENÉTICOS REGULATÓRIOS  

Dr. Gene Mayer

Tradução: PhD. Myres Hopkins

 

  
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ESCOLA DE MEDICINA DA UNIVERSIDADE DA CAROLINA DO SUL
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APRENDA PLUGADO

LEITURA: Murray, et al. Medical Microbiology, 6th Ed., Chapter 3

  OBJETIVOS
Discutir a estrutura e transcrição de genes bacterianos
Descrever os mecanismos moleculares que a bactéria usa para regular a atividade gênica
Comparar e diferenciar Operons induzíveis e repressíveis
Descrever os mecanismos moleculares envolvidos na repressão catabólica e atenuação
Discutir maneiras que a bactéria usa para regular a atividade enzimática

REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA

Bactérias não fazem todas as proteínas que são capazes de fazer toda a hora. Ao invés disso, elas se adaptam ao ambiente e fazem somente aqueles produtos gênicos que são essenciais para a sobrevivência em um ambiente em particular. Por exemplo, bactérias não sintetizam as enzimas necessárias para fazer triptófano quando tem uma fonte abundante de triptófano no ambiente. Entretanto, quando o triptófano está ausente do meio ambiente as enzimas são feitas. Do mesmo modo, só porque uma bactéria tem o gene de resistência a um antibiótico isso não quer dizer que o gene irá se expressar. O gene de resistência vai ser expresso somente quando o antibiótico estiver presente no meio.

Bactérias normalmente controlam a expressão gênica pela regulação do nível de transcrição do RNAm. Em bactérias, genes com função relacionadas são geralmente localizados adjascentes um ao outro e eles são regulados de forma coordenada (i.e. quando um é expressado, todos os outros são também expressados). A regulação coordenadas de conjuntos de genes é conseguida pela regulação da produção de um RNAm policistrônico (i.e. um RNAm grande contendo a informação de vários genes). Assim, bactérias são capazes de "perceber" o seu ambiente e expressar o conjunto de genes apropriados para aquele ambiente através da regulação da transcrição daqueles genes.

PALAVRAS-CHAVES
Expressão gênica coordenada
RNAm policistrônico
Promotor
Operon
Operon induzível
Indutor
Gene estrutural
Gene regulatório
Repressor
Operador
Controle negativo
Repressão catabólica
Proteína CAP
Controle positivo
Operon repressível
 Co-repressor
Apo-repressor
Atenuação
Região lider
Inibição por retroalimentação (feedback)
Modificação epigenética

  Figura 1 
O operon lactose


 
Figura 2 Transcrição dos genes lac na presença e ausência da glucose

Genes induzíveis – O modêlo do operon

Definição
Um gene induzível é um gene que é expresso na presença de uma substância (um indutor) no ambiente. Esta substância pode controlar a expressão de um ou mais genes (genes estruturais) envolvidos no metabolismo daquela substância. Por exemplo, lactose induz a expressão dos genes lac que estão envolvidos no metabolismo da lactose. E certos antibióricos podem induzir a expressão de um gene que leva à resistência àquele antibiótico.

Indução é comum em vias metabólicas que levam ao catabolismo de uma substância e o indutor é normalmente o substrato da via.

Operon Lactose

Genes estruturais
O operon lactose (figura 1) contém três genes estruturais que codificam para enzimas envolvidas no metabolismo da lactose.

  • O gene lac z codifica para a β-galactosidase, uma enzima que degrada lactose a glucose e galactose

  • O gene lac y codifica para uma permease, que está envolvida na internalização da lactose

  • O gene lac a gene codifica para uma galactose transacetilase.

Esses genes são transcritos a partir de um promotor comum em um RNAm policistrônico, que é traduzido para produzir as três enzimas.

Gene regulatório
A espressão dos genes estruturais é influenciada não somente pela presença ou ausência do indutor, como também é controlada por um gene regulatório específico. O gene regulatório pode estar próximo ou distante dos genes que estão regulados. O gene regulatório codifica para um produto protêico específico chamado de REPRESSOR

Operador
O repressor age pela ligação a uma região específica do DNA chamada de operador, que está adjascente aos genes estruturais que estão sendo regulados. Os genes estruturais juntamente com a região do operador e o promotor são chamados em conjunto de OPERON. Entretanto, a ligação do repressor ao operador é impedida pelo indutor e o indutor pode também remover o repressor que já se ligou ao operador. Assim, na presença do indutor o repressor é inativo e não liga ao operador, resultando na transcrição dos genes estruturais. Contrariamente, na ausência do indutor o repressor é ativo e liga ao operador, resultando na inibição da transcrição dos genes estruturais. Esse tipo de controle é chamado de CONTROLE NEGATIVO, visto que a função do produto do gene regulatório (repressor) é de desligar a transcrição dos genes estruturais

Indutor
A transcrição dos genes lac é influenciada pela presença ou ausência de um indutor (lactose ou outros
β-galactosídeos) (Figura 2).

ex.

+ indutor

expressão

 

- indutor

Ausência de expressão

 

CHIME
 
Clique na image para ver uma estrutura rotatória da molécula do repressor lac ligado ao DNA do Operon lac . Requer Netscape e plug-in do Chime plug-in. Baixe o  Chime here)

 Figura  3 Repressão catabólica

Figura 4   Efeito da glucose na expressão de proteínas codificadas pelo operon lac
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Figura 5 Efeito da glucose na expressão de proteínas codificadas pelo operon lac

Repressão catabólica (Efeito Glucose)

Muitos operons induzíveis são controlados não somente por seus indutores respectivos, como também são controlados pelo nível de glusoce no ambiente. A habilidade da glucose de controlar a expressão de uma variedade de operons induzíveis é chamada de REPRESSÃO CATABÓLICA. Isso é ilustrado na Figura 3.

A repressão catabólica é geralmente vista naqueles operons que estão envolvidos na degradação de compostos usados como fonte de energia. Uma vez que glucose é a fonte de energia preferida em bactéria, a habilidade da glucose de regular a expressão de outros operons garante que a bactéria utilize a glucose antes de qualquer outra fonte de carbono como fonte de energia.

Mecanismo
Há uma relação inversa entre os níveis de glucose e AMP cíclico (AMPc) em bactéria. Quando os níveis de glucose são elevados os níveis de AMPc são baixos e quando os níveis de glucose são baixos os níveis de AMPc são altos. Essa relação existe porque o transporte de glucose para dentro da célula inibe a enzima adenil-ciclase, que produz AMPc. Na célula bacteriana AMPc se liga a uma proteína de ligação ao AMPc chamada CAP ou CRP. O complexo APMc-CAP (mas não a proteína livre CAP), se liga a um sítio nos promotores de operons sensíveis à repressão catabólica. A ligação do complexo resulta em um promotor mais eficiente e assim em mais iniciações de transcrição daquele promotor, como ilustrado nas Figuras 4 e 5. Visto que o papel do complexo CAP-AMPc é de ligar a transcrição, este tipo de controle é dito CONTROLE POSITIVO. As consequências deste tipo de controle é que para conseguir a expressão máxima de um operon sensível à repressão catabólica, a glucose precisa estar presente. Se ambos estão presentes, o operon não vai ser expresso em sua plenitute até que a glucose seja metabolizada. Obviamente, nenhuma expressão do operon irá ocorrer a menos que o indutor esteja presente.

 

  Figura 6
O operon triptófano

 

  Figura 7  O efeito do triptófano na expressão do operon trip

Genes repressíveis – O modelo do operon

Definição
Genes repressíveis são aqueles em que a presença de uma substância (um co-repressor) no ambiente desliga a expressão daqueles genes (genes estruturais) envolvidos no metabolismo daquela substância.

ex., Triptófano reprime a expressão dos genes trp.

Repressão é comum em vias metabólicas que levam à biossíntese de uma substância e o co-repressor é normalmente o produto final da via que está sendo regulada.

Operon triptófano

Genes estruturais
O operon triptófano (figura 6) contém cinco genes estruturais que codificam para enzimas envolvidas na síntese do triptófano. Esses genes são transcritos a partir de um promotor comum em um RNAm policistrônico, que é traduzido para produzir as cinco enzimas.

Genes regulatórios
A expressão dos genes estruturais é não somente influenciada pela presença do co-repressor, como também é controlada por um gene regulatório específico. O gene regulatório pode estar próximo ou distante dos genes que estão sendo regulados. O gene regulatório codifica para um produto protêico específico chamado de REPRESSOR (às vezes chamado de apo-repressor). Quando o repressor é sintetizado ele é inativo.
Entretanto, ele pode ser ativado ao se complexar com o co-repressor (ou seja, o triptófano).

Operador
O complexo repressor/co-repressor ativo age através da ligação a uma região específica do DNA chamada de operador, que está adjascente aos genes estruturais que estão sendo regulados. Os genes estruturais juntamente com a região do operador e o promotor são chamados em conjunto de OPERON. Assim, na presença do co-repressor o repressor é ativo e se liga ao operador, resultando na repressão da transcrição dos genes estruturais. Ao contrário, na ausência do co-repressor o repressor é inativo e não se liga ao operador, resultando na transcrição dos genes estruturais. Este tipo de controle é chamado de CONTROLE NEGATIVO, visto que a função do produto do gene regulatório (repressor) é de desligar a transcrição dos genes estruturais.

Co-repressor
A transcrição dos genes do triptófano é influenciada pela presença ou ausência de um co-repressor (triptófano) (Figura 7).

e.g.

 + co-repressor 

Ausência de expressão

 

- co-repressor 

expressão

 

  Figura 8  Mecanismo de atenuação  

genreg10.jpg (28284 bytes)  Figura 9  Formação de pareamentos e alças (grampos)

Atenuação

Em muitos operons repressíveis, a transcrição que se inicia no promotor pode terminar prematuramente em uma região lider que precede o primeiro gene estrutural. (i.e. a polimerase termina a transcrição antes de chegar ao primeiro gene do operon). Esse fenômeno é chamado de ATENUAÇÃO; o término prematuro da transcrição. Embora a atenuação seja vista em vários operons, o mecanismo é melhor entendido naqueles operons repressíveis envolvidos na biossíntese de aminoácidos. Nesses casos a atenuação é regulada pela disbonibilidade de um RNAt aminoacilado cognato.

Mecanismo (Ver Figura 8)
Quando a transcrição é iniciada no promotor, ela começa na verdade antes do primeiro gene estrutural e um transcrito lider é feito. Esta região líder contém um sinal de início e um sinal de parada da síntese protêica. Uma vez que a bactéria não tem uma membrana nuclear, a transcrição e tradução podem ocorrer simultaneamente. Assim, um pequeno peptídio pode ser feito enquanto a RNA polimerase está transcrevendo a região lider. O peptídio-teste contém alguns resíduos de triptófano no meio dele. Assim, se tem uma quantidade suficiente de triptofanil-t-RNA para traduzir o peptídio-teste, o peptídio inteiro será feito e o ribossoma vai chegar até o sinal de parada. Se, por outro lado, não tem bastante triptofanil-t-RNA para traduzir o peotídio, o ribossoma vai parar nos dois codons do triptófano antes de chegar ao sinal de parada.

A sequência no RNAm lider contém quatro regiões, as quais têm sequências complementares (Figura 9). Assim, estruturas diferentes secundárias “pareadas e em alça” podem ser formadas. Região 1 pode formar somente pareamento com a região 2; região 2 pode formar pareamento ou com a região 1 ou com a região 3; região 3 pode formar pareamento com a região 2 ou 4; e região 4 pode formar pareamento somente com a região 3. Assim, três estruturas pareamento/alça podem ser formadas no RNA.

região 1:região 2

região 2: região 3

região 3: região 4

Uma das estruturas possíveis (região 3 pareando com a região 4) gera um sinal para a RNA polimerase terminar a transcrição (i.e. para atenuar a transcrição). Entretanto, a formação de uma estrutura em pareamento e alça pode eliminar a formação das outras. Se a região 2 forma pareamento com a região 1 ela não está disponível para parear com a região 3. Da mesma forma, se a região 3 forma pareamento com a região 2 ela não está disponível para parear com a região 4.

A habilidade dos ribossomas de traduzir o peptídio-teste irá afetar a formação das várias estruturas em pareamento e alça (Figura 10). Se o ribossoma atinge o sinal de parada da tradução ele vai estar cobrindo a região 2 e assim a região 2 não vai estar disponível para formar pareamento com outras regiões. Isso permite a geração do sinal de término da transcrição porque a região 3 vai estar disponível para parear com a região 4. Assim, quando tiver bastante triptofanil-t-RNA para traduzir o peptídio-teste a atenuação vai ocorrer e os genes estruturais não serão transcritos. Ao contrário, quando tiver quantidadde de triptofanil-t-RNA insuficiente para traduzir o peptídio-teste não vai acontecer atenuação. Isso é porque o ribossomo vai parar nos dois codons de triptofano na região 1, permitindo portanto a região 2 parear com a região 3, impedindo a formação do sinal de atenuação (i.e. região 3 pareia com região 4). Assim, os genes estruturais vão ser transcritos.

 

 

  Figura 10   Mecanismo de atenuação
  REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA

Bactéria também tem maneiras de regular as atividades de suas enzimas.

Inibição por feedback (inibição por retroalimentação)
A atividade de enzimas bacterianas é frequentemente sujeita a inibição por feedback. Normalmente é o produto final de uma via que é o inibidor e a primeira enzima da via é a etapa que é regulada.

Modificação epigenética
As atividades de enzimas bacterianas podem também ser reguladas por modificações covalentes de enzimas. Tais modificações são chamadas de MODIFICAÇÕES EPIGENÉTICAS.

Ex. Adenilação da glutamina-sintetase

Fosforilação da glicogênio-sintetase

Normalmente essas modificações são reversíveis, de forma que as atividades das enzimas podem ser ligadas e desligadas.

 

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Esta página foi traduzida do original em inglês por Myres MTR Hopkins, PhD em Ciências (Genética – Universidade de São Paulo) e é mantida por Richard Hunt

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