Regulação da Expressão Gênica

As células são especializadas em tarefas específicas. As proteínas produzidas em uma célula neural são diferentes das produzidas pelo linfócito. Ainda que as células neurais e linfócitos sejam diferentes na forma e função, carregam os mesmos genes.

A especialização celular ocorre através da regulação gênica: todas as células no organismo carregam a mesma informação genética, mas apenas um conjunto de genes é expresso em cada tipo celular. A regulação da expressão gênica pode ocorrer em diferentes níveis:

- transcrição

- processamento do mRNA (retirada dos Íntrons)

- transporte do mRNA

- estabilidade do mRNA

- tradução

- pós-traducional (fosforilação, glicosilação, metilação)

- interação com outras proteínas.

Estrutura do RNA Mensageiro

O mRNA funciona como molde para síntese de proteínas carrega a informação genética do DNA ao ribossomo e indica a ordem dos aminoácidos. O mRNA possui três regiões primárias: 5’ não traduzida (5’ UTR), uma sequência de nucleotídeos que não codifica aminoácidos; região codificadora da proteína, que compreende os Códons que especificam a sequência de aminoácidos, inicia com um start Códon e termina com um stop Códon; e 3’ não traduzida (3’ UTR), que afeta a estabilidade do mRNA e a tradução da sequência codificadora da proteína.

Processamento do Pré-mRNA

Nas células eucariotas a transcrição ocorre no núcleo, e a tradução ocorre no citoplasma, com isso, o RNA pode ser modificado antes de ser traduzido. O transcrito inicial é chamado pré-mRNA, e o transcrito maduro é denominado RNA.

O pré-mRNA é modificado na terminação 5’ pela adição de uma estrutura chamada cap 5’. Consiste na adição de um nucleotídeo extra na terminação 5’, da metilação pela adição de um grupo metil à base do nucleotídeo recém-adicionado e a adição de um grupo –OH no açúcar de um ou mais nucleotídeos. Proteínas reconhecem o cap 5’ e se ligam; um ribossomo liga-se a proteína e se move ao longo do RNA até que o start Códon é atingido e a transcrição se inicia. A presença do cap 5’ também aumenta a estabilidade do mRNA e influencia a remoção dos Íntrons.

O RNA maduro contém entre 50 a 250 adeninas na porção 3’, esta estrutura é chamada cauda polyA. Estes nucleotídeos não são codificados no DNA, mas são adicionados após a transcrição em um processo chamado poliadenilação. A cauda polyA confere estabilidade ao RNA, aumentando o tempo pelo qual o mRNA permanece intacto e disponível para a tradução antes da degradação.

Outra grande modificação que ocorre no pré-mRNA é a remoção dos Íntrons pelo processo chamado de splicing. O splicing requer a presença de três sequências no Íntron: o final do Íntron é chamado splice site 5’ e a outra terminação é o splice site 3; a terceira sequência é o branch point, que é uma adenina que está a 18 a 40 nucleotídeos do splice site 3’. A remoção de um Íntron é um processo em dois passos: (1) a terminação 5’ é clivada e ligada ao branch point; (2) a terminação 3’ é clivada e as duas terminações são unidas. Estas reações ocorrem em um complexo chamado spliceossomo, que consiste em diversas moléculas de RNA e proteínas.

Um processo que ocorre com frequência é o splicing alternativo, no qual um único pré-mRNA é processado em formas diferentes para produzir diferentes tipos de mRNA através da união de diferentes Códons, o que resulta na produção de diferentes formas de proteínas a partir de um único DNA.

Unidade de transcrição

A unidade de transcrição é de DNA codifica uma molécula de RNA e as sequências necessárias para sua transcrição. Na unidade de transcrição há três regiões críticas: região promotora, sequência codificadora de RNA e região de terminação.

O promotor é uma sequência de DNA reconhecida pelo aparato de transcrição, onde se liga, indicando a sequência a ser lida e a direção da transcrição. O promotor também determina o ponto inicial, isto é o primeiro nucleotídeo que será transcrito em RNA. Na região promotora encontram-se os elementos regulatórios, chamados elementos cis, que são sequências específicas da região promotora reconhecidas por fatores de transcrição –  sítio de ligação do complexo basal de inicio da transcrição. Na região promotora há também as sequências consenso.

Uma destas sequências é o TATA box, que tem uma sequência de nucleotídeos TATAAA e está localizada a -25 a -30bp antes do local de início da transcrição, o TATA Box determina o sítio de início da transcrição. Outras sequências consenso são o CAAT e GC boxes que regulam a frequência da transcrição.

Há outras estruturas que influenciam o processo de transcrição:

- enhancers: sequências específicas distantes da região promotora do gene que possuem a habilidade de elevar a taxa de transcrição gênica; estes elementos podem ser encontrados acima ou abaixo do gene, no meio dos Íntrons ou na região intragênica;

- silencers: semelhante aos enhancers, mas atuam inibindo a transcrição por três processos – (1) competição com o ativador no sítio de transcrição; (2) interação com o domínio de ativação; (3) interação com fatores de transcrição geral.

Processo de transcrição

O processo de transcrição compreende as fases de iniciação, alongamento e terminação. Inicialmente é necessária a formação do complexo basal de início da transcrição, onde as proteínas relacionadas com a transcrição reconhecem seus sítios. O complexo basal de início da transcrição é formado pela RNA polimerase e fatores de transcrição.

Posteriormente ocorre a iniciação, onde os ativadores transcricionais levam à ativação do complexo formado anteriormente. Ocorre então o escape do promotor, que é à saída da RNA polimerase II do promotor para iniciar a transcrição propriamente dita. Após a iniciação, ocorre o alongamento, que é a transcrição propriamente dita, ou seja, a síntese do mRNA a partir do molde de DNA. Finalmente ocorre a terminação, que se dá quando as sequências chamadas terminators são transcritas.

Modificações pós-traducionais

Além das modificações durante a transcrição, ocorrem modificações nas proteínas após a tradução. Muitas proteínas após serem sintetizadas, permanecem na célula em uma forma inativa. Para serem ativadas precisam sofrer modificações, tais como, fosforilação, metilação e glicosilação. Além disso, algumas proteínas só são ativas na forma de “multímeros” – homodímeros ou heretodímeros.

Outro fenômeno que influencia a expressão gênica é a degradação das proteínas. A degradação ocorre nos proteossomos que degradam proteínas ubiquitinizadas. A degração das proteínas é considerada o último passo no processo de regulação gênica.

Foram apresentados processos que influenciam na regulação gênica, com efeito final sobre o fenótipo.