controle da expressÃo gÊnica dalila l. zanette curso de verão em bioinformática
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CONTROLE DA EXPRESSÃO GÊNICA
DALILA L. ZANETTE
Curso de Verão em Bioinformática
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Proteínas: unidades funcionais e estruturais de todos os organismos
- Estrutura dos organismos
- Enzimas que catalisam as reações bioquímicas
- Hormônios
O DNA codifica as diferentes proteínas
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Nucleotídeo – unidade básica do DNA
Nucleotídeo : pentose (desoxirribose) + base nitrogenada + fosfato
Purinas
Pirimidinas
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Estrutura do DNA
Os nucleotídeos se ligam uns aos outros de forma linear – ligação fosfodiéster
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Estrutura do RNA
Pentose : ribose (diferente do DNA)
No lugar da timina, no caso do RNA, uracila
RNA mensageiro
sintetizado no núcleo a partir do DNA
TRANSCRIÇÃO
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Código genético
A cada 3 nucleotídeos no DNA, forma-se um CÓDON
Cada códon codifica um aminoácido, que é a unidade básica da estrutura das proteínas
A seqüência destes códons no DNA é copiada em RNA mensageiro
A seqüência dos aminoácidos, determinada pela sequência de códons é que dá origem às diferentes proteínas
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Códons
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Dogma central da biologia molecular
Proteínas
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Dogma central da biologia molecular
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Informação para síntese protéica
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Conceito de gene
Um segmento de DNA que tem a informação necessáriapara a síntese de uma proteína
Composto por :
- regiões codificantes – éxons
- regiões não-codificantes - íntrons
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Estrutura do gene
5` 3`
EXONS
INTRONS
As regiões codificadoras são chamadas de éxons e são alternadas
por regiões não-codificadoras, chamadas de íntrons
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Estrutura do gene
Posteriormente, ocorre o splicing para retirada dos introns, ficandosomente a parte codificadora do gene, para orientar a tradução da proteína
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DNA – igual para todas as célulasdo mesmo indivíduo
No entanto, temos tipos especializadosde células, que são bastante diferentes entre si
Além das diferentes células que temos,também existem diferentes situações nas quais nossas células são modificadasem resposta a um estímulo
Ex. uso de medicamentos, alteraçõeshormonais e doenças
Diferentes tipos celulares
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EXEMPLOS DE DIFERENTES CÉLULASCélula epitelial
Célula muscular
Neurônios Células do tecidoconectivo
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Organismos multicelulares
Síntese e acúmulo de diferentes RNAs e proteínastorna uma célula diferente da outra
Raras exceções, como os rearranjos que conferem a diversidadedo sistema imunológico
O que torna uma célula diferente da outra?
Apesar da sequência de DNA ser a mesma para todas as células
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1. Processos comuns a todas as células - proteínas em comum
Como as células diferem umas das outras ?
2. Algumas proteínas são encontradas somente em células altamente especializadas
3. RNAs mensageiros - qualidade e quantidade
4. Há outras diferenças além do RNA. Exemplo: fatores pós-traducionais
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Dogma central da biologia molecular
Igual para todas as células
Diferentes RNAs podemser gerados
Diferentes proteínas podemser geradas
Transcrição
Tradução
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- Antes da transcrição
-Após a transcrição (pós-transcricionais)
-Mecanismos pós-traducionais – vários
entre eles, mecanismos epigenéticos
Níveis de regulação da expressão gênica
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DNA RNA Proteína
Níveis de regulação da expressão gênica
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Antes da transcrição
Entre o DNA e o RNA
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• Fatores Trans-Atuantes
Genes que codificam estes fatores de regulação estão em outra região da molécula de DNA, tendo que migrar ao local de ação
• Fatores Cis-Atuantes
Seqüências reguladoras, região de ligação dos fatores trans-atuantes, estão na mesma molécula que o gene, ou transcrito de RNA, que está sendo regulado
Fatores cis e trans
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Fatores cis e trans
Fatores cis
Estão na fita de DNA. São as regiões reguladoras, como as regiõespromotoras dos genes, que são regiões que podem “ligar ou desligar”a expressão do gene
Fatores trans
Ligam-se ao DNA, mas provém de outra região do DNA, que os codifica paraagirem sobre os fatores em cis
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AtivadoresRepressoresReforçadoresElementos isolantes
Regiões reguladoras e regiões promotoras
Fatores cis e trans
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Início da transcrição: ATIVADORES – FATORES CIS
Ativadores – dois sítios
Forma mais simples
Ativadores:Atraem, posicionam emodificam os fatores de transcrição e a RNA pol II
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Enhacers ou reforçadoresaumentam a transcrição do gene
Podem agir à distância
Acima ou abaixo
O DNA faz uma alça
Ativadores que agem à distância
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Como os fatores de transcrição acessam o DNA-alvo ?
DNA – empacotado para ocupar menosespaço na célula
Organização de DNA, RNA e proteínas HISTONAS em um complexo chamadoCROMATINA
Histonas – proteínas que compõe a cromatina
Heterocromatina DNA condensado
Eucromatina – DNA estendido
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Estrutura do DNA : nucleossomos e cromatina
Nucleossomos: aproximadamente 147 nucleotídeos enrolados sobre um octâmerode histonas com 2 cópias de cada tipo de histona
Unidade básica da heterocromatinaNUCLEOSSOMOS
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Estrutura do DNA : cromossomos e cromatina
DNA dupla hélice
Nucleossomos Contas de colar
Os nucleossomos se enrolam
Cromossomo nasua forma estendida
Cromossomo nasua forma condensada
Cromossomo mitóticointeiro
Resultado : o cromossomo empacotado é 10.000 vezes menor do quesua forma estendida
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Ativadores podem modificar a cromatina
Organização em nucleossomos – Acesso dos fatores de transcriçãoatravés de modificações na cromatina
Para ativação das regiões promotoras, Ocorre recrutamento de histona-acetiliasese complexos de remodelagem da cromatina
Cromatina acetilada – ativa, desenrolada
Fácil acesso dos fatores de transcrição eda RNA polimerase II às regioes reguladorasdo gene
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Ativadores e cromatinaAtivador se liga ao DNA
Complexo de remodelagem da cromatina
Remodelagem da cromatina
Enzimas modificadoras das histonas: histona-acetilases
Modificação covalente das histonas
Outros ativadores
Outros ativadores ligados às regiões reguladoras
Fatores de transcrição e RNA pol II conseguem acessar o DNA
Montagem do complexo de iniciação no promotor
Outros ativadores e rearranjo das proteínas do complexo
INÍCIO DA TRANSCRIÇÃO
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Repressores
Repressão de grandes regiões - heterocromatina
Repressão local : várias maneiras, podendo haver:
1. Ativador e repressor competem pela mesma regiãoreguladora do DNA
2. O repressor se liga à região de ativação, mascarando-ae impedindo a ligação do ativador
3. O repressor interage com o complexo de transcriçãoantes que ele esteja pronto, impedindo seu funcionamento
4. Recrutamento de complexos de remodelagemde cromatina, que podem compactar o DNA
5. Os repressores recrutam histona-desacetilases, que vão inativar a cromatina, compactando-a
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Complexos de proteínas reguladoras
Geralmente ocorre formação de complexos distintos que se formam de formaespecífica frente à região de DNA apropriada
As proteínas reguladoras não têm função fixa, elas poderão agir como ativadoras ou repressoras dependendo da região que estão regulando
As unidades reguladoras que geram os complexos, vão se unir, formandouma determinada combinação que por sua vez, irá determinar se aquele complexoirá ativar ou reprimir a transcrição
Co-ativadores
Co-repressores
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Região de controle gênica
Região de controle gênica – todo o DNA envolvido na regulação de um gene
Quantidade de proteínas reguladoras de genes
Proteínas reguladoras
Sequencias reguladoras
DNA espaçador promotor
Fatores detranscrição
RNA POL II Proteínas reguladoras
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Controle pós-transcricional
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Processamento normal do RNA
SPLICING: retirada dos introns, ficam somente os exons
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Capeamento
- Logo após a transcrição- Ligação efetiva de 7-metilguanosina ao primeiro nucleotídeo 5’ do
transcrito de RNA.
Protege o transcrito do ataque da exonuclease 5’→3’Facilita o transporte do RNAm para citoplasmaPapel no encaixe da subunidade 40S dos ribossomos no mRNA
- Após o término da transcrição – clivagem terminal do RNA- Adição de cerca de 200 resíduos de adenilato . Facilitar transporte para o citoplasma
. Estabilizar o RNAm
. Facilita a tradução
Poli-adenilação
Processamento normal do RNA
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Cauda poli-A
AAAAAAAA 3’5’ m7G
5’ CAP
RNAm
Processamento normal do RNA
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Controle pós-transcricional : splicing alternativo
Combinações diferentes de éxons – um gene, várias proteínas
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Tipos de splicing alternativo
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Sequências de DNA transcritas como uma unidade que codificam um grupo de
proteínas semelhantes (isoformas)
Mecanismos de controle da expressão gênica podem gerar diferentes transcritos,variantes do mesmo gene, comoo mecanismo de splicing alternativo
Genes são sequências de DNA transcritas como uma unidade que geram uma determinada proteína
O que são os genes ?
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Regulação do transporte de RNA
O RNAm pode ir para locais específicos no citoplasma, próximo de onde a proteína atua
Região 3`- UTR é que quem regula esse direcionamento
Somente RNAm com estrutura de 5`cap e cauda poli–A vão para o citoplasma
Grande parte dos RNAs mensageiros nem saem do núcleo
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Estabilidade dos RNAs mensageiros
RNA mensageiro instável – codificam proteínas cujas taxas de produção mudam rápido dentro da célula
Fatores externos também influenciam
Degradação do RNAm – sequência do RNA
Encurtamento da cauda poli-A
Clivagem da cauda poli-A por endonucleases
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Mecanismos para a criação de células especializadas
As diferenças dramáticas que existem entre os diferentes tipos celulares é produzida por diferenças na expressão gênica
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Estudo da expressão gênica
Para ajudar a entender os mecanismos que tornam uma célula diferente
da outra, seja em organismos diferentes, tecidos diferentes ou situações
diferentes
O fato de que as células possuem diversos níveis de regulação da expressão
gênica indica sua importancia para definir os processos e funções de cada
tipo celular ou a resposta de cada célula a uma determinada situação
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Estudos globais da expressão gênica:Sequências pequenas de cada gene, que o identificam
Microarrays
SAGE
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Bibliotecas de ESTs: dados mais detalhados
Sequências grandes de DNA complentar, gerado a partir do RNA das células
Somente as sequências transcritas – EXPRESSED SEQUENCE TAGS
O maior número possível de sequências é gerado e sequenciado – BIBLIOTECA
Com objetivo de acumular toda a informação possível do TRANSCRIPTOMA
das células, ou seja, tornar conhecidas todas as sequências de DNA que são
transcritas em RNAm naquela célula