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Regulação do gene: Eucariótica * # - Biologia


Regulação do gene eucariótico

Visão geral do regulamento

Conforme observado anteriormente, a regulamentação tem tudo a ver com a tomada de decisões. A regulação gênica, como um tópico geral, se relaciona com

decidindo

sobre a expressão funcional do material genético. Quer o produto final seja uma espécie de RNA ou uma proteína, a produção do produto final expresso requer processos que envolvem várias etapas. Passamos algum tempo discutindo algumas dessas etapas (ou seja, transcrição e tradução) e alguns mecanismos que a natureza usa para detectar informações celulares e ambientais para regular o início da transcrição.

Quando discutimos o conceito de promotores fortes e fracos, introduzimos a ideia de que regular a quantidade (número de moléculas) de um transcrito produzido a partir de um promotor em alguma unidade de tempo também pode ser importante para a função. Isso não deve ser totalmente surpreendente. Para um gene codificador de proteína, quanto mais transcrito é produzido, maior é o potencial para produzir mais proteína. Isso pode ser importante quando a produção de uma grande quantidade de uma determinada enzima é a chave para a sobrevivência. Em outros casos, a célula precisa apenas de um pouco de uma proteína específica e fabricar muito seria um desperdício de recursos celulares.

Aqui

, a célula pode preferir níveis baixos de transcrição. Promotores de diferentes forças podem acomodar essas necessidades variadas. Com relação ao número de transcrições, também mencionamos brevemente que a síntese não é a única forma de regular a abundância. Os processos de degradação também são importantes a serem considerados.

Nesta seção, acrescentamos a esses temas enfocando os processos regulatórios eucarióticos. Especificamente, examinamos - e às vezes reexaminamos - as várias etapas necessárias para expressar material genético em organismos eucarióticos em

o contexto de

regulamento. Queremos que você não apenas pense sobre os processos, mas também reconheça que cada etapa no processo de expressão também é uma oportunidade de ajustar não apenas a abundância de um transcrito ou proteína, mas também seu estado funcional, forma (ou variante), e / ou estabilidade. Cada um desses fatores adicionais também pode ser de vital importância a considerar para influenciar a abundância de variantes funcionais condicionalmente específicas.

Diferenças estruturais entre células bacterianas e eucarióticas que influenciam a regulação gênica

A marca registrada que define a célula eucariótica é o núcleo, uma membrana dupla que envolve o material hereditário da célula. Para ajustar o DNA do organismo de forma eficiente ao espaço confinado do núcleo, o DNA é primeiro empacotado e organizado pela proteína em uma estrutura chamada cromatina. Essa embalagem do material nuclear reduz o acesso a partes específicas da cromatina. Alguns elementos do DNA são tão compactados que a maquinaria transcricional não pode acessar sites reguladores como os promotores. Isso significa que um dos primeiros locais de regulação da transcrição em eucariotos deve ser o controle de acesso ao próprio DNA. As proteínas da cromatina podem ser sujeitas a modificação enzimática que pode influenciar se elas se ligam fortemente (acesso transcricional limitado) ou mais frouxamente (maior acesso transcricional) a um segmento de DNA

.

Este processo de modificação - seja qual for a direção

é considerado

primeiro - é reversível. Portanto, o DNA pode

ser sequestrado dinamicamente

e disponibilizados quando for "a hora certa".

A regulação da expressão gênica em eucariotos também envolve

alguns dos

mesmos mecanismos fundamentais adicionais discutidos no módulo sobre regulação bacteriana (ou seja, o uso de promotores fortes ou fracos, fatores de transcrição, terminadores, etc.), mas o número real de proteínas envolvidas é tipicamente muito maior em eucariotos do que bactérias ou arquéias.

O processamento enzimático pós-transcricional de RNA que ocorre no núcleo e a exportação do

mRNA

ao citosol existem duas diferenças adicionais entre a regulação de genes bacterianos e eucarióticos. Consideraremos esse nível de regulamentação com mais detalhes a seguir.

Descrição de algumas diferenças importantes entre os processos de expressão gênica bacteriana e eucariótica. Observe neste casoa presença dehistona e modificadores de histona, o splicing de pré-mRNAe a exportação do RNA maduro do núcleo como diferenciadores-chave entre os sistemas bacteriano e eucariótico.
Atribuição:Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Embalagem de DNA e marcadores epigenéticos

O DNA em células eucarióticasé precisamente ferido, dobrado e compactado em cromossomos para caber no núcleo. O núcleotambém organiza o DNAentão proteínas-chavepode acessar facilmente segmentos específicos dos cromossomoscomo necessário. As áreas dos cromossomos que estão mais compactadas serão mais difíceis de se ligarem às proteínas e, portanto, levarão à redução da expressão gênica dos genes codificados nessas áreas. Regiões fracamente compactadas do genoma serão mais fáceis de serem acessadas pelas proteínas, aumentando assim a probabilidade de queumagene será transcrito. Discutido aqui é como as células regulam a densidade da compactação do DNA.

Embalagem de DNA

O primeiro nível de organização, ou empacotamento, é o enrolamento das fitas de DNA em torno histona proteínas. As histonas empacotam e ordenam o DNA em unidades estruturais chamadas nucleossomos, que pode controlar o acesso de proteínas a regiões específicas do DNA. Sob o microscópio eletrônico, esse enrolamento de DNA em torno de proteínas histonas para formar nucleossomos se parece com pequenas contas em um fio. Essas contas (complexos de nucleossomos) podem se mover ao longo da cadeia (DNA) para alterar quais áreas do DNA são acessíveis ao maquinário de transcrição. Embora os nucleossomos possam se mover para abrir a estrutura do cromossomo e expor um segmento de DNA, eles o fazem de uma maneira muito controlada.

O DNA se dobra em torno das proteínas histonas para criar (a) complexos de nucleossomos. Esses nucleossomos controlam o acesso das proteínas ao DNA subjacente. Quando visto através de um microscópio eletrônico (b), os nucleossomos parecem contas em um fio. (crédito “micrografia”: modificação do trabalho de Chris Woodcock)

Modificação de histona

O modo como as proteínas histonas se movem depende dos sinais químicos encontrados nas proteínas histonas e no DNA. Esses sinais químicos são marcadores químicos adicionados às proteínas histonas e ao DNA que dizem às histonas se uma região cromossômica deve ser "aberta" ou "fechada". A figura abaixo mostra modificações nas proteínas histonas e no DNA. Essas tags não são permanentes, mas podemser adicionadoou removido conforme necessário. Eles são modificações químicas (grupos fosfato, metila ou acetila) que se ligam a aminoácidos específicos nas proteínas histonas ou aos nucleotídeos do DNA. As marcas não alteram a sequência de bases do DNA, mas elesFazalterar a rigidez do DNA em torno das proteínas histonas. O DNA é uma molécula carregada negativamente; portanto, as mudanças na carga da histona mudarão o quão fortemente enrolada será a molécula de DNA. Quando não modificadas, as proteínas histonas têm uma grande carga positiva; adicionando modificações químicas como grupos acetil, a carga se torna menos positiva.

Os nucleossomos podem deslizar ao longo do DNA. Quando nucleossomossão espaçadosintimamente juntos (topo), os fatores de transcrição não podem se ligar ea expressão do gene está ligadadesligado. Quando os nucleossomossão espaçadosdistante (parte inferior),o DNA está exposto. Fatores de transcrição podem se ligar, permitindo que a expressão gênica ocorra. As modificações nas histonas e no DNA afetam o espaçamento dos nucleossomos.


Possível NB Discussão Apontar

Na fase posterior de maturação das células espermáticas, as histonas (contendo um grande número de aminoácidos de lisina) são substituídas por protaminas, que são pequenas proteínas nucleares muito ricas em aminoácidos arginina. Este processo é considerado essencial para a condensação da cabeça do esperma e estabilização do DNA. Com base nessas informações, que comparações você pode fazer entre protaminas e histonas? Por que é significativo que haja um grande número de lisina e arginina nas histonas e protaminas? Por que razões você acha que as protaminas substituem as histonas no esperma, mas não em outras células?


Modificação de DNA

A própria molécula de DNA também pode ser modificada. Isso ocorre dentro de regiões muito específicas chamadasCpGilhas. Esses são trechos com alta frequência de pares de DNA de citosina e dinucleotídeo guanina (CG) frequentemente encontrados nas regiões promotoras dos genes. Quando esta configuração existe, o membro citosina do par pode ser metilado (um grupo metil é adicionado) Essa modificação muda a forma como o DNA interage com as proteínas, incluindo as proteínas histonas que controlam o acesso à região. Altamente metilado (hipermetilado) Regiões de DNA comdesacetiladoas histonas são fortemente enroladas e transcricionalmente inativas.

As mudanças epigenéticas não resultam em mudanças permanentes na sequência do DNA. Mudanças epigenéticas alteram a estrutura da cromatina (complexo proteína-DNA) para permitir ou negar acesso para transcrever genes. A modificação do DNA, como a metilação nos nucleotídeos da citosina, pode recrutar proteínas repressoras que bloqueiam o acesso da RNA polimerase para transcrever umgeneou podem ajudar a compactar o DNA para bloquear todo o acesso das proteínas a essa área do genoma. Essas alterações são reversíveis, ao passo que as mutações não são, no entanto, as alterações epigenéticas do cromossomo também podemser herdado.
Fonte:modificadoa partir de https: //researcherblogski.wordpress....r/Dudiwarsito/

Regulação da expressão gênica através da remodelação da cromatinaé chamadoregulação epigenética. Epigenética significa "em torno da genética". As mudanças que ocorrem nas proteínas histonas e no DNA não alteram a sequência de nucleotídeos e não são permanentes. Em vez disso, essas mudanças são temporárias (embora muitas vezes persistam por meio de várias rodadas de divisão celular e podemser herdado) e alterar a estrutura cromossômica (aberta ou fechada) conforme necessário.

Link externo

Assista a este vídeo que descreve como a regulação epigenética controla a expressão gênica.

Estrutura do gene eucariótico e processamento de RNA

Estrutura do gene eucariótico

Muitos genes eucarióticos, particularmente aqueles que codificam produtos de proteína,são codificadosno genoma descontinuamente.oregião de codificação está quebradaem pedaços por elementos de genes não codificantes intervenientes. Chamamos as regiões de codificação exons enquanto os elementos não codificantes intervenientessão denominadosíntrons. A figura abaixo descreve um gene eucariótico genérico.

As partes de um gene eucariótico descontínuo típico. Atribuição:Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Partes de um gene eucariótico genérico incluem elementos familiares como um promotor e terminador. Entre esses dois elementos, a região que codifica todos os elementos do gene que têm o potencial de

ser traduzido

(eles não têm códons de parada), como em sistemas bacterianos,

é chamado

o quadro de leitura aberto (ORF). Enhancer e / ou

silenciador

elementos são regiões do DNA que recrutam proteínas regulatórias. Eles podem estar relativamente próximos do promotor, como em sistemas bacterianos, ou a milhares de nucleotídeos de distância. Também presentes em muitos transcritos bacterianos, também existem regiões não traduzidas (UTRs) 5 'e 3'. Essas regiões do gene codificam segmentos do

transcrição,

que, como seus nomes indicam,

não são traduzidos

e sentar 5 'e 3', respectivamente, para o ORF. As UTRs normalmente codificam alguns elementos regulatórios críticos para regular a transcrição ou etapas de expressão gênica que ocorrem pós-transcricionalmente.

As espécies de RNA resultantes da transcrição desses genes também são descontínuas e devem, portanto

ser processado

antes de sair do núcleo para

ser traduzido

ou usado no citosol como RNAs maduros. Em sistemas eucarióticos, isso inclui splicing de RNA, capping 5 ', clivagem da extremidade 3' e poliadenilação. Essa série de etapas é um processo molecular complexo que deve ocorrer dentro dos limites fechados do núcleo. Cada uma dessas etapas oferece uma oportunidade para regular a abundância de transcrições exportadas e as formas funcionais que essas transcrições irão assumir. Embora esses sejam tópicos para cursos mais avançados, pense em como enquadrar

alguns dos

seguintes tópicos como subproblemas do Desafio de Design de regulação genética. Se nada mais,

passam a

aprecie a dança molecular altamente orquestrada que deve ocorrer para expressar um gene e como isso é uma parte impressionante de engenharia evolucionária.

5 'capping

Como nos sistemas bacterianos, os sistemas eucarióticos devem montar um complexo de pré-iniciação na sequência do promotor e em torno dela para iniciar a transcrição. Os complexos que se agrupam nos eucariotos têm muitas das mesmas funções dos sistemas bacterianos, mas são significativamente mais complexos, envolvendo muito mais proteínas regulatórias. Essa complexidade adicional permite maior regulação e montagem de proteínas com funções que ocorrem predominantemente em sistemas eucarióticos. Uma dessas funções adicionais é o "limite" de transcrições nascentes.

Em genes codificadores de proteínas eucarióticas, o RNA que é produzido pela primeira vez

é chamado

o pré-

mRNA

. O prefixo "pré" significa que esta não é a maturidade completa

mRNA

aquilo vai

ser traduzido

e que primeiro requer algum processamento. A modificação conhecida como 5'-capping ocorre após o pré-

mRNA

tem cerca de 20-30 nucleotídeos de comprimento. Nesse ponto, o pré-RNA normalmente recebe sua primeira modificação pós-transcricional, um cap 5 '. O "limite" é uma modificação química - um 7-

metilguanosina

- cuja adição ao final 5 'da transcrição

éenzimaticamentecatalizado

por várias enzimas chamadas complexo de enzima de cobertura (CEC), um grupo de várias enzimas que realizam etapas sequenciais envolvidas na adição do 5'-cap. A CEC liga-se à RNA polimerase muito cedo na transcrição e realiza uma modificação do 5 'trifosfato, a transferência subsequente de no GTP

para este fim

(conectando os dois nucleotídeos usando uma única ligação 5'-5 '), a metilação da guanina recém-transferida e, em alguns transcritos, as modificações adicionais dos primeiros poucos nucleotídeos. Este limite 5 'parece funcionar protegendo a transcrição emergente da degradação e

é rapidamente ligado

por proteínas de ligação de RNA conhecidas como o complexo cap-binding (CBC). Há algumas evidências de que essa modificação e as proteínas ligadas a ela desempenham um papel no direcionamento do transcrito para exportação do núcleo. Proteger o RNA nascente da degradação não é apenas importante para conservar a energia investida na criação do

transcrição

mas

está claramente envolvido

na regulação da abundância de

totalmente funcional

transcrever isso

é produzido

.

Além disso, o

papel do 5'-cap em orientar a transcrição para exportação ajudará diretamente a regular não apenas a quantidade de transcrição que

é feito

mas talvez

mais importante,

a quantidade de transcrição que

é exportado

ao citoplasma que tem o potencial de

ser traduzido

.

A estrutura de um típico 7metilguanilatoboné. Atribuição:Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Splicing de transcrição

As células devem processar os transcritos nascentes em RNAs maduros, juntando-se aos exons e removendo os íntrons intermediários. Elas

realizar isso

usando um

multi componente

complexo de RNA e proteínas denominado spliceossomo. O complexo spliceosome se reúne na transcrição nascente e na maioria das vezes as decisões sobre quais íntrons combinar em uma transcrição madura

são feitos

neste ponto. Como essas decisões

são feitosainda não está completamente entendido

mas envolve o reconhecimento de sequências de DNA específicas nos sítios de splice por RNA e espécies de proteínas e vários eventos catalíticos. É interessante notar que a porção catalítica do spliceossomo

é feito

de RNA em vez de proteína. Lembre-se de que o ribossomo é outro exemplo de

um RNA

-proteína complexo onde o RNA atua como o principal componente catalítico. A seleção de qual variante de splice fazer é uma forma de regular a expressão gênica.

Nesse caso

em vez de influenciar a abundância de uma transcrição, o splicing alternativo permite que a célula decida sobre qual

forma de uma transcrição que faz

.

As formas alternativas de splice de genes que resultam em produtos de proteína de estrutura relacionada, mas de funções variadas, são conhecidas

Como isoformas. A criação de

isoformas

é comum em sistemas eucarióticos e

é conhecido

ser importante em diferentes estágios de desenvolvimento em organismos multicelulares e na definição das funções de diferentes tipos de células.

Por

codificação múltipla

possível

produtos gênicos de um único gene cuja iniciação da transcrição

está codificado

a partir de um único local regulador da transcrição (por

tomando a decisão

cujo produto final deve ser produzido pós-transcricionalmente) evita a necessidade de criar e manter cópias independentes de cada gene em diferentes partes do genoma e locais reguladores independentes em evolução. Portanto, a capacidade de formar vários

isoformas

de uma única região de codificação deve ser evolutivamente

vantajoso

porque permite alguma eficiência na codificação do DNA, minimiza a complexidade regulatória da transcrição e pode diminuir a carga de energia de manter mais DNA e protegê-lo de mutações. Alguns exemplos de

possível

resultados de splicing alternativo podem incluir: a geração de variantes de enzimas com afinidade de substrato diferencial ou taxas catalíticas;

sequências de sinal que direcionam proteínas para vários compartimentos subcelulares podem ser alteradas

; funções inteiramente novas, por meio da troca de domínios de proteínas podem

Ser criado

. Estes são apenas alguns exemplos.

Um resultado adicional interessante do splicing alternativo é a introdução de códons de parada que podem, por meio de um mecanismo que parece exigir tradução, levar ao decaimento direcionado da transcrição. Isso significa que, além do controle do início da transcrição e do 5'-capping, também podemos considerar o splicing alternativo como um dos mecanismos reguladores que podem influenciar a abundância do transcrito. Os efeitos do splicing alternativo são, portanto, potencialmente amplos - desde a perda completa de função, passando por uma função nova e diversificada, até efeitos regulatórios.

Uma figura que descreve alguns modos diferentes de splicing alternativo, ilustrando como diferentes variantes de splicing podem levar a diferentes formas de proteína.
Atribuição:Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Clivagem da extremidade 3 'e poliadenilação

Uma modificação final é feitapara nascente pré-mRNAsantes de deixarem o núcleo - a clivagem da extremidade 3 'e sua poliadenilação.Este processo de duas etapas é catalisadopor duas enzimas diferentes (conforme ilustrado abaixo) e pode decorar a extremidade 3 'dos ​​transcritos com até quase 200 nucleotídeos. Esta modificação aumenta a estabilidade da transcrição.Geralmente, omaisComonopolyAmarcar o tempo de vida mais longo que a transcrição tem. opolyAtag também parece desempenhar um papel noexportação da transcriçãodo núcleo. Portanto, o 3 'polyAtag desempenha um papel na expressão do gene, regulando a abundância do transcrito funcional equanto é exportadodo núcleo para tradução.

Um processo de duas etapas está envolvidonomodificandoas extremidades 3 'das transcrições antes das exportações nucleares. Isso inclui transcrições de corte logo abaixo de uma sequência conservada (AAUAAA) e transferênciaadenilatogrupos. Ambos os processosestãoenzimaticamentecatalizado.
Atribuição:Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

MicroRNAs

Estabilidade de RNA emicroRNAs

Além das modificações do pré-RNA descritas acima e das proteínas associadas que se ligam ao nascente e transcrito, existem outros fatores que podem influenciar a estabilidade do RNA na célula. Um exemplo são os elementos chamadosmicroRNAs. omicroRNAs, oumiRNAs, são moléculas curtas de RNA que têm apenas 21-24 nucleotídeosem comprimento.omiRNAssão transcritosno núcleo como mais pré-miRNAs. Estes pré-miRNAssão posteriormente picadosem maduromiRNAspor uma proteína chamada dicer. Estes madurosmiRNAsreconhecer uma sequência específica de um RNA alvo por meio do emparelhamento de bases complementares.miRNAs, no entanto, também se associam a um complexo de ribonucleoproteína denominado complexo de silenciamento induzido por RNA (RISC). RISC liga um alvomRNA, juntamente com omiRNA, para degradar o alvomRNA. Juntos,miRNAse o complexo RISC destrói rapidamente a molécula de RNA. Como se poderia esperar, a transcrição de pré-miRNAse seu processamento subsequentetambém é estritamente regulamentado.

Exportação nuclear

Exportação nuclear

Totalmente processado, madurotranscrições,deveser exportadoatravés do núcleo.Não é surpreendente issoprocesso envolve a coordenação de uma espécie de RNA madura para a qualsão ligadosmuitas proteínas acessórias - algumas das quais têmesteve intimamente envolvidonas modificações discutidas acima - e um complexo de proteínas chamado de complexo de poro nuclear (NPC). O transporte através do NPC permitefluxode proteínas e espécies de RNA para se mover em ambas as direções eé mediadoporum número deproteínas.Este processo pode ser usadopara regular seletivamente o transporte de vários transcritos, dependendo de quais proteínas se associam ao transcrito em questão. Isso significa que nem todas as transcriçõessão tratadosigualmente pelo NPC - dependendo do estado de modificação e das proteínas que se associaram a uma espécie específica de RNA, ele podeser movidomais ou menos eficientemente através da membrana nuclear.Desde aa taxa de movimento através do poro irá influenciar a abundância de transcrições maduras queé exportadopara o citosol para controle de exportação de tradução é outro exemplo de uma etapa no processo de regulação do gene que podeser modulado. Além disso, pesquisas recentes implicaram interações entre o NPC e os fatores de transcrição emo regulamento deiniciação da transcrição, provavelmente por meio de algum mecanismo pelo qual os fatores de transcrição se ligam ao núcleoporos. Este último exemplodemonstracomo a regulação da expressão gênica está interconectada nas várias etapas desse processo complexo.

Conhecemos muitos detalhes adicionais dos processos descritos acima com algum nível de detalhe, mas ainda restam muitas questões para

ser respondido

. Por causa de

Bis2a

isto

é suficiente

para formar um modelo das etapas que ocorrem na produção de um transcrito maduro em organismos eucarióticos. Pintamos um quadro com traços bem amplos, tentando apresentar uma cena que reflita o que acontece

geralmente

em todos os eucariotos. Além de aprender as principais características de diferenciação da regulação do gene eucariótico, também gostaríamos que os alunos do Bis2a pensassem em cada uma dessas etapas como uma oportunidade para a Natureza regular a expressão do gene

de algum modo

e racionalizar como deficiências ou mudanças nessas vias - potencialmente introduzidas por meio de mutação - podem influenciar a expressão gênica.

Embora não tenhamos mencionado explicitamente o Desafio de Design ou a História de Energia

aqui

esses formalismos são igualmente adequados para ajudá-lo a entender o que está sendo descrito. Nós o encorajamos a tentar fazer uma história de energia para vários processos. Também encorajamos você a usar a avaliação do Desafio de Design para reexaminar as histórias acima: identificar problemas que precisam ser resolvidos; hipotetizar soluções potenciais e critérios para o sucesso. Use esses formalismos para cavar mais fundo e fazer novas perguntas / identificar novos problemas ou coisas que você não sabe sobre os processos, é o que os especialistas fazem. As chances são de que fazer este exercício sugerido o levará a identificar uma direção de pesquisa que alguém já realizou (você sentirá

bonito

inteligente sobre isso!). Alternativamente, você pode levantar alguma questão nova em que ninguém pensou ainda.

Controle da abundância de proteínas

Depois deumamRNAfoi transportadopara o citoplasma,está traduzidoem proteína. Controle deste processoé muito dependentena molécula de RNA. Conforme discutido anteriormente, a estabilidade do RNA terá um grande impacto em sua tradução em uma proteína. Conforme a estabilidade muda, oquantidade deo tempo em que está disponível para tradução também muda.

O complexo de iniciação e a taxa de tradução

Como a transcrição,a tradução é controlada por proteínascomplexos de proteínas e ácidos nucléicos que devem se associar ainiciaro processo. Em tradução,um dos primeiros complexos que deve ser montado para iniciar o processo é referidopara como o complexo de iniciação. A primeira proteína a se ligar aomRNAisso ajudainiciartraduçãoé chamadofator de iniciação eucariótica-2 (eIF-2).Atividade doeIF-2a proteína é controlada por vários fatores. O primeiro éindependente da respostaistoestá ligadoa uma molécula de GTP. Quando oeIF-2está ligadoparaGTPé consideradoser estarem uma forma ativa. oeIFA proteína -2 ligada ao GTP pode ligar-se à pequena subunidade ribossômica 40S. Quando vinculado, oeIF-2 / 40S complexo de ribossomo, trazendo com ele omRNAparaser traduzido, também recruta o iniciador de metioninatRNAassociados.Neste ponto, quandoo complexo de iniciadorestá montado,aGTPé hidrolisadono PIB, criando um"forma inativa deeIF-2 queé libertado, junto com o fosfato inorgânico, do complexo. Esta etapa, por sua vez,permite que a grande subunidade ribossomal 60S se ligue e acomece a traduziro RNA. A ligação deeIF-2 ao RNA controlado adicionalmente pela fosforilação da proteína. QuandoeIF-2éfosforilado, ele sofre uma mudança conformacional e não podeligarparaGTPassim, inibindo a formação do complexo de iniciação - a tradução é, portanto, inibida (veja a figura abaixo). No desfosforiladoEstadoeIF-2 pode ligar GTP e permitir a montagem do complexo de iniciação da tradução como descrito acima. A capacidade da célula, portanto, de sintonizar a montagem do complexo de convite de tradução por meio de uma modificação química reversível (fosforilação) em uma proteína reguladora é outro exemplo de como a Natureza tirou proveito até mesmo dissoaparentementepasso simples para a expressão do gene sintonizado.

Um aumento nos níveis de fosforilação deeIF-2 temfoi observadoem pacientes com doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e Huntington. Que impacto você acha que isso pode ter na síntese de proteínas?

Modificações químicas, atividade proteica e longevidade

Não para

ser superado

por ácidos nucleicos, as proteínas também podem

ser quimicamente modificado

com a adição de grupos incluindo grupos metil, fosfato, acetil e ubiquitina. A adição ou remoção desses grupos de proteínas pode regular sua atividade ou a

Comprimento de

vez que eles existem na célula. Às vezes, essas modificações podem regular onde uma proteína

seja encontrado

na célula - por exemplo, no núcleo, no citoplasma ou ligado à membrana plasmática.

As modificações químicas podem ocorrer em resposta a estímulos externos, como estresse, falta de nutrientes, calor ou exposição à luz ultravioleta.

Além de

regulando a função das próprias proteínas, se essas mudanças ocorrerem em proteínas específicas, elas podem alterar a acessibilidade epigenética (

no caso de

modificação da histona), transcrição (fatores de transcrição),

mRNA

estabilidade (proteínas de ligação de RNA) ou tradução (

eIF

-2) realimentando e regulando várias partes do processo de expressão do gene.

No caso de

modificação de proteínas regulatórias, esta pode ser uma maneira eficiente para a célula

mudar rapidamente

os níveis de proteínas específicas em resposta ao ambiente, regulando várias etapas

no processo

.

A adição de um grupo da ubiquitina tem outra função - marca essa proteína para degradação.

Ubiquitina

é uma pequena molécula que age como uma bandeira

indicando

que as proteínas marcadas devem

ser direcionado

a uma organela chamada proteassoma. Esta organela é um grande complexo multiproteico que funciona para clivar proteínas em pedaços menores que podem então

ser reciclado

.

Ubiquitinação

(a adição de

umaubiquitina

tag), portanto, ajuda a controlar a expressão gênica, alterando o tempo de vida funcional do produto proteico.

Proteínas comubiquitinatags são marcadaspara degradação dentro do proteassoma.

Em conclusão, vemos que a regulação gênica é complexa e quepode ser moduladoem cada passo emo processo deexpressar um produto gênico funcional.Além disso, oelementos reguladores que acontecem em cada etapa podem atuar para influenciar outras etapas regulatórias, tanto mais cedo quanto mais tarde no processo de expressão gênica (ou seja, o processo de alterar quimicamente um fator de transcrição pode influenciar a regulação de sua própria transcrição muitas etapas anteriores no processo). Esses conjuntos complexos de interação formamo que é conhecido comoredes regulatórias de genes. Compreender a estrutura e dinâmica dessas redes é fundamental para compreender como funcionam as diferentes células, a base paranumerosodoenças, processos de desenvolvimento e como as célulastomar decisõessobre como reagir a muitos fatoresnaquelaestão em fluxo constante, tanto dentro como fora.


Sincronização da expressão gênica em comunidades eucarióticas por meio de ritmos químicos

A sincronização é um fenômeno recorrente em neurociência, ecologia, ciências humanas e biologia. No entanto, controlar a sincronização em consórcios eucarióticos complexos em escalas espaço-temporais estendidas permanece um grande desafio. Aqui, para resolver esse problema, construímos um sistema sintético mínimo que converte diretamente os sinais químicos em uma expressão gênica coerente sincronizada entre as comunidades eucarióticas por meio de histerese dependente da taxa. Guiado por ritmos químicos, colônias isoladas de fermento Saccharomyces cerevisiae oscilar em sincronia quase perfeita, apesar da ausência de acoplamento intercelular ou oscilações intrínsecas. O aumento da velocidade dos ritmos químicos e a incorporação de feedback na arquitetura do sistema podem ajustar a sincronização e a precisão das respostas celulares em um conjunto de células em crescimento. Este mecanismo de sincronização permanece robusto sob estresse nos consórcios de duas cepas compostos por cepas sensíveis e produtoras de toxinas. As células sensíveis podem manter a sincronização espaço-temporal por longos períodos sob as dosagens rítmicas da toxina produzida pelas células killer. Nosso estudo fornece uma estrutura molecular simples para gerar coordenação global da expressão de genes eucarióticos por meio de um ambiente dinâmico.


Resumo da Seção

Nas células eucarióticas, o primeiro estágio do controle da expressão gênica ocorre no nível epigenético. Os mecanismos epigenéticos controlam o acesso à região cromossômica para permitir que os genes sejam ativados ou desativados. Esses mecanismos controlam como o DNA é empacotado no núcleo, regulando o quão firmemente o DNA é enrolado em torno das proteínas histonas. A adição ou remoção de modificações químicas (ou sinalizadores) para proteínas histonas ou sinais de DNA para a célula abrir ou fechar uma região cromossômica. Portanto, as células eucarióticas podem controlar se um gene é expresso controlando a acessibilidade a fatores de transcrição e a ligação da RNA polimerase para iniciar a transcrição.


Projeto de regulação da expressão gênica eucariótica usando aprendizado de máquina

Controlar a expressão de genes é um dos principais desafios da biologia sintética. Até recentemente, o controle ajustado estava fora de alcance, particularmente em eucariotos, devido à sua complexidade de regulação gênica. Com os avanços no aprendizado de máquina (ML) e, em particular, com o aumento dos tamanhos dos conjuntos de dados, os modelos que prevêem os níveis de expressão gênica a partir de sequências regulatórias podem agora ser construídos com sucesso. Esses modelos constituem a base dos algoritmos que permitem aos usuários projetar regiões regulatórias para atingir um nível específico de expressão gênica. Nesta revisão, discutimos estratégias para coleta de dados, codificação de dados, práticas de ML, escolhas de algoritmos de projeto e, finalmente, interpretação do modelo. Em última análise, esses desenvolvimentos fornecerão aos biólogos sintéticos blocos de construção genéticos altamente específicos para a engenharia racional de circuitos e vias complexas.

Palavras-chave: Projeto de DNA de expressão gênica eucariótica, regulação gênica, aprendizado de máquina biologia sintética.


Regulamento pós-tradução

Modificações Químicas

As proteínas podem ser quimicamente modificadas com a adição de grupos, incluindo grupos metil, fosfato, acetil e ubiquitina.

A adição ou remoção desses grupos de proteínas pode ter muitos efeitos e ser em resposta a muitas mudanças celulares. Por exemplo:

  • As modificações covalentes podem regular a atividade da proteína.
  • Às vezes, essas modificações podem regular onde uma proteína é encontrada na célula - por exemplo, no núcleo, no citoplasma ou ligada à membrana plasmática.
  • As modificações químicas ocorrem em resposta a estímulos externos, como estresse, falta de nutrientes, calor ou exposição à luz ultravioleta.
  • Essas mudanças podem alterar a acessibilidade epigenética, a transcrição, a estabilidade do mRNA ou a tradução - todas resultando em mudanças na expressão de vários genes.

Esta é uma maneira eficiente de a célula alterar rapidamente os níveis de proteínas específicas em resposta ao ambiente. Como as proteínas estão envolvidas em todos os estágios da regulação do gene, a fosforilação de uma proteína (dependendo da proteína que é modificada) pode alterar a acessibilidade ao cromossomo, pode alterar a tradução (alterando a ligação ou função do fator de transcrição), pode alterar o transporte nuclear ( influenciando modificações no complexo de poro nuclear), pode alterar a estabilidade do RNA (ligando-se ou não ao RNA para regular sua estabilidade), pode modificar a tradução (aumentar ou diminuir) ou pode alterar as modificações pós-tradução (adicionar ou remover fosfatos ou outras modificações químicas).

Degradação de proteínas

A adição de um grupo ubiquitina a uma proteína marca essa proteína para degradação. Ubiquitina atua como uma bandeira indicando que a vida útil da proteína está completa. Essas proteínas são movidas para o proteassoma, uma organela que funciona para remover proteínas, para serem degradadas. Uma forma de controlar a expressão do gene, portanto, é alterar a longevidade da proteína (Figura 12.6).


Resumo da Seção

Nas células eucarióticas, o primeiro estágio do controle da expressão gênica ocorre no nível epigenético. Os mecanismos epigenéticos controlam o acesso à região cromossômica para permitir que os genes sejam ativados ou desativados. Esses mecanismos controlam como o DNA é empacotado no núcleo, regulando o quão firmemente o DNA é enrolado em torno das proteínas histonas. A adição ou remoção de modificações químicas (ou sinalizadores) para proteínas histonas ou sinais de DNA para a célula abrir ou fechar uma região cromossômica. Portanto, as células eucarióticas podem controlar se um gene é expresso controlando a acessibilidade a fatores de transcrição e a ligação da RNA polimerase para iniciar a transcrição.


Biologia 171

Objetivos de aprendizado

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Compreenda o processo de tradução e discuta seus principais fatores
  • Descreva como o complexo de iniciação controla a tradução
  • Explique as diferentes maneiras em que ocorre o controle pós-tradução da expressão gênica

Após o RNA ter sido transportado para o citoplasma, ele é traduzido em proteína. O controle desse processo é amplamente dependente da molécula de RNA. Conforme discutido anteriormente, a estabilidade do RNA terá um grande impacto em sua tradução em uma proteína. Conforme a estabilidade muda, a quantidade de tempo disponível para tradução também muda.

O Complexo de Iniciação e Taxa de Tradução

Como a transcrição, a tradução é controlada por proteínas que se ligam e iniciam o processo. Na tradução, o complexo que se monta para iniciar o processo é denominado complexo de iniciação da tradução. Em eucariotos, a tradução é iniciada pela ligação do met-tRNAi de iniciação ao ribossomo 40S. Este tRNA é trazido para o ribossomo 40S por um fator de iniciação de proteína, fator de iniciação eucariótico-2 (eIF-2). A proteína eIF-2 liga-se à molécula de alta energia trifosfato de guanosina (GTP). O complexo tRNA-eIF2-GTP então se liga ao ribossomo 40S. Um segundo complexo se forma no mRNA. Vários fatores de iniciação diferentes reconhecem o cap 5 & # 8242 do mRNA e proteínas ligadas à cauda poli-A do mesmo mRNA, formando o mRNA em uma alça. A proteína cap-binding eIF4F traz o complexo de mRNA junto com o complexo de ribossomo 40S. O ribossomo então faz a varredura ao longo do mRNA até encontrar um códon inicial AUG. Quando o anticódon do tRNA iniciador e o códon de início estão alinhados, o GTP é hidrolisado, os fatores de iniciação são liberados e a grande subunidade ribossômica 60S se liga para formar o complexo de tradução. A ligação de eIF-2 ao RNA é controlada por fosforilação. Se o eIF-2 for fosforilado, ele sofre uma mudança conformacional e não pode se ligar ao GTP. Portanto, o complexo de iniciação não pode se formar adequadamente e a tradução é impedida ((Figura)). Quando o eIF-2 permanece não fosforilado, o complexo de iniciação pode se formar normalmente e a tradução pode prosseguir.


Um aumento nos níveis de fosforilação de eIF-2 foi observado em pacientes com doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e Huntington. Que impacto você acha que isso pode ter na síntese de proteínas?

Modificações químicas, atividade proteica e longevidade

As proteínas podem ser quimicamente modificadas com a adição de grupos, incluindo grupos metil, fosfato, acetil e ubiquitina. A adição ou remoção desses grupos das proteínas regula sua atividade ou o tempo de existência na célula. Às vezes, essas modificações podem regular onde uma proteína é encontrada na célula - por exemplo, no núcleo, no citoplasma ou ligada à membrana plasmática.

As modificações químicas ocorrem em resposta a estímulos externos, como estresse, falta de nutrientes, calor ou exposição à luz ultravioleta.Essas mudanças podem alterar a acessibilidade epigenética, a transcrição, a estabilidade do mRNA ou a tradução - todas resultando em mudanças na expressão de vários genes. Esta é uma maneira eficiente de a célula alterar rapidamente os níveis de proteínas específicas em resposta ao ambiente. Como as proteínas estão envolvidas em todos os estágios da regulação do gene, a fosforilação de uma proteína (dependendo da proteína que é modificada) pode alterar a acessibilidade ao cromossomo, pode alterar a tradução (alterando a ligação ou função do fator de transcrição), pode alterar o transporte nuclear ( influenciando modificações no complexo de poro nuclear), pode alterar a estabilidade do RNA (ligando-se ou não ao RNA para regular sua estabilidade), pode modificar a tradução (aumentar ou diminuir) ou pode alterar as modificações pós-tradução (adicionar ou remover fosfatos ou outras modificações químicas).

A adição de um grupo ubiquitina a uma proteína marca essa proteína para degradação. Ubiquitina atua como uma bandeira indicando que a vida útil da proteína está completa. Essas proteínas são movidas para o proteassoma, uma organela que tem a função de remover proteínas, para serem degradadas ((Figura)). Uma forma de controlar a expressão do gene, portanto, é alterar a longevidade da proteína.


Resumo da Seção

Mudar o status do RNA ou da própria proteína pode afetar a quantidade de proteína, a função da proteína ou por quanto tempo ela é encontrada na célula. Para traduzir a proteína, um complexo de iniciador de proteína deve se reunir no RNA. Modificações (como fosforilação) de proteínas neste complexo podem impedir que a tradução adequada ocorra. Uma vez que a proteína foi sintetizada, ela pode ser modificada (fosforilada, acetilada, metilada ou ubiquitinada). Essas modificações pós-tradução podem ter um grande impacto na estabilidade, degradação ou função da proteína.

Art Connections

(Figura) Um aumento nos níveis de fosforilação de eIF-2 foi observado em pacientes com doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e Huntington. Que impacto você acha que isso pode ter na síntese de proteínas?

(Figura) A síntese de proteínas seria inibida.

Resposta livre

A modificação de proteínas pode alterar a expressão gênica de várias maneiras. Descreva como a fosforilação de proteínas pode alterar a expressão gênica.

Como as proteínas estão envolvidas em todos os estágios da regulação do gene, a fosforilação de uma proteína (dependendo da proteína que é modificada) pode alterar a acessibilidade ao cromossomo, pode alterar a tradução (alterando a ligação ou função do fator de transcrição), pode alterar o transporte nuclear ( influenciando modificações no complexo de poro nuclear), pode alterar a estabilidade do RNA (ligando-se ou não ao RNA para regular sua estabilidade), pode modificar a tradução (aumentar ou diminuir) ou pode alterar as modificações pós-tradução (adicionar ou remover fosfatos ou outras modificações químicas).

Formas alternativas de uma proteína podem ser benéficas ou prejudiciais para uma célula. O que você acha que aconteceria se uma proteína alternativa se ligasse à UTR 3 & # 8242 de um RNA e fizesse com que ele se degradasse?

Se o RNA se degradasse, menos proteína que o RNA codifica seria traduzida. Isso pode ter implicações dramáticas para a célula.

Mudanças nas modificações epigenéticas alteram a acessibilidade e a transcrição do DNA. Descreva como os estímulos ambientais, como a exposição à luz ultravioleta, podem modificar a expressão do gene.

Estímulos ambientais, como a exposição à luz ultravioleta, podem alterar as modificações nas proteínas histonas ou no DNA. Tais estímulos podem mudar um gene transcrito ativamente em um gene silenciado removendo grupos acetil de proteínas histonas ou adicionando grupos metil ao DNA.

Um cientista descobre um vírus que codifica uma proteína X que degrada uma subunidade do complexo eIF4F. Sabendo que esse vírus transcreve seus próprios mRNAs no citoplasma das células humanas, por que a Proteína X seria um fator de virulência eficaz?

A degradação do complexo eIF4F impede que o complexo de pré-iniciação (eIF-2-GTP, tRNAi-Met e subunidade ribossômica 40S) seja recrutado para o limite 5 'de mRNAs maduros na célula. Isso permite que o vírus sequestre a máquina de tradução da célula humana para traduzir seus próprios transcritos de mRNA (sem limite).

Glossário


Biologia 171

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Entenda o splicing de RNA e explique seu papel na regulação da expressão gênica
  • Descreva a importância da estabilidade do RNA na regulação gênica

O RNA é transcrito, mas deve ser processado em uma forma madura antes que a tradução possa começar. Este processamento que ocorre depois que uma molécula de RNA foi transcrita, mas antes de ser traduzida em uma proteína, é chamado modificação pós-transcricional. Tal como acontece com os estágios epigenéticos e transcricionais de processamento, esta etapa pós-transcricional também pode ser regulada para controlar a expressão gênica na célula. Se o RNA não for processado, transportado ou traduzido, nenhuma proteína será sintetizada.

Splicing de RNA, o primeiro estágio do controle pós-transcricional

Em células eucarióticas, o transcrito de RNA geralmente contém regiões, chamadas de íntrons, que são removidas antes da tradução. As regiões do RNA que codificam para proteínas são chamadas de exons. ((Figura)). Depois que uma molécula de RNA foi transcrita, mas antes de sua partida do núcleo a ser traduzido, o RNA é processado e os íntrons são removidos por splicing. O splicing é feito por spliceossomos, complexos de ribonucleoproteína que podem reconhecer as duas extremidades do íntron, cortar o transcrito nesses dois pontos e reunir os exons para a ligação.


Splicing alternativo de RNA Na década de 1970, foram observados pela primeira vez genes que exibiam splicing alternativo de RNA. O splicing alternativo de RNA é um mecanismo que permite que diferentes produtos de proteína sejam produzidos a partir de um gene quando diferentes combinações de exons são combinadas para formar o mRNA ((Figura)). Este splicing alternativo pode ser aleatório, mas mais frequentemente é controlado e atua como um mecanismo de regulação gênica, com a frequência de diferentes alternativas de splicing controladas pela célula como forma de controlar a produção de diferentes produtos proteicos em diferentes células ou em diferentes estágios de desenvolvimento. O splicing alternativo é agora entendido como um mecanismo comum de regulação gênica em eucariotos de acordo com uma estimativa, 70 por cento dos genes em humanos são expressos como proteínas múltiplas através do splicing alternativo. Embora existam várias maneiras de emendar alternativamente os transcritos de RNA, a ordem original 5 & # 8242-3 & # 8242 dos exões é sempre conservado. Ou seja, uma transcrição com exões 1 2 3 4 5 6 7 pode ser spliced ​​1 2 4 5 6 7 ou 1 2 3 6 7, mas nunca 1 2 5 4 3 6 7.


Como o splicing alternativo pode evoluir? Os íntrons têm uma sequência de reconhecimento de início e fim. É fácil imaginar a falha do mecanismo de splicing em identificar o fim de um íntron e, em vez disso, encontrar o fim do próximo íntron, removendo assim dois introns e o exon intermediário. Na verdade, existem mecanismos para evitar esse salto de íntron, mas é provável que as mutações levem ao seu fracasso. Esses “erros” provavelmente produziriam uma proteína não funcional. Na verdade, a causa de muitas doenças genéticas é o splicing anormal, em vez de mutações em uma sequência de codificação. No entanto, o splicing alternativo poderia criar uma variante da proteína sem a perda da proteína original, abrindo possibilidades de adaptação da nova variante a novas funções. A duplicação de genes desempenhou um papel importante na evolução de novas funções de maneira semelhante, fornecendo genes que podem evoluir sem eliminar a proteína funcional original.

Pergunta: Na cobra do milho Pantherophis guttatus, existem várias variantes de cores diferentes, incluindo cobras amelanísticas cujos padrões de pele exibem apenas pigmentos vermelhos e amarelos. A causa do amelanismo nessas cobras foi recentemente identificada como a inserção de um elemento transponível em um íntron no gene OCA2 (albinismo oculocutâneo). Como a inserção de material genético extra em um íntron pode levar a uma proteína não funcional?

Visualize como o splicing do mRNA acontece observando o processo em ação no splicing do mRNA (vídeo).


Controle de estabilidade de RNA

Antes de o mRNA deixar o núcleo, ele recebe dois protetores & # 8220caps & # 8221 que evitam que as extremidades da fita se degradem durante sua jornada. 5 & ​​# 8242 e 3 & # 8242 exonucleases podem degradar RNAs desprotegidos. A tampa 5 & # 8242, que é colocada na extremidade 5 & # 8242 do mRNA, é geralmente composta por uma molécula de trifosfato de guanosina metilada (GTP). O GTP é colocado & # 8220 para trás & # 8221 na extremidade 5 & # 8242 do mRNA, de modo que os carbonos 5 & # 8242 do GTP e o nucleotídeo terminal estão ligados por meio de três fosfatos. A cauda poli-A, que está ligada à extremidade 3 & # 8242, é geralmente composta por uma longa cadeia de nucleotídeos de adenina. Essas alterações protegem as duas extremidades do RNA do ataque da exonuclease.

Uma vez que o RNA é transportado para o citoplasma, o período de tempo em que o RNA reside pode ser controlado. Cada molécula de RNA tem uma vida útil definida e decai em uma taxa específica. Essa taxa de decomposição pode influenciar a quantidade de proteína na célula. Se a taxa de decaimento for aumentada, o RNA não existirá no citoplasma por tanto tempo, encurtando o tempo disponível para que ocorra a tradução do mRNA. Por outro lado, se a taxa de decaimento for diminuída, a molécula de mRNA permanecerá no citoplasma por mais tempo e mais proteínas podem ser traduzidas. Essa taxa de decaimento é conhecida como estabilidade do RNA. Se o RNA for estável, ele será detectado por longos períodos de tempo no citoplasma.

A ligação de proteínas ao RNA também pode influenciar sua estabilidade. Proteínas chamadas proteínas de ligação ao RNA, ou RBPs, podem se ligar às regiões do mRNA logo a montante ou a jusante da região codificadora da proteína. Essas regiões no RNA que não são traduzidas em proteínas são chamadas de regiões não traduzidas, ou UTRs. Eles não são íntrons (aqueles foram removidos do núcleo). Em vez disso, essas são regiões que regulam a localização, estabilidade e tradução de proteínas do mRNA. A região imediatamente antes da região de codificação da proteína é chamada de UTR 5 & # 8242, enquanto a região após a região de codificação é chamada de UTR 3 & # 8242 ((Figura)). A ligação de RBPs a essas regiões pode aumentar ou diminuir a estabilidade de uma molécula de RNA, dependendo do RBP específico que se liga.


Estabilidade de RNA e microRNAs

Além dos RBPs que se ligam e controlam (aumentam ou diminuem) a estabilidade do RNA, outros elementos chamados microRNAs podem se ligar à molécula de RNA. Esses microRNAs, ou miRNAs, são moléculas curtas de RNA com apenas 21 a 24 nucleotídeos de comprimento. Os miRNAs são feitos no núcleo como pré-miRNAs mais longos. Esses pré-miRNAs são cortados em miRNAs maduros por uma proteína chamada Dicer . Como os fatores de transcrição e RBPs, os miRNAs maduros reconhecem uma sequência específica e se ligam ao RNA, entretanto, os miRNAs também se associam a um complexo de ribonucleoproteína denominado complexo de silenciamento induzido por RNA (RISC). O componente de RNA dos pares de bases RISC com sequências complementares em um mRNA impede a tradução da mensagem ou leva à degradação do mRNA.

Resumo da Seção

O controle pós-transcricional pode ocorrer em qualquer estágio após a transcrição, incluindo splicing de RNA e estabilidade de RNA. Uma vez que o RNA é transcrito, ele deve ser processado para criar um RNA maduro que está pronto para ser traduzido. Isso envolve a remoção de íntrons que não codificam para proteínas. Os spliceossomos se ligam aos sinais que marcam a fronteira exon / íntron para remover os íntrons e ligar os exons. Assim que isso ocorrer, o RNA estará maduro e poderá ser traduzido. O splicing alternativo pode produzir mais de um mRNA de um determinado transcrito. Diferentes variantes de splicing podem ser produzidas em diferentes condições.

O RNA é criado e dividido no núcleo, mas precisa ser transportado para o citoplasma para ser traduzido. O RNA é transportado para o citoplasma através do complexo de poros nucleares. Uma vez que o RNA está no citoplasma, o período de tempo que ele permanece lá antes de ser degradado, chamado de estabilidade do RNA, também pode ser alterado para controlar a quantidade total de proteína que é sintetizada. A estabilidade do RNA pode ser aumentada, levando a um maior tempo de residência no citoplasma, ou diminuída, levando a um tempo mais curto e menos síntese protéica. A estabilidade do RNA é controlada por proteínas de ligação a RNA (RPBs) e microRNAs (miRNAs). Esses RPBs e miRNAs se ligam à UTR 5 & # 8242 ou à UTR 3 & # 8242 do RNA para aumentar ou diminuir a estabilidade do RNA. MicroRNAs associados a complexos RISC podem reprimir a tradução ou levar à quebra do mRNA.

Resposta livre

Descreva como os RBPs podem evitar que miRNAs degradem uma molécula de RNA.

As proteínas de ligação ao RNA (RBP) se ligam ao RNA e podem aumentar ou diminuir a estabilidade do RNA. Se eles aumentarem a estabilidade da molécula de RNA, o RNA permanecerá intacto na célula por um período de tempo mais longo do que o normal. Uma vez que tanto RBPs quanto miRNAs se ligam à molécula de RNA, RBP pode potencialmente se ligar primeiro ao RNA e prevenir a ligação do miRNA que irá degradá-lo.

Como os estímulos externos podem alterar o controle pós-transcricional da expressão gênica?

Estímulos externos podem modificar proteínas de ligação a RNA (isto é, através da fosforilação de proteínas) para alterar sua atividade.

Glossário


16.3 Regulação do gene epigenético eucariótico

Nesta seção, você explorará a seguinte questão:

Conexão para Cursos AP ®

Uma razão pela qual a expressão de genes eucarióticos é mais complexa do que a expressão de genes procarióticos é porque os processos de transcrição e tradução são fisicamente separados dentro da célula eucariótica. As células eucarióticas também empacotam seus genomas de uma forma mais sofisticada em comparação com as células procarióticas. Consequentemente, as células eucarióticas podem regular a expressão gênica em vários níveis, começando com o controle do acesso ao DNA. Como o DNA genômico é dobrado em torno de proteínas histonas para criar complexos de nucleossomos, os nucleossomos regulam fisicamente o acesso de proteínas, como fatores de transcrição e enzimas, ao DNA subjacente. A metilação do DNA e das histonas faz com que os nucleossomos se agrupem, evitando que os fatores de transcrição se liguem ao DNA. Os nucleossomos metilados contêm DNA que não é expresso. Por outro lado, a acetilação das histonas resulta em empacotamento solto dos nucleossomos, permitindo que os fatores de transcrição se liguem ao DNA. Os nucleossomos acetilados contêm DNA que pode ser expresso.

As informações apresentadas e os exemplos destacados na seção apoiam os conceitos delineados na Grande Ideia 3 do AP ® Biology Curriculum Framework. Os Objetivos de Aprendizagem listados na Estrutura do Currículo fornecem uma base transparente para o curso AP ® Biologia, uma experiência laboratorial baseada em investigação, atividades instrucionais e questões do exame AP ®. Um objetivo de aprendizagem mescla o conteúdo necessário com uma ou mais das sete práticas científicas.

Grande Ideia 3 Os sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.
Compreensão Duradoura 3.B A expressão da informação genética envolve mecanismos celulares e moleculares.
Conhecimento Essencial 3.B.1 A regulação gênica resulta na expressão gênica diferencial, levando à especialização celular.
Prática de Ciências 7.1 O aluno pode conectar fenômenos e modelos em escalas espaciais e temporais
Objetivo do aprendizado 3.19 O aluno é capaz de descrever a conexão entre a regulação da expressão gênica e as diferenças observadas entre os indivíduos de uma população.

Controle epigenético: regulando o acesso aos genes dentro do cromossomo

Como afirmado anteriormente, uma razão pela qual a expressão de genes eucarióticos é mais complexa do que a expressão de genes procarióticos é porque os processos de transcrição e tradução são fisicamente separados. Ao contrário das células procarióticas, as células eucarióticas podem regular a expressão gênica em muitos níveis diferentes. A expressão do gene eucariótico começa com o controle do acesso ao DNA. Essa forma de regulação, chamada regulação epigenética, ocorre antes mesmo do início da transcrição.

Apoio ao Professor

Apresente a epigenética e peça aos alunos que trabalhem em uma atividade epigenética encontrada no site da Universidade de Utah.

O genoma humano codifica mais de 20.000 genes, cada um dos 23 pares de cromossomos humanos codifica milhares de genes. O DNA no núcleo é precisamente enrolado, dobrado e compactado em cromossomos para que se encaixe no núcleo. Ele também é organizado de forma que segmentos específicos possam ser acessados ​​conforme necessário por um tipo específico de célula.

O primeiro nível de organização, ou empacotamento, é o enrolamento das fitas de DNA em torno das proteínas histonas. As histonas empacotam e ordenam o DNA em unidades estruturais chamadas de complexos de nucleossomos, que podem controlar o acesso de proteínas às regiões de DNA (Figura 16.6uma) Sob o microscópio eletrônico, este enrolamento de DNA em torno de proteínas histonas para formar nucleossomos se parece com pequenas contas em um fio (Figura 16.6b) Essas contas (proteínas histonas) podem se mover ao longo do fio (DNA) e alterar a estrutura da molécula.

Se o DNA que codifica um gene específico deve ser transcrito em RNA, os nucleossomos que circundam essa região do DNA podem deslizar para baixo no DNA para abrir aquela região cromossômica específica e permitir que a maquinaria transcricional (RNA polimerase) inicie a transcrição (Figura 16.7). Os nucleossomos podem se mover para abrir a estrutura do cromossomo e expor um segmento de DNA, mas o fazem de uma maneira muito controlada.

Conexão Visual

  1. A metilação do DNA e a hipoacetilação das histonas fazem com que os nucleossomos se agrupem, inativando um dos cromossomos X aleatoriamente em cada célula.
  2. A metilação do DNA e a hipoacetilação das histonas fazem com que os nucleossomos se compactuem, inativando a metade superior do cromossomo paterno e a metade inferior do cromossomo materno.
  3. A acetilação do DNA e a hipermetilação das histonas fazem com que os nucleossomos se desenrolem, inativando um dos cromossomos X aleatoriamente em cada célula.
  4. A acetilação do DNA e a hipermetilação das histonas fazem com que os nucleossomos se desenrolem, inativando apenas o cromossomo paterno.

O modo como as proteínas histonas se movem depende dos sinais encontrados nas proteínas histonas e no DNA. Esses sinais são marcadores adicionados às proteínas histonas e ao DNA que informam às histonas se uma região cromossômica deve ser aberta ou fechada (a Figura 16.8 mostra modificações nas proteínas histonas e no DNA). Essas marcas não são permanentes, mas podem ser adicionadas ou removidas conforme necessário. Eles são modificações químicas (grupos fosfato, metila ou acetila) que são anexados a aminoácidos específicos na proteína ou aos nucleotídeos do DNA. As marcas não alteram a sequência de bases do DNA, mas alteram o quão firmemente enrolado o DNA é em torno das proteínas histonas. O DNA é uma molécula carregada negativamente, portanto, mudanças na carga da histona irão alterar o quão fortemente enrolada a molécula de DNA será. Quando não modificadas, as proteínas histonas têm uma grande carga positiva, adicionando modificações químicas como grupos acetil, a carga se torna menos positiva.

A própria molécula de DNA também pode ser modificada.Isso ocorre em regiões muito específicas chamadas ilhas CpG. São trechos com alta frequência de pares de DNA de citosina e dinucleotídeo guanina (CG) encontrados nas regiões promotoras dos genes. Quando esta configuração existe, o membro citosina do par pode ser metilado (um grupo metil é adicionado). Essa modificação muda a forma como o DNA interage com as proteínas, incluindo as proteínas histonas que controlam o acesso à região. Regiões de DNA altamente metiladas (hipermetiladas) com histonas desacetiladas são fortemente enroladas e transcricionalmente inativas.

Esse tipo de regulação gênica é chamada de regulação epigenética. Epigenética significa "em torno da genética". As mudanças que ocorrem nas proteínas histonas e no DNA não alteram a sequência de nucleotídeos e não são permanentes. Em vez disso, essas mudanças são temporárias (embora frequentemente persistam por meio de várias rodadas de divisão celular) e alteram a estrutura cromossômica (aberta ou fechada) conforme necessário. Um gene pode ser ativado ou desativado dependendo da localização e modificações nas proteínas histonas e no DNA. Se um gene deve ser transcrito, as proteínas histonas e o DNA são modificados em torno da região cromossômica que codifica esse gene. Isso abre a região cromossômica para permitir o acesso da RNA polimerase e outras proteínas, chamadas de fatores de transcrição, para se ligarem à região promotora, localizada logo acima do gene, e iniciar a transcrição. Se um gene deve permanecer desligado ou silenciado, as proteínas histonas e o DNA têm modificações diferentes que sinalizam uma configuração cromossômica fechada. Nessa configuração fechada, a RNA polimerase e os fatores de transcrição não têm acesso ao DNA e a transcrição não pode ocorrer (Figura 16.7).

Conexão da prática científica para cursos AP®

Pense nisso

Nas mulheres, um dos dois cromossomos X é inativado durante o desenvolvimento embrionário devido a alterações epigenéticas na cromatina. Que impacto você acha que essas mudanças terão no empacotamento do nucleossomo e, conseqüentemente, na expressão do gene?

Apoio ao Professor

A questão é uma aplicação do Objetivo de Aprendizagem 3.19 e da Prática de Ciências 7.1 porque os alunos são solicitados a descrever como mudanças epigenéticas na cromatina durante o desenvolvimento podem resultar em expressão diferencial de genes e, conseqüentemente, diferenças entre células e organismos.

Responder:

Link para aprendizagem

Assista a este vídeo que descreve como a regulação epigenética controla a expressão gênica.

  1. A epigenética permitiria a síntese de novas partes do corpo que poderiam substituir as danificadas pelo câncer.
  2. A epigenética pode mudar o código genético de todas as células do corpo para evitar que se tornem cancerosas.
  3. Novas terapias podem ser feitas para alterar o código genético de genes nocivos do câncer.
  4. Podem ser feitas novas terapias que não exijam a alteração do DNA da célula cancerosa.

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    • Autores: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Editor / site: OpenStax
    • Título do livro: Biologia para Cursos AP®
    • Data de publicação: 8 de março de 2018
    • Local: Houston, Texas
    • URL do livro: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • URL da seção: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/16-3-eukaryotic-epigenetic-gene-regulation

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    Regulação Pós-transcricional

    Depois que um gene eucariótico é transcrito, ele precisa ser processado pela remoção dos íntrons. Em genes maiores com muitos exons, várias versões diferentes da sequência de codificação da proteína podem ser produzidas por splicing alternativo, a seleção de diferentes conjuntos de exons para formar o mRNA. Além disso, o mRNA é protegido da degradação no citoplasma pela adição de nucleotídeos nas extremidades 5 & # 8242 e 3 & # 8242 do mRNA. Na extremidade 5 & # 8242 está uma tampa de metil-guanosina, que ajuda a identificar o mRNA para o ribossomo. Na extremidade 3 e # 8242 está uma cadeia de nucleotídeos de adenina, a cauda poli-A, que ajuda a estabilizar o mRNA conforme ele se move para o ribossomo.

    A tradução do mRNA pode então ser aumentada ou reprimida por proteínas que se ligam às regiões 5 & # 8242 e 3 & # 8242 não traduzidas do mRNA. Essas proteínas podem ser modificadas em resposta a vários fatores no ambiente da célula. Além dessas proteínas regulatórias, RNAs reguladores podem se ligar a um mRNA para controlar sua tradução.

    Após a tradução, a proteína pode ser modificada posteriormente. Em muitos casos, a metionina de iniciação, o aminoácido codificado pelo códon de iniciação AUG, é removida. Algumas proteínas, como a tripsina e outras enzimas digestivas, são sintetizadas como uma proteína precursora inativa que deve ser ativada pela remoção de parte da proteína. A proteína precursora da insulina é uma proteína maior cortada em vários pedaços, dois dos quais são então ligados como as cadeias A e B da insulina ativa. As cadeias alfa e beta da proteína hemoglobina são produtos de dois genes diferentes.

    Geralmente, os reguladores transcricionais selecionam quais genes são transcritos em uma determinada célula, enquanto os fatores pós-transcricionais entram em ação para determinar se o produto da proteína codificada é ou não feito.

    o próxima lição está na produção de hormônios.