Genética Molecular - Sinopse do controle da expressão gênica em eucariotos

Os eucariotos dispõem de muitos recursos para o controle da expressão de seus genes que não estão presentes nos organismos procariotos. A complexidade da regulação neste grupo de seres vivos é uma necessidade imposta pela complexidade da própria célula eucariota, com seus vários compartimentos e, nos metazoários, pela complexidade da diferenciação em tecidos e órgãos.

A figura abaixo resume sete dos principais pontos de regulação da expressão gênica.

Comecemos a discussão pelo ponto 1. Toda transcrição em eucariotos depende

a)      da existência de uma região no DNA chamada promotor e de regiões acima do promotor (elementos proximais do promotor) que incluem uma caixa CAT e, acima dela, uma região rica em G e C.
b)      de proteínas que reconheçam estas regiões e permitam a transcrição

c)       Na Escherichia coli já vimos que o promotor é ligado pela RNApol, mais especificamente ao fator sigma desta proteína multimérica.

d)      Em eucariotos o promotor deve ser sinalizado para as RNA polimerases (há pelo menos 3 tipos delas) por várias proteínas reguladoras. Portanto, todo promotor está, em princípio, invisível às RNApol, a menos que seja ligado por proteínas que “mostrem” à RNApol que ele existe. Assim, todo controle é “positivo”.

e)      Como são as proteínas que se ligam a DNA (no promotor e em outras regiões)? Antes de tudo lembremos que estas proteínas devem ter um ou mais de 4 domínios
-  Um domínio que ligue a proteína ao DNA, numa sequência específica
-  Um domínio que liga a proteína a uma ou mais proteínas diretamente envolvidas na transcrição (RNApol ou proteínas a ela associadas)
-  Um domínio que ligue a proteína `s suas vizinhas também ligadas ao DNA
-  Um domínio que direta ou indiretamente influencia a condensação da cromatina
-  Um domínio que funcione como um sensor fisiolõgico dentro da célula

As duas figuras a seguir mostram como proteínas reguladoras podem se ligar ao DNA.

Nesta primeira figura vemos uma proteína de estrutura relativamente simples, formadas por duas hélices e uma volta ligando as duas (“helix-turn-helix”).O motivo (pequena estrutura molecular que se repete em muitas moléculas) está mostrado em (A), cada círculo branco representa o átomo central de um aminoácido. A a-hélice C-terminal (em vermelho) é denominada hélice de reconhecimento porque participa no reconhecimento de uma sequência específica de DNA.  Como mostrado em (B), esta hélice encaixa na fenda maior do DNA, onde pode contactar as arestas laterais dos pares de bases. A segunda a-hélice, neste caso N-terminal, auxilia na ligação da primeira hélice ao DNA, mas pode também funcionar como um sítio de reconhecimento de outras moléculas que vão se ligar posteriormente a este ponto do DNA. (fonte:www.ncbi.nlm,.nih.gov/Books).

Outra classe de proteínas ligadoras de DNA é representada pelos “dedos de zinco” ou zinc fingers. Ela está representada no exemplo da figura abaixo.

Esta proteína pertence à família Cys-Cys-His-His de proteínas “zinc finger” (dedo de zinco), designadas assim por causa dos aminoácidos que seguram o átomo de zinco. (A) Desenho esquemático  da sequência de amináicods de im zinc finger de uma proteína de sapo desta família. (B) Estrutura tri-dimensional deste tipo de zinc finger, constituída de uma folha beta anti-paralela (do aminácido 1 ao 10), seguida de uma alfa-hélice (do aminoácido 12 ao 24). Os quatro aminoácidos que se ligam ao zinco (Cys3, Cys6, His19 e His23)  mantêm fortemente ligadas as extremidades da alfa-hélice e da folha beta. Adaptado de M.S. Lee et al., Science 245:635–637, 1989).

Uma vez que temos idéia de como são as proteínas que ligam DNA para a regulação da expressão (há muitos outros tipos, estes são apenas dois exemplos de proteínas bem freqüentes), podemos prosseguir com nossa discussão. A regulação da transcrição em eucariotos é, como comentado, muito mais complexa que em procariotos.

Primeiro: Nos eucariotos existem proteínas regulatórias que se ligam ao DNA muitos milhares de bases antes (ou depois) de um promotor. Um mesmo promotor pode assim ser controlado por muitas diferentes proteínas ligadas em regiões afastadas dele.

Segundo: há várias RNA polimerases no eucarioto. A RNApol II, que transcreve todos os genes que codificam proteínas, não inicia sozinha seu trabalho. Como dito antes, ela precisa de fatores gerais de transcrição, que precisam se agrupar sobre o promotor e em sua vizinhança para permitir o início da transcrição. A multiplicidade de proteínas permite um controle fino da transcrição, inclusive de sua taxa.

Terceiro, o empacotamento do DNA na cromatina cria novas oportunidades de regulação que não existem em bactérias.

Estas formas de regulação estão diagramaticamente representadas nas figuras a seguir.

Nesta figura as regiões controladoras no DNA estão representadas numa linha, uma após a outra, apenas para fins didáticos. Sequências reguladoras antes do gene, chamadas algumas vezes de enhancers, podem também aparecer depois do gene, e permitem a ligação de várias proteínas reguladoras. Fatores de transcrição gerais se ligam ao promotor e à própria RNA pol II e permitem a transcrição do gene, que é muito mais eficiente se as sequências reguladoras (positivas) estiverem ligadas por suas proteínas reguladoras.

Imagina-se que o DNA sofre uma torção na cromatina e várias destas proteínas entram em contato umas com as outras, como mostrado na figura abaixo.

Na figura acima está esquematicamente representada a ligação de várias proteínas reguladoras e fatores de transcrição ao DNA e à RNApol, nas proximidades do promotor de um determinado gene. A ligação de todas as proteínas do complexo força uma dobra do DNA e dispara a transcrição do RNA, transcrito primário do gene.

O eucarioto também não despreza a repressão, que pode agir de várias formas distintas, como mostrado na figura abaixo.

Há também, como comentado, um extenso processo de remodelação da cromatina, que depende de complexos protéicos remodeladores e também do processo de acetilação de histonas, que é universal em eucariotos e comanda boa parte das alterações estruturais de cromatina ligadas ao controle da expressão gênica (atenção, isso nada tem a ver com as conformações B e Z). A figura abaixo esquematiza este processo.

Podemos então finalizar esta sinopse tomando a primeira figura para adicionar algumas informações novas e deixar que sirva de roteiro para o garimpo de informações nos livros textos.