Em formação

16.5: Regulação do gene pós-transcricional eucariótica - Biologia


Habilidades para desenvolver

  • 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. Esse processamento, depois que uma molécula de RNA foi transcrita, mas antes de ser traduzida em uma proteína, é chamado de 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 ( PageIndex {1} )). 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.

Evolution Connection: Alternative RNA Splicing

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 íntrons, e às vezes exons, são removidos do transcrito (Figura ( PageIndex {2} )). 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 por meio de splicing alternativo.

Como o splicing alternativo pode evoluir? Os íntrons têm uma seqüência de reconhecimento inicial e final; 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 intron, 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 alternativo, em vez de mutações em uma sequência. No entanto, o splicing alternativo criaria 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.

Visualize como o splicing do mRNA acontece observando o processo em ação neste vídeo. NDSU Virtual Cell Animations Project animação 'mRNA Splicing

Controle de estabilidade de RNA

Antes de o mRNA deixar o núcleo, ele recebe duas "capas" protetoras que evitam que o final da fita se degrade durante sua jornada. A capa 5 ', que é colocada na extremidade 5' do mRNA, é geralmente composta por uma molécula de trifosfato de guanosina metilada (GTP). A cauda poli-A, que está ligada à extremidade 3 ', é geralmente composta por uma série de nucleotídeos de adenina. 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 é aumentada, o RNA não existirá no citoplasma por tanto tempo, encurtando o tempo para que a tradução ocorra. Por outro lado, se a taxa de decaimento for diminuída, a molécula de RNA 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 pode influenciar sua estabilidade. As proteínas, chamadas proteínas de ligação ao RNA, ou RBPs, podem se ligar às regiões do RNA imediatamente 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 anterior à região de codificação da proteína é chamada de 5 'UTR, enquanto a região após a região de codificação é chamada de 3' UTR (Figura ( PageIndex {3} )). 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 que têm apenas 21–24 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 fatores de transcrição e RBPs, miRNAs maduros reconhecem uma sequência específica e se ligam ao RNA; no entanto, os miRNAs também se associam a um complexo de ribonucleoproteína denominado complexo de silenciamento induzido por RNA (RISC). RISC se liga junto com o miRNA para degradar o mRNA alvo. Juntos, os miRNAs e o complexo RISC destroem rapidamente a molécula de RNA.

Resumo

O controle pós-transcricional pode ocorrer em qualquer estágio após a transcrição, incluindo splicing de RNA, transporte nuclear 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 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 5 'UTR ou à 3' UTR do RNA para aumentar ou diminuir a estabilidade do RNA. Dependendo do RBP, a estabilidade pode ser aumentada ou diminuída significativamente; entretanto, os miRNAs sempre diminuem a estabilidade e promovem a decadência.

Perguntas de revisão

Qual das seguintes opções está envolvida no controle pós-transcricional?

  1. controle de splicing de RNA
  2. controle de transporte de RNA
  3. controle da estabilidade do RNA
  4. tudo acima

D

A ligação de uma proteína de ligação a RNA ________ a estabilidade da molécula de RNA.

  1. aumentar
  2. diminuir
  3. nem aumentar nem diminuir
  4. aumentar ou diminuir

D

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

3 'UTR
Região 3 'não traduzida; região logo abaixo da região de codificação de proteína em uma molécula de RNA que não é traduzida
5 'cap
uma molécula de trifosfato de guanosina metilada (GTP) que está ligada à extremidade 5 'de um RNA mensageiro para proteger a extremidade da degradação
5 'UTR
Região 5 'não traduzida; região logo a montante da região de codificação de proteína em uma molécula de RNA que não é traduzida
dicer
enzima que corta o pré-miRNA na forma madura do miRNA
microRNA (miRNA)
pequenas moléculas de RNA (aproximadamente 21 nucleotídeos de comprimento) que se ligam a moléculas de RNA para degradá-las
cauda poli-A
uma série de nucleotídeos de adenina que estão ligados à extremidade 3 'de um mRNA para proteger a extremidade da degradação
Proteína de ligação a RNA (RBP)
proteína que se liga à UTR 3 'ou 5' para aumentar ou diminuir a estabilidade do RNA
Estabilidade de RNA
quanto tempo uma molécula de RNA permanecerá intacta no citoplasma
região não traduzida
segmento da molécula de RNA que não são traduzidos em proteína. Essas regiões encontram-se antes (a montante ou 5 ') e depois (a jusante ou 3') da região de codificação da proteína
RISC
complexo de proteínas que se liga junto com o miRNA ao RNA para degradá-lo

16.5 Regulação do gene pós-transcricional eucariótica

O RNA é transcrito, mas deve ser processado em uma forma madura antes que a tradução possa começar. Esse processamento, depois que uma molécula de RNA foi transcrita, mas antes de ser traduzida em uma proteína, é chamado de 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.


Controle de estabilidade de RNA

Antes de o mRNA deixar o núcleo, ele recebe dois protetores & # 8220caps & # 8221 que evitam que o final da fita se degrade durante sua jornada. 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). A cauda poli-A, que está ligada à extremidade 3 & # 8242, é geralmente composta de uma série de nucleotídeos de adenina. 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 é aumentada, o RNA não existirá no citoplasma por tanto tempo, encurtando o tempo para que a tradução ocorra. Por outro lado, se a taxa de decaimento for diminuída, a molécula de RNA 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 pode influenciar sua estabilidade. As proteínas, chamadas proteínas de ligação ao RNA, ou RBPs, podem se ligar às regiões do RNA imediatamente 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 anterior à região de codificação da proteína é chamada de 5 & # 8242 UTR, enquanto a região após a região de codificação é chamada de 3 & # 8242 UTR ([Figura 3]). 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.

Figura 3: A região de codificação da proteína do mRNA é flanqueada por 5 & # 8242 e 3 & # 8242 regiões não traduzidas (UTRs). A presença de proteínas de ligação a RNA na UTR 5 & # 8242 ou 3 & # 8242 influencia a estabilidade da molécula de RNA.


Conexão de evolução

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?


16 Regulação do Gene

A maioria das pessoas sabe que o exercício regular é importante para manter uma boa saúde. Promove a saúde cardiovascular e ajuda a prevenir a obesidade. Os cientistas descobriram agora que o treinamento de resistência de longo prazo também muda a forma como os genes são expressos no tecido muscular. Em um estudo recente, 23 pessoas saudáveis ​​exercitaram cada uma das pernas por 45 minutos, quatro dias por semana, enquanto descansavam a outra perna. Depois de três meses, os músculos das pernas dos participantes foram biopsiados e os cientistas analisaram o nível de atividade de mais de 20.000 genes nas amostras de tecido.

Eles descobriram que, para cada participante, a perna exercitada reduziu a inflamação e melhorou o metabolismo em comparação com a perna não exercitada. Essas diferenças foram acompanhadas por mudanças nos genes associados ao metabolismo e à inflamação. No entanto, as sequências de nucleotídeos reais dos genes não foram alteradas. Em vez disso, alguns genes foram metilados, o que significa simplesmente que grupos metil foram anexados a certos nucleotídeos ao longo da sequência. Isso, essencialmente, desligou os genes ou mudou de outra forma como eles eram expressos. A metilação do DNA é um exemplo de epigenética, que é um processo que altera genes sem afetar a sequência de nucleotídeos dos genes. O artigo de pesquisa completo pode ser encontrado aqui.

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Este texto é baseado na Openstax Biology for AP Courses, Autores contribuintes sênior Julianne Zedalis, The Bishop's School em La Jolla, CA, John Eggebrecht, Cornell University Autores contribuintes Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Georgia Institute of Technology, Jean DeSaix , University of North Carolina em Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Suffolk County Community College, Connie Rye, East Mississippi Community College, Robert Wise, University of Wisconsin, Oshkosh

Este trabalho está licenciado sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial 4.0 Unported, sem restrições adicionais


83 Regulação do gene pós-transcricional eucariótica

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 neste 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.


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, no entanto, 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.


84 Regulamento de Gene Pós-translacional e Translacional Eucariótico

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 uma 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.

Perguntas de conexão visual

(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.

Perguntas de revisão

Modificações pós-tradução de proteínas podem afetar qual dos seguintes?

  1. função de proteína
  2. regulação transcricional
  3. modificação da cromatina
  4. tudo acima

Um cientista transforma o eIF-2 para eliminar sua capacidade de hidrólise de GTP. Como essa forma mutada de eIF-2 alteraria a tradução?

  1. Os fatores de iniciação não seriam capazes de se ligar ao mRNA.
  2. A grande subunidade ribossômica não seria capaz de interagir com os transcritos de mRNA.
  3. tRNAi-Met não varreria os transcritos de mRNA para o códon de início.
  4. eIF-2 não seria capaz de interagir com a pequena subunidade ribossômica.

Questões de pensamento crítico

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


Regulação do gene pós-transcricional eucariótica

O RNA é transcrito, mas deve ser processado em uma forma madura antes que a tradução possa começar. Esse processamento, depois que uma molécula de RNA foi transcrita, mas antes de ser traduzida em uma proteína, é chamado de 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 ([link]). 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.

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 proteicos sejam produzidos a partir de um gene quando diferentes combinações de íntrons, e às vezes exons, são removidos do transcrito ([link]). 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.

Como o splicing alternativo pode evoluir? Os íntrons têm uma sequência de reconhecimento inicial e final; 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 alternativo, em vez de mutações em uma sequência. No entanto, o splicing alternativo criaria 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.

Visualize como o splicing do mRNA acontece observando o processo em ação neste vídeo.

Controle de estabilidade de RNA

Antes de o mRNA deixar o núcleo, ele recebe duas "capas" protetoras que evitam que o final da fita se degrade durante sua jornada. o 5 'cap, que é colocado na extremidade 5 'do mRNA, é geralmente composto de uma molécula de trifosfato de guanosina metilada (GTP). o cauda poli-A, que está ligado à extremidade 3 ', é geralmente composto de uma série de nucleotídeos de adenina. 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 é aumentada, o RNA não existirá no citoplasma por tanto tempo, encurtando o tempo para que a tradução ocorra. Por outro lado, se a taxa de decaimento for diminuída, a molécula de RNA 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 pode influenciar sua estabilidade. Proteínas, chamadas Proteínas de ligação a RNA, ou RBPs, podem se ligar às regiões do RNA imediatamente a montante ou a jusante da região de codificação da proteína. Essas regiões no RNA que não são traduzidas em proteínas são chamadas de regiões não traduzidasou 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 codificadora da proteína é chamada de 5 'UTR, enquanto a região após a região de codificação é chamada de 3 'UTR ([ligação]). 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 que têm apenas 21-24 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, no entanto, os miRNAs também se associam a um complexo de ribonucleoproteína denominado Complexo de silenciamento induzido por RNA (RISC). RISC se liga junto com o miRNA para degradar o mRNA alvo. Juntos, os miRNAs e o complexo RISC destroem rapidamente a molécula de RNA.

Resumo da Seção

O controle pós-transcricional pode ocorrer em qualquer estágio após a transcrição, incluindo splicing de RNA, transporte nuclear 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 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 5 'UTR ou à 3' UTR do RNA para aumentar ou diminuir a estabilidade do RNA. Dependendo do RBP, a estabilidade pode ser aumentada ou diminuída significativamente, no entanto, os miRNAs sempre diminuem a estabilidade e promovem a decadência.


Assista o vídeo: Regulação da Expressão Gênica em Procariotos e Eucariotos (Janeiro 2022).