Fernando de Jesus Regateiro. Manual de Genética Médica. Imprensa da Univ. de Coimbra. p. 47. ISBN 978-972-8704-12-4.Peter Turnpenny (2011). Emery Genética Médica. Elsevier Health Sciences Brazil. p. 71. ISBN 978-85-352-4607-0. é a regulagem da informação codificada no gene para resultar em um produto génico ou uma função,Paul Singleton (2012). Dictionary of DNA and Genome Technology. John Wiley & Sons. p. 384. ISBN 978-1-118-44754-3. ou ainda, um sistema em que o DNA determina quais os genes, seu número e o momento em que irão funcionar dentro da célula, produzindo proteínas que realizam várias funções.Vanderson Esperidião Antonio (2012). Neurociências: Diálogos e Interseções. RUBIO. p. 4. ISBN 978-85-7771-021-8.
Modificação do DNA Em eucariotas, a acessibilidade de grandes regiões de DNA pode depender da sua estrutura da cromatina, o qual pode ser alterada, como resultado de modificações de histonas dirigidas por metilação do DNA, RNA não codificante, ou proteína de ligação a DNA. Por isso, estas modificações podem aumentar ou diminuir a expressão de um gene. Algumas dessas modificações que regulam a expressão de genes podem ser herdadas e são referidos como regulação epigenética.
Estrutura A transcrição do DNA é ditada por sua estrutura. Em geral, a densidade de seu invólucro é indicativo da frequência de transcrição. Complexos de proteínas octaméricas chamados de nucleossomas são responsáveis pela quantidade ADN superenrolado, e estes complexos podem ser temporariamente modificados por processos tais como a fosforilação ou modificados de forma mais permanente por meio de processos tais como a metilação. Tais modificações são consideradas como responsáveis por variações mais ou menos permanente, a níveis de expressão de genes.
Apesar de um produto de um gene poder ser um ARN ou uma proteína, a maioria dos mecanismos conhecidos regula a expressão de genes produtores de proteínas. Qualquer passo da expressão de um gene pode ser modulada, da transcrição ADN-ARN até à modificação pós-translacional de uma proteína. A regulação genética dá à célula o controle sobre a sua estrutura e função, e é a base da diferenciação celular, da morfogênese e da versatilidade e adaptabilidade de qualquer organismo.
As propriedades biológicas de cada célula são amplamente determinada pelas proteínas ativas expressas nela. Esta constelação de proteínas expressas determina grande parte da arquitetura celular, suas interações com seu ambiente e muitas outras propriedades fisiológicas. Entretanto, em qualquer momento na história da vida de uma célula, são expressas apenas uma pequena quantidade de RNA e proteína codificadas em seu genoma. Em momentos diferentes, o perfil de produtos gênicos expressos pode diferir marcantemente, tanto com relação a que proteínas são expressas quanto a em níveis.
A regulação desenvolveu-se para permitir que uma célula enfrente as variações em um tipo particular de circunstância tal como disponibilidade de nutrientes, invasão de agentes infecciosos, mudança de temperatura ou outros estresses, e mudanças no estado de desenvolvimento da célula. Assim, algumas moléculas regulatórias, tipicamente proteína, devem ter um domínio sensor que interage com fatores apropriados no ambiente celular, de modo que seu papel regulador possa responder às necessidades da célula em um determinado momento.
Regulação em procariontes e eucariontes Embora os procariontes e eucariontes tenham muitos dos mecanismos de regulação gênica em comum, existem algumas diferenças fundamentais na lógica subjacente. Ambas usam proteínas regulatórias que se ligam perto da região codificante de proteínas para modular o nível de transcrição. Entretanto, como os genomas eucarióticos são maiores e sua gama de propriedades é maior, inevitavelmente sua regulação é mais complexa, requerendo mais tipos de proteínas regulatórias e mais tipos de interações com as regiões regulatórias adjacentes. A diferença mais importante é que o DNA eucariótico é compactado em nucleossomos, formando a cromatina, enquanto o DNA procariótico não tem nucleossomos.Nos eucariontes, a estrutura da cromatina é dinâmica e é um ingrediente essencial na regulação gênica.
Procariótica A respeito da simplicidade de sua forma, as bactérias têm uma necessidade fundamental de regular a expressão de seus genes. Um dos principais motivos é que elas são oportunistas nutricionais. Considere como uma bactéria obtém muitos compostos importantes, tais com açucares, aminoácidos e nucleotídeos, necessários ao metabolismo. As bactérias nadam em um mar de nutrientes potenciais. Elas podem obter estes compostos do ambiente ou produzir-los por vias enzimáticas. A síntese de enzimas necessária para estas vias gasta energia e recursos celulares. Assim, tendo escolha, as bactérias irão produzir enzimas necessárias para obter compostos do ambiente. Para serem econômicas, elas irão produzir estes compostos apenas quando não houver outra opção. Em outras palavras, quando estes compostos não estão disponíveis em seu ambiente local.
As bactérias desenvolveram sistemas regulatórios que acoplam a expressão dos produtos gênicos a sistemas de sensores que detectam o composto relevante em um ambiente local da bactéria. A regulação de enzimas que tomam parte no metabolismo de açúcar podem ser oxidadas para dar energia ou podem ser usadas como blocos estruturais para uma grande gama de compostos orgânicos. Entretanto existem muitos tipos diferentes de açúcar que as bactérias podem usar, incluindo a lactose, glicose, galactose e xilitol. Primeiro, é necessária uma proteína diferente importante para permitir que cada um destes açúcares entre na célula. Além disso, é necessário um conjunto diferente de enzimas para processar cada m dos açúcares. Se uma célula produz simultaneamente todas as enzimas que ela possivelmente possa precisar, ela gastaria muito mais energia e materiais do que obteria pela degradação das prospectivas fontes de carbono.
Base de regulação transcricional procariótica São necessários dois tipos de interações DNA-proteína para uma transcrição regulada. Ambas ocorrem perto do sítio no qual começa a transcrição do gene.
Uma desta interações DNA-proteína determina onde começa a transcrição. O DNA que participa desta interação é um segmento de DNA chamado de promotor, e a proteína que se liga este sítio é a RNA polimerase. Quando a RNA polimerase liga-se ao DNA do promotor, a transcrição pode se iniciar algumas bases distantes do sítio promotor. Cada gene deve ter um promotor ou ele não poderá ser transcrito.
O outro tipo de interação DNA-proteína decide se a transcrição iniciada pelo promotor irá ocorrer. OS segmentos de DNA próximos ao promotor servem como sítios de ligação para proteínas regulatórias chamadas ativadores e repressores. Nas bactérias, a maioria destes sítio alvo no DNA como um pré-requisito necessário para começar a transcrição. Tais casos são às vezes chamados de regulação positiva, pois a presença da proteína ligada á necessária para a transcrição. Para outros genes , uma proteína repressora deve ser impedida de se ligar a seu sítio alvo como um pré-requisito necessário para que comece a transcrição. Tais casos são às vezes chamados de regulação negativa, pois a ausência de repressor ligado permite que comece a transcrição. Como os ativadores e repressores regulam a transcrição? Em geral, uma proteína ativadora ligada ao DNA ajuda fisicamente a ligação da RNA polimerase possa começar a transcrever. Uma proteína repressora ligada ao DNA atua tipicamente seja interferindo fisicamente na ligação da RNA polimerase a seu promotor (bloqueando o início da transcrição) ou impedindo o movimento da RNA polimerase ao longo da cadeia do DNA (bloqueando a transcrição).
Os genes devem conter dois tipos de sítios de ligação para permitir a transcrição regulada. Primeiro, os sítios de ligação para a RNA polimerase devem estar presentes. Segundo, os sítios de ligação para as proteínas ativadora ou repressora podem estar presentes na vizinhança do promotor.
Tanto as proteínas ativadora e repressora devem ser capazes de reconhecer quando as condições ambientais são apropriadas por suas ações e agir de acordo. Assim, para que as proteínas ativadora ou repressora façam seu trabalho, cada uma deve ser capaz de existir em dois estados: um que pode se ligar a seu DNA alvo e outro que não pode. O estado de ligação deve ser apropriado ao conjunto de condições fisiológicas presentes na célula e seu ambiente. Para muitas proteínas regulatórias, a ligação do DNA é feita pela interação de dois sítios diferentes na estrutura tridimensional da proteína. Uma sítio é o domínio de ligação ao DNA. O outro sítio, o sítio alostérico, atua como um interruptor funcional que controla o domínio de ligação do DNA de dois modos: funcional ou não funcional. O sítio alostérico interage com pequenas moléculas chamadas efetores alostérico. No metabolismo de lactose, o açúcar lactose é um efetor alostérico. Um efetor alostérico liga-se ao sítio ao sítio alostérico da proteína regulatória de tal modo que muda a estrutura do domínio de ligação ao DNA. Alguma proteína ativadoras ou repressoras devem se ligar a seus efetores alostéricos antes que possam se ligar ao DNA. Outras podem se ligar ao DNA apenas na ausência de seus efetores alostéricos.
Os efetores alostéricos controlam a habilidade das proteínas ativadoras ou repressora em se ligar a seus sítios alvo no DNA.
Um primeiro exame do circuito regulador lac O trabalho de François Jacob e Jacques Monod nos anos 1950 mostrou como o metabolismo da lactose é regulada geneticamente. Examinemos o sistema sob duas condições: a presença e a ausência de lactose. As características para a regulação de lac incluem genes codificantes de proteínas de ligação ao DNA.
Genes estruturais lac O metabolismo da lactose requer duas enzimas: uma permease para transportar lactose para a célula e a β-galatosidase para quebrar a molécula de lactose produzindo glicose e galactose. As estruturas da β-galatosidase e proteína permease são codificadas por duas sequências adjacentes, Z, e Y, respectivamente. Uma terceira sequência contínua codifica uma enzima adicional, chamada transacetilase, que não é necessária para o metabolismo da lactose. Chamaremos Z, Y e A de genes estruturais, em outras palavras, segmentos que codificam a estrutura da proteína, e julgaremos esta designação posteriormente. A regulação da produção deste mRNA coordena a síntese de todas as três enzimas. Isto é, são produzidas todas ou nenhuma.
Se os genes codificantes de proteínas constituem uma única unidade de transcrição, a expressão de todos estes genes será regulada coordenadamente. Componentes regulatórios do sistema lac Os principais componentes regulatórios do sistema metabólico da lactose incluem a proteína regulatória da transcrição e dois sítios de ancoragem, um sítio para a proteína regulatória e outro sítio par a RNA polimerase. O gene para o repressor Lac. Um quarto gene, o gene I, codifica a proteína repressora Lac, assim chamada porque bloqueia a expressão dos genes Z,Y e A. O gene I fica mapeado perto dos genes Z,Ye A, mas esta proximidade não parece ser importante para seu funcionamento. O sítio promotor lac. O promotor (P) é o sítio no DNA ao qual se liga a RNA polimerase para iniciar a transcrição dos genes estruturais lac (Z,Y e A). O sítio operador lac. O operador (O) é o sítio no DNA no qual se liga o repressor Lac. Ele está situado entre o promotor e o gene Z perto do ponto no qual começa a transcrição do mRNA multigênico.
A indução do sistema lac