biodesafios: Operão lac e triptofano

segunda-feira, janeiro 29, 2007

Operão lac e triptofano

O controlo da expressão génica

As necessidades de um microrganismo como a bactéria Escherichia coli são muito variadas e mudam constantemente. Para cada situação determinada a bactéria precisa lançar mão de uma bateria de enzimas e proteínas, que não estavam disponíveis momentos antes e que provavelmente não serão mais necessárias minutos depois. Como consegue o organismo ligar e desligar genes, que comandarão a síntese de mRNAs, que darão origem por fim às proteínas necessárias? A este processo chamamos controle da expressão génica.

O operão lac

Há muitos diferentes mecanismos de controle da expressão génica, mesmo se considerarmos apenas a bactéria E. coli. Por isso procuraremos nos concentrar na análise de um deles, que tem muita aplicação em engenharia genética. Este mecanismo foi explicado pelos franceses François Jacob e Jacques Monod, que receberam por isso o Prémio Nobel em Medicina, em 1965, juntamente com Andre Lwoff. Eles estudaram os genes que codificam as enzimas responsáveis pela degradação da lactose em E. coli. O modelo que discutimos a seguir já incorpora as modificações subsequentes, fruto das contribuições de grupos de pesquisa no mundo todo, e exemplifica de forma didáctica um mecanismo que é comum a muitos outros microrganismos e observado na regulação de muitos genes.
Através de experiências em genética clássica Jacob e Monod criaram um modelo no qual o promotor, associado a um outro chamado operador, controlava a expressão de todos os genes imediatamente “abaixo”, isto é, 3’, do promotor. A este conjunto chamaram operão. Como os genes que estudavam eram os responsáveis pela síntese das proteínas que degradavam lactose, chamaram a este arranjo de genes operão lac. O diagrama básico do operão lac está representado nas figuras a seguir.

Figura: Distribuição dos genes e módulos de controlo do operão lac. O gene i para o repressor lac, expresso constitutivamente, está situado próximo ao conjunto dos genes induzíveis lacZ, lacY e lacA, responsáveis pela síntese das proteínas b-galactosidase, permease e transacetilase. O promotor P é controlado pelo operador O, onde se ligam duas moléculas do repressor.

Existem três categorias de genes:

-O regulador; o operador e os estruturais;
-O regulador controla o operador e este, os estruturais;
-O gene regulador produz uma proteína chamada repressor;
-O repressor se liga ao gene operador, impedindo a ligação da RNA polimerase e portanto impedindo a transcrição dos genes estruturais que codificam as enzimas de degradação da lactose;
-Quando o indutor (no caso a lactose) é adicionada ao sistema, este se liga ao repressor, liberando o operador, o que permitirá a ligação da RNA polimerase ao sítio promotor e consequentemente os 3 genes estruturais serão transcritos.

Figura: Esquema representativo do controle da transcrição dos genes para as enzimas responsáveis pelo uso da lactose em E. coli. O repressor, produto do gene i, liga-se ao operador (em verdade, duas moléculas), impedindo a ligação da RNApolimerase ao sítio promotor P e bloqueando a transcrição. A lactose no citosol bacteriano liga-se ao repressor, inactivando-o e liberando o promotor para ser ligado pela RNApol. O processo de transcrição estará liberado até que a concentração citosólica de lactose seja insuficiente para garantir a inactivação das moléculas do repressor.

Que importância tem o operão lac na genética molecular? Muitos dos vectores de expressão, sejam eles fagos ou plasmídeos, empregados em engenharia genética, têm o gene clonado sob o controle de um promotor/operador lac. Este sistema propicia o controle da expressão do gene clonado através da adição de um análogo da lactose, o IPTG (isopropiltiogalactosídeo). Este produto é muitas vezes mais efectivo que a lactose na indução da expressão do operão lac, além de não ser degradado.

O Sistema Repressor pode ser exemplificado pelo Operão Triptofano

O triptofano é um aminoácido essencial nos eucariontes, porém as bactérias podem sintetizá-lo, mas isso só ocorre se ele não estiver disponível no meio. Quando adicionado ao meio de cultura a bactéria cessa a produção de triptofano em aproximadamente 10 minutos.
Este operão possui cinco genes estruturais (Tryp A-E) relacionados as cinco etapas na produção do triptofano.
O repressor não tem afinidade espontânea pelo operador, o qual estando livre permite a passagem da RNA polimerase.
Quando o triptofano está presente adiciona-se um co-repressor que se liga ao repressor e este conjunto liga-se ao operador interrompendo o funcionamento do operão.

Figura: Esquema representativo do controle da transcrição dos genes para as enzimas responsáveis pela síntese de triptofano na E. coli, no nível de repressão do operador. O repressor é inactivo logo após sua síntese e necessita do triptofano para activar-se. Quando isto ocorre, ele se liga ao operador, impedindo a ligação da RNApol ao sítio promotor Ptryp e bloqueando a transcrição. O processo de transcrição é de novo liberado quando a concentração citosólica de triptofano é insuficiente para garantir a activação das moléculas do repressor.

Nos eucariontes há ainda bastante incerteza quanto aos mecanismos de regulação génica, são poucos os exemplos de controlo génico em contraposição aos conhecimentos adquiridos a partir de procariontes.
Esses mecanismos de regulação citados podem ser classificados também como regulação a curto prazo (reversível) e a longo prazo (irreversíveis).