Operons e regulação de genes em bactérias

RKA - Então, vamos falar um pouco sobre a regulação do DNA. Isto é, sobre a ideia geral de que se você olhar o genoma de um organismo nem todos os genes estão sendo transcritos e traduzidos ao mesmo tempo. Esses genes, na verdade, têm a sua atividade dependente do tipo de célula e do ambiente no qual está inserido. Assim, se você olhar um organismo multicelular... Digamos que essa é uma célula imunológica e essa é uma célula muscular. Isso é apenas para termos uma ideia, uma vez que as células de verdade não são círculos perfeitos, como os representados aqui. Essas células têm exatamente o mesmo DNA, mas esse DNA tem papéis muito diferentes em cada uma. Eles se apresentam de maneira diferente e produzirão proteínas e enzimas diferentes em cada uma dessas duas células. Podemos nos perguntar: "Se essas células têm exatamente o mesmo genoma, como é que elas regulam quais desses genes serão transcritos e traduzidos e quais não serão?" Essa pergunta é válida também para organismos unicelulares, como a bactéria que temos aqui representada. De maneira semelhante, a bactéria não vai transcrever e traduzir todos os seus genes ao mesmo tempo. Vejamos no cromossomo bacteriano, que é circular, desenhado aqui. Suponhamos que esse é um gene envolvido na digestão de determinado alimento, caso o alimento esteja presente. Pode ocorrer de, ao invés de um único gene, serem vários genes (aqui representados os três em rosa). Assim, vários genes envolvidos na digestão desse alimento específico deverão ser transcritos e traduzidos em conjunto. Talvez, existam mais alguns genes aqui relacionados com algum mecanismo de stress, por exemplo, que devem ser expressos caso a bactéria tenha de entrar em hibernação. Assim, se o alimento está próximo, os genes envolvidos na digestão desse alimento serão expressos, ao passo que se ele não está próximo, não há necessidade de expressar esses genes. Essa é a ideia de regulação da expressão do DNA, independentemente se você está tratando de um eucarioto ou de um procarioto. Nesse vídeo, nós vamos falar com o foco um pouco mais voltado aos procariotos, especialmente as bactérias. Quando falamos sobre transcrição em geral, em vários vídeos anteriores, conversamos sobre a ideia de um promotor. Um gene é uma seqüência de DNA que faz parte do cromossomo como um todo mais amplo. Eu disse: "A RNA polimerase precisa se ligar em algum lugar, de modo que a RNA polimerase necessita se anexar a alguns lugares, que chamamos de promotores, para, em seguida, transcrever o gene". Quando falamos pela primeira vez sobre a ideia de um promotor, que é uma sequência de DNA reguladora, dissemos: "Isso é geralmente verdade em eucariotos e cada promotor está associado a um gene, ou então que cada gene possui um promotor". Mas quando falamos de procariotos, e nesse caso estamos falando da bactéria, é comum termos vários genes agrupados e um promotor associado a eles. Assim, o promotor, que é essa parte aqui, é uma sequência de DNA associada a três genes seguintes. Agora, temos a RNA polimerase, representada aqui por essa bolha em rosa, que é uma proteína que irá se anexar ao promotor e, então, começará a transcrever todos esses genes, como um único pacote. Quando você tem um promotor associado a vários genes, você tem o que chamamos de "operon". Isto é, denomina-se "operon" a combinação de um promotor com os genes aos quais ele está associado. O "operon" tem como função sinalizar a RNA polimerase onde ela deve iniciar a transcrição e, consequentemente, quais genes devem ser transcritos. Em seguida, é claro, o processo de transcrição prossegue com a formação do RNA mensageiro, que se dirige aos ribossomos, de modo finalmente a produzir as proteínas que desempenham suas funções no interior ou, eventualmente, no exterior da célula. Então, vamos um pouco mais a fundo no que pode melhorar esse processo, no que pode fazer com que aconteça com mais frequência ou, então, que ele pare de alguma forma. Como mencionei e desenhei antes, temos nosso grande complexo de RNA polimerase, aqui representado de forma muito simplificada, atracado à sequência regulatório do DNA, que chamamos de promotor. Então, isso irá transcrever o DNA, produzindo o RNA mensageiro, que porta a informação dos genes. Suponhamos que estamos em um ambiente no qual não desejamos transcrever um "operon" em particular, ou podemos dizer com o mesmo sentido, não desejamos transcrever uma série particular de genes. Então, algo em nosso ambiente deve permitir que repressores atuem. O que podemos falar sobre estes repressores? Bem, um repressor representado aqui, anexa uma sequência de DNA consecutiva ao promotor, bloqueando a RNA polimerase de efetuar a transcrição. Por isso, essa proteína, chamada de repressor, é responsável por, literalmente, reprimir a transcrição, e a região do DNA onde o repressor se liga, isto é, a seqüência de DNA reguladora onde se liga o repressor, é denominada operador. Assim, temos o promotor, que é a sequência de DNA regulador, onde RNA polimerase se liga, iniciando a transcrição, e o operador, que é a sequência de DNA regulador, onde o repressor se liga, reprimindo a ação da RNA polimerase e impedindo a transcrição. Pode haver, ainda, mecanismos adicionais, que você pode vê-los como mecanismo de retroalimentação ou como maneiras de compreender o ambiente. Tais situações fazem com que o repressor seja uma molécula que apenas cumpre sua função se houver outras moléculas ligadas a ele. Essas moléculas são, então, chamadas de co-repressores. (Entraremos em mais detalhes quando falarmos do triptofano, um aminoácido que pode atuar como correpressor). Agora, temos aqui a situação contrária: queremos que a transcrição ocorra mais vezes, que o processo seja mais intenso. Nesse caso, teremos algo que chamamos de ativador e essa seria a sequência de DNA reguladora, onde o ativador se liga. Quanto mais ativadores houver, mais transcrições irão ocorrer e, da mesma maneira que temos correpressores, há pequenas moléculas que promovem a ação dos ativadores, que chamamos de indutores. Portanto, essa proteína não podia ativar o "operon" até ter a presença de indutores. Nós vamos estudar isso um pouco mais quando falarmos sobre a carência de "operons". Os indutores podem ser pequenos glicídios de algum tipo, que ativam essa ligação. Então, essa é apenas uma visão geral de alto nível da regulação de expressão do DNA. Como você pode imaginar, isso pode ficar muito, muito interessante e complexo, considerando que há repressores e correpressores, ativadores e indutores, todos dependentes do ambiente em que a célula está, dependentes do que está acontecendo em um ecossistema muito mais amplo. Há todos os tipos de retroalimentação positiva e negativa, e é por isso que, mesmo que tenhamos toda sequência de genes e todo o genoma sequenciado, é incrivelmente complexo entendermos todas as relações de retroalimentação positiva e negativa entre todos esses fatores.