Name: how cells control gene expression
Uploaded: 2020-11-23T11:47:37.000Z
Duration: 2 min 24 s
Channel: JoVE

As células podem regular precisamente a expressão gênica em cada passo, do DNA até a proteína. Esta regulação ocorre durante a transcrição, durante o processamento do RNA, localização, e degradação, e durante e após a tradução. A regulação transcricional é mediada por proteínas que ligam às sequências regulatórias no DNA.Estes fatores da transcrição são uma das maneiras mais comuns para controlar a expressão do gene e podem iniciar a transcrição ou evitá-la. A transcrição gera um pré-mRNA que deve ser processado para mRNA maduro através de vários processos regulados. A junção de mRNA, que remove as regiões não codificadoras no mRNA precursor e une as codificadoras, controla a expressão genómica através de padrões de emenda diferenciais e proteínas de ligação de RNA.A adição de um poli(A)cauda e uma tampa 5-prime para produzir o mRNA maduro também é controlada. Em seguida, o mRNA deve associar-se a proteínas de ligação RNA para formar um complexo conhecido como partícula ribonucleica. Este processo é altamente regulado, e somente um mRNA que existe em uma partícula ribonucleica pode ser transportado do núcleo ao citoplasma para ser traduzido.O controle translacional é outro ponto crucial para a regulação da expressão gênica. A regulação pode ser específica, onde um único ou um subconjunto de mRNAs estão envolvidos, ou geral, onde a maioria das transcrições do mRNA são afetadas. Na regulação específica, a inibição da tradução é controlada através das interações com elementos de transmutação tais como proteínas e certos tipos de RNA, incluindo microRNAs e RNAs de interferência curta.Na regulação geral, as várias proteínas envolvidas na máquina de tradução são ativados ou inibidos, o que afeta todas as transcrições. Finalmente, as modificações pós-translacionais tais como a fosforilação podem ativar ou desativar proteínas enquanto outros como a ubiquitinação, podem conduzir a sua degradação.

<ol>
	<li>Alberts et al., 6ª edição; página 372</li>
	<li>Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Biologia Celular Molecular. 4ª edição. Nova Iorque: W. H. Freeman; 2000. Seção 11.3, Regulamentação do processamento de mRNA.</li>
	<li>Valencia-Sanchez, M. A., Liu, J., Hannon, G. J., & Parker, R. (2006). Controle da tradução e degradação do mRNA por miRNAs e siRNAs. Genes e desenvolvimento, 20(5), 515-524.</li>
	<li>Lei, E. P., & Silver, P. A. (2002). Exportação de proteínas e RNA do núcleo. Célula de desenvolvimento, 2(3), 261-272.</li>
	<li>Hershey, John W B et al. "Princípios de controle translacional: uma visão geral." Perspectivas de Cold Spring Harbor em biologia vol. 4,12 a011528. 1 de dezembro de 2012, doi:10.1101/cshperspect.a011528</li>
</ol>

a regulação da expressão ocorre em várias etapas

Regulation of Expression Occurs at Multiple Steps

A expressão gênica pode ser regulada em quase todas as etapas, do gene à proteína. A transcrição é a etapa mais comumente regulamentada. Isto envolve a ligação de proteínas a sequências reguladoras curtas no DNA. Esta associação pode promover ou inibir a transcrição de um gene associado à respectiva sequência. A transcrição resulta na geração de um precursor (pré-mRNA) que consiste em éxons e íntrons, que precisa de processamento adicional antes de ser traduzido em uma proteína. Isso acontece por meio do splicing do mRNA, que envolve a remoção de regiões não codificantes e a fusão das regiões codificantes. O processamento de mRNA também pode ser usado como um mecanismo regulador através da variação nos padrões de splicing, como omissão de certos exons, splicing alternativo e inclusão de íntrons. A adição de uma cauda poli-A na extremidade 3' e uma tampa 5' para produzir o mRNA maduro também são pontos regulatórios durante o processamento do RNA. A regulação ocorre através da variação no sinal de poliadenilação, que determina onde a cauda poli-A será adicionada ao mRNA. Em alguns casos, mais de um sinal poli-A está presente na extremidade 3', o que alterará o comprimento da região 3' não traduzida, mas o produto proteico final será o mesmo. No entanto, a estabilidade e o potencial de tradução do mRNA das variantes podem diferir, o que pode alterar a quantidade de proteína produzida. Em outros casos, um sinal poli-A adicional está presente no íntron ou no éxon dentro da sequência do gene, o que pode levar à variação nos locais de splicing para poliadenilação e resultar em proteínas diferentes da mesma fita de pré-mRNA. 'cap, que é composto de guanosina metilada, é regulado por dois mecanismos. Uma envolve a regulação das metiltransferases que adicionam o grupo metil à guanosina, e a outra é através da regulação das vias de sinalização celular que levam à metilação. Em seguida, o mRNA maduro precisa ser transportado do núcleo para o citoplasma através de complexos de poros nucleares (NPCs) para ser traduzido. Isto é regulado pelo mRNA para formar um complexo, conhecido como ribonucleopartícula, com proteínas de ligação ao RNA. Os NPCs permitem apenas que os mRNAs que estão no complexo passem para o citoplasma. Uma vez que um mRNA entra no citoplasma para tradução, ele pode ser direcionado individualmente ou como parte de um grupo através de regulamentações específicas, ou pode sofrer uma regulação comum com todos os outros mRNAs no citoplasma. Na regulação específica, determinados elementos de ação trans, como proteínas e diferentes tipos de RNAs, regulam a transcrição. Na regulação geral, as proteínas envolvidas na maquinaria de tradução são ativadas ou inibidas, o que por sua vez afeta a tradução de todas as transcrições. O mecanismo regulador da tradução mais comum é a modificação do fator de iniciação da tradução. A expressão gênica também pode ser regulada por meio de modificações pós-traducionais, onde uma modificação reversível catalisada por enzima pode alterar a função de uma proteína. Uma modificação pós-tradução comum é a fosforilação, que é realizada por enzimas conhecidas como quinases. A desfosforilação de proteínas, por outro lado, é realizada por proteínas conhecidas como fosfatases. A fosforilação de uma proteína pode resultar na sua ativação ou desativação e alterar a sua função.

A regulação da expressão ocorre em várias etapas

A expressão gênica pode ser regulada em quase todas as etapas, do gene à proteína. A transcrição é a etapa mais comumente regulada. Isso envolve o ...

regulation-of-expression-occurs-at-multiple-steps

Education

JoVE Core

Molecular Biology

Biologia Molecular

Unit 1

Unidade 1

Gene Expression

Expressão Gênica

KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMOS-CHAVE E CONCEITOS

how cells control gene expression

Cells control gene expression at several points between DNA and protein. The most common control point is transcription. At this stage, proteins bind to short regulatory DNA sequences and can either increase or reduce transcription of the linked gene.

After transcription, a precursor mRNA is made. This pre-mRNA contains exons, which code for protein, and introns, which do not. It must be processed before translation, and splicing removes the introns and joins the exons. Cells can also regulate gene expression through changes in splicing patterns, including skipping certain exons, alternative splicing, and including introns.

RNA processing also includes adding a 3' poly-A tail and a 5' cap to form mature mRNA. The poly-A tail is added at a site marked by a polyadenylation signal. In some cases, more than one poly-A signal is present at the 3' end. This can change the length of the 3' untranslated region without changing the final protein, but the mRNA variants may differ in stability and translation potential. In other cases, an extra poly-A signal in an intron or exon can change splicing during polyadenylation and produce different proteins from the same pre-mRNA strand.

The 5' cap is a methylated guanosine, and its addition is also regulated. One control route acts through methyltransferases, the enzymes that add the methyl group. Another route works through cellular signaling pathways that lead to methylation. After processing, mature mRNA must leave the nucleus through nuclear pore complexes. It does this by forming a ribonucleoparticle with RNA-binding proteins, and only mRNAs in this complex can pass into the cytoplasm.

Once mRNA reaches the cytoplasm, translation can be regulated in specific ways or in a more general way. Specific regulation affects particular transcripts through trans-acting elements such as proteins and different types of RNA. General regulation affects all cytoplasmic mRNAs by turning translation machinery proteins on or off. The most common translational control step is modification of the translation initiation factor. Gene expression can also change after a protein is made through post-translational modifications. A common example is phosphorylation, which is carried out by kinases, while phosphatases remove the phosphate group through dephosphorylation. Phosphorylation can activate or deactivate a protein and change its function.

How Cells Control Gene Expression

cell specific gene expression

How Cells Switch Genes On and Off

Cells switch genes on and off to make different proteins for different jobs. In multicellular organisms, many cell types are built from the same DNA, but they do not use the same genes in the same way. This difference in gene expression helps explain why cells can look and act so differently. Liver cells are a clear example. They help detoxify blood, make bile to help digest fats, and produce proteins needed for metabolism. To do these jobs, liver cells must express a specific set of genes.

regulation of expression occurs at multiple steps

Cells control gene expression at several points between DNA and protein. The most common control point is transcription. At this stage, proteins bind to short regulatory DNA sequences and can either increase or reduce transcription of the linked gene. After transcription, a precursor mRNA is made. This pre-mRNA contains exons, which code for protein, and introns, which do not. It must be processed before translation, and splicing removes the introns and joins the exons. Cells can also regulate...

cis-regulatory sequences

How Cis-Regulatory DNA Controls Transcription

Cis-regulatory sequences are short, non-coding DNA segments that control gene transcription. They sit on the same chromosome as the genes they regulate and act as binding sites for transcriptional regulators. In eukaryotes, these proteins help control gene expression patterns in different cell types. These DNA sequences can be close to a gene or thousands of bases away. When they are far from the gene in the DNA sequence, they are often brought close together in space because chromosomes are...

cooperative binding of transcription regulators

cooperative-binding-of-transcription-regulators

How Transcription Factors Bind DNA

Transcriptional regulators bind to cis-regulatory DNA sequences to control gene transcription. These DNA sequences are very short, usually fewer than ten nucleotide pairs long. Because they are so short, the same sequence can appear by chance in many places across the genome. Some regulators can also bind to groups of similar sequences. That raises the chance of random binding even more. To lower this risk, transcription regulators often form dimers, which are pairs of proteins that bind a DNA...

prokaryotic transcriptional activators and repressors

prokaryotic-transcriptional-activators-and-repressors

Operon Control by Activators and Repressors

Operon control in prokaryotes depends on activators and repressors. Prokaryotic genes are often arranged in groups, not one by one like in eukaryotes. Genes that help carry out the same biochemical process are placed together with their regulatory elements. This group is called an operon, and it is transcribed into a single polycistronic mRNA strand. Activators and repressors are DNA-binding proteins that control transcription in an operon. Activators bind near the promoter, which is the site...

operons

Operons in Bacterial Gene Control

Operons help bacteria control groups of genes at the same time. An operon is a set of genes that are regulated together and can be turned on or off as a unit. This shared control helps bacteria respond quickly to changes in their environment. In many operons, a promoter gives RNA polymerase a place to bind and start transcription. The operon also includes a regulatory region that helps control whether the genes are expressed. When conditions change, the cell can use this setup to manage gene...

the eukaryotic promoter region

Eukaryotic Promoter Motifs and Gene Control

The eukaryotic promoter region is a stretch of DNA located upstream of a gene. It includes an RNA polymerase binding site, a transcription start site, and several cis-regulatory sequences. These DNA signals help control when transcription begins. The promoter can be divided into proximal and distal regions. The proximal promoter lies close to the gene and includes cis-regulatory sequences and the core promoter. The core promoter is the RNA polymerase binding site, and it is usually found...

co-activators and co-repressors

Chromatin Control in Gene Transcription

Chromatin control plays a major role in gene transcription in eukaryotes. Gene expression is regulated by several proteins that work together at a gene regulatory site. Some of these proteins bind directly to specific DNA sequences, while co-regulators attach to those regulators but do not bind DNA on their own. Co-regulators can act as co-activators or co-repressors, depending on the complex they join. One co-regulator may even switch roles in different settings. For example, the...

eukaryotic transcription activators

How Transcription Activators Turn Genes On

Transcription activators are proteins that help turn genes on by promoting transcription from DNA to RNA. They often have two parts. One part binds to DNA, and the other part activates transcription. In some proteins, such as the glucocorticoid receptor and MyoD, one domain can do both jobs. The DNA-binding part recognizes specific regulatory sequences on the DNA. These binding domains are grouped into families based on their structure. Common examples include the leucine zipper, zinc finger,...

eukaryotic transcription inhibitors

How Eukaryotic Gene Repressors Work

Eukaryotic gene repressors help turn specific genes off when the cell needs to control growth, development, or other biochemical processes. These DNA-binding proteins regulate gene expression in eukaryotes. Their presence at the right time and place can be triggered by hormones and signals from other cells. Most transcription inhibitors have two main parts. One part binds DNA, and the other is a repressor domain, which helps shut down transcription. Repressor domains can connect with basal...

combinatorial gene control

Gene Expression by Transcription Factor Combinations

Gene expression can depend on combinations of transcription factors working together. In combinatorial gene control, several transcription factors act in a coordinated way to regulate a single gene. If one or more of these factors are missing, the level of gene expression or repression can change a lot. This kind of control helps explain how a relatively small number of transcription factors can regulate a very large number of genes. More than 30,000 genes are controlled by about 2,000 to...

induced pluripotent stem cells

Reprogramming Cells into Stem Cells

Induced pluripotent stem cells are created by reprogramming mature cells back into a stem-cell state. This process shows that specialized cells can be changed into cells with broader developmental potential. The topic is important in biology because it links cell identity, gene control, and stem cell research. These cells begin as ordinary body cells and are pushed to de-differentiate, or lose their specialized features. After reprogramming, they behave like pluripotent stem cells, which means...

master transcription regulators

MEF2C and Gene Control Cascades

MEF2C is a master transcription regulator that controls gene expression in coordinated cascades. These regulators are proteins that manage the activity of multiple genes that often work together to produce a complex outcome. When a master transcription regulator is activated, it can start a chain of transcriptional activation that supports that outcome. Master transcription regulators can act in two main ways. They may bind directly to the regulatory sequences of several genes involved in a...

epigenetic regulation

DNA Methylation and Histone Changes

Epigenetic regulation controls gene activity without changing the DNA sequence. It helps determine when genes are turned on or off in a cell. Two major epigenetic mechanisms are DNA methylation and histone modification. DNA methylation adds chemical groups to DNA, while histone changes affect how tightly DNA is packed around histone proteins. These changes can make genes easier or harder to use. In high school biology, epigenetic regulation is important for understanding how cells with the...

genomic imprinting and inheritance

Genomic Imprinting in Human Disease

Genomic imprinting affects how some inherited genes are turned on or off in human cells. Diploid organisms inherit chromosomes from both parents, and each gene usually has two alleles. In most cases, both alleles are expressed. If one allele is missing or mutated, the other can often compensate, but some genes do not work that way. In genomic imprinting, a gene or its regulatory sequence carries chemical tags, such as methyl groups, on the copy inherited from only one parent. These tags are...

key terms and concepts

Explore how gene expression is controlled at transcription, RNA processing, mRNA export, translation, and protein phosphorylation in high school biology.

How Cells Control Gene Expression | JoVE K12

molecular biology

JoVE Core Biologia Molecular mostra os processos moleculares da célula através de vídeos de animação claros e concisos. Além disso, nos vídeos de Cientistas em ação, a aplicação desses conceitos é demonstrada por meio de experimentos reais em laboratórios modernos.

How Cells Control Gene Expression

Description

Transcript

Tags