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14.1: O que é a Expressão Genética?
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What is Gene Expression?
 
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14.1: What is Gene Expression?

14.1: O que é a Expressão Genética?

Overview

Gene expression is the process in which DNA directs the synthesis of functional products, such as proteins. Cells can regulate gene expression at various stages. It allows organisms to generate different cell types and enables cells to adapt to internal and external factors.

Genetic Information Flows from DNA to RNA to Protein

A gene is a stretch of DNA that serves as the blueprint for functional RNAs and proteins. Since DNA is made up of nucleotides and proteins consist of amino acids, a mediator is required to convert the information that is encoded in DNA into proteins. This mediator is the messenger RNA (mRNA). mRNA copies the blueprint from DNA by a process called transcription. In eukaryotes, transcription takes place in the nucleus by complementary base-pairing with the DNA template. The mRNA is then processed and transported into the cytoplasm where it serves as a template for protein synthesis during translation. In prokaryotes, which lack a nucleus, the processes of transcription and translation occur at the same location and almost simultaneously since the newly-formed mRNA is susceptible to rapid degradation.

Gene Expression Can Be Regulated at Any Stage during Transcription

Every cell of an organism contains the same DNA, and consequently the same set of genes. However, not all genes in a cell are “turned on” or use to synthesize proteins. A gene is said to be “expressed” when the protein it encodes is produced by the cell. Gene expression is regulated to ensure proper generation of proteins in specific cells at specific times. Various intrinsic and extrinsic mechanisms regulate gene expression before and during transcription.

The structure of chromatin—compacted DNA and its associated histone proteins—can be chemically modified to be open or closed. Such modifications allow or restrict access of the transcriptional machinery to the DNA. Chromatin modification is an intrinsic mechanism employed during development to form different cell types (e.g., neuron versus muscle cell) from the same genome.

DNA-binding proteins, called transcription factors, regulate transcription by binding to specific DNA sequences near or within the coding regions of genes. Transcription factors that promote the initiation of transcription are called activators. Proteins that prevent the transcription machinery from binding to the transcription initiation site are called repressors. Transcriptional activators or repressors respond to external stimuli such as signaling molecules, nutritional deficiencies, temperature, and oxygen.

Gene Expression Can Be Post-transcriptionally and Post-translationally Regulated

Gene expression can be regulated by post-transcriptional mRNA processing. In eukaryotes, transcribed mRNA undergoes splicing and other modifications that protect the ends of the RNA strand from degradation. Splicing removes introns—segments that do not encode proteins—and joins together the protein-coding regions called exons. Alternative splicing allows for the expression of functionally diverse proteins from the same gene. Regulation of gene expression by alternative splicing plays an important role in organ development, cell survival and proliferation, and adaptation to environmental factors.

Gene expression can also be altered by regulating the translation of mRNA into proteins. Translation can be regulated by microRNAs—small, non-coding RNAs—that bind to a specific mRNA sequence and block initiation of translation or degrade the transcribed mRNA. In addition, proteins called translational repressors can bind to RNA and interfere with the initiation of translation.

Translated polypeptides undergo processing to form functional proteins. The addition or removal of chemical groups can alter the activity, stability, and localization of proteins in a cell. For instance, the addition or removal of phosphoryl groups (–PO32-) can activate or inactivate proteins. Similarly, the addition of ubiquitin groups causes protein degradation. Thus, post-translational protein modifications are the final stage of gene regulation.

Visão Geral

A expressão genética é o processo em que o DNA guia a síntese de produtos funcionais, como proteínas. As células podem regular a expressão genética em várias alturas. Isto permite que os organismos produzam diferentes tipos de células e permite que as células se adaptem a fatores internos e externos.

A Informação Genética Flui do DNA para o RNA para a Proteína

Um gene é uma porção de DNA que serve como o esboço para RNAs e proteínas funcionais. Como o DNA é composto por nucleótidos e as proteínas consistem em aminoácidos, é necessário um mediador para converter as informações codificadas no DNA em proteínas. Este mediador é o RNA mensageiro (mRNA). O mRNA copia o esboço do DNA por um processo chamado transcrição. Nos eucariotas, a transcrição ocorre no núcleo por emparelhamento de bases complementares com o molde de DNA. O mRNA é então processado e transportado para o citoplasma, onde serve como molde para síntese proteica durante a tradução. Nos procariotas, que não possuem um núcleo, os processos de transcrição e tradução ocorrem no mesmo local e quase simultaneamente, uma vez que o mRNA recém-formado é susceptível a uma rápida degradação.

A Expressão Genética Pode Ser Regulada em Qualquer Altura Durante a Transcrição

Cada célula de um organismo contém o mesmo DNA, e consequentemente o mesmo conjunto de genes. No entanto, nem todos os genes em uma célula estão “ligados” ou são usados para sintetizar proteínas. Diz-se que um gene é “expresso” quando a proteína que codifica é produzida pela célula. A expressão genética é regulada para garantir a produção adequada de proteínas em células específicas em momentos específicos. Vários mecanismos intrínsecos e extrínsecos regulam a expressão genética antes e durante a transcrição.

A estrutura da cromatina—DNA compactado e suas proteínas histonas associada—pode ser quimicamente modificada para abrir ou fechar. Tais modificações permitem ou restringem o acesso da maquinaria transcricional ao DNA. A modificação da cromatina é um mecanismo intrínseco utilizado durante o desenvolvimento para formar diferentes tipos de células (por exemplo, neurónio versus célula muscular) a partir do mesmo genoma.

Proteínas de ligação de DNA, chamadas fatores de transcrição, regulam a transcrição ligando-se a sequências específicas de DNA perto ou dentro das regiões de codificação dos genes. Os fatores de transcrição que promovem o início da transcrição são chamados de ativadores. Proteínas que impedem que a maquinaria de transcrição se ligue ao local de iniciação da transcrição são chamados de repressores. Ativadores ou repressores transcricionais respondem a estímulos externos, como moléculas de sinalização, deficiências nutricionais, temperatura e oxigénio.

A Expressão Genética Pode Ser Regulada Pós-transcrição e Pós-tradução

A expressão genética pode ser regulada pelo processamento de mRNA pós-transcricional. Em eucariotas, o mRNA transcrito sofre splicing e outras modificações que protegem as extremidades da cadeia de RNA da degradação. O splicing remove intrões—segmentos que não codificam proteínas—e une as regiões de codificação de proteínas chamadas exões. O splicing alternativo permite a expressão de proteínas funcionalmente diversas do mesmo gene. A regulação da expressão genética por splicing alternativo desempenha um papel importante no desenvolvimento de órgãos, sobrevivência e proliferação celular e adaptação a fatores ambientais.

A expressão genética também pode ser alterada regulando a tradução do mRNA para proteínas. A tradução pode ser regulada por microRNAs—pequenos RNAs não codificantes—que se ligam a uma sequência de mRNA específica e bloqueiam o início da tradução ou degradam o mRNA transcrito. Além disso, proteínas chamadas repressores translacionais podem ligar-se ao RNA e interferir com o início da tradução.

Polipeptídeos traduzidos passam por um processamento para formarem proteínas funcionais. A adição ou remoção de grupos químicos pode alterar a atividade, estabilidade e localização de proteínas em uma célula. Por exemplo, a adição ou remoção de grupos fosforilo (–PO32-) pode ativar ou inativar proteínas. Da mesma forma, a adição de grupos de ubiquitina causa degradação proteica. Assim, as modificações proteicas pós-translacionais são a fase final da regulação genética.


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