Introdução à Genética
11 Regulação da Expressão Gênica em Bactérias e seus Vírus
O controle da expressão gênica é regulado primariamente por proteínas de ligação ao DNA que reconhecem sequências de controle específicas dos genes. Aqui, está modelada a ligação da proteína repressora Lac ao DNA do operador lac. (Kenneth Eward/Science Source.)
TÓPICOS
11.1 Regulação gênica
11.2 Descoberta do sistema lac | Controle negativo
11.3 Repressão catabólica do óperon lac | Controle positivo
11.4 Duplo controle positivo e negativo | Óperon da arabinose
11.5 Vias metabólicas e níveis adicionais de regulação | Atenuação
11.6 Ciclos de vida de bacteriófagos | Mais reguladores, óperons complexos
11.7 Fatores sigma alternativos regulam grandes conjuntos de genes
RESULTADOS DE APRENDIZAGEM
Após ler este capítulo, você será capaz de:
• Contrastar regulações positiva e negativa da expressão gênica e explicar como ambos os mecanismos controlam a
atividade do operon lac
• Identi car os componentes de ação trans e de ação cis dos óperons, e prever o efeito de mutações nesses
componentes sobre a expressão gênica
• Comparar como moléculas simples acionam alterações na expressão gênica de diferentes óperons em bactérias
• Explicar os papéis das proteínas de ligação ao DNA sequência-especí ca e as sequências reguladoras do DNA na
coordenação da expressão de conjuntos de genes em bactérias e bacteriófagos.
E m dezembro de 1965, o rei da Suécia concedeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina a François Jacob, Jacques Monod e André Lwoff, do Instituto Pasteur, por suas descobertas sobre como a expressão gênica é regulada ( Figura 11.1 ). O prêmio foi o fruto de uma excepcional colaboração entre três cientistas esplêndidos. Foi também um triunfo sobre grandes obstáculos. Eram poucas as chances de que cada um desses três homens vivesse para ver aquele dia, ainda mais para receber as referidas honrarias.
Vinte e cinco anos antes, Monod era um doutorando na Sorbonne, em Paris, e trabalhava
com um fenômeno em bactérias denominado “adaptação enzimática”, algo tão obscuro para alguns que o diretor do laboratório de zoologia onde ele trabalhava declarou: “O que Jacques Monod está realizando é de absolutamente nenhum interesse para a Sorbonne.” Jacob era um estudante de medicina de 19 anos de idade que pretendia tornar-se cirurgião. Lwoff naquela época era um membro bem-estabelecido do Instituto Pasteur em Paris, chefe do departamento de fisiologia microbiana.
Então, veio a Segunda Guerra Mundial.
Na medida em que a França foi invadida e rapidamente derrotada, Jacob correu até a
costa para se juntar às forças francesas livres que se reuniam na Inglaterra. Ele serviu como médico no norte da África e na Normandia até que foi gravemente ferido. Monod se juntou à Resistência Francesa enquanto continuava seu trabalho. Após uma incursão da Gestapo em seu laboratório na Sorbonne, Monod decidiu que trabalhar ali era muito perigoso (seu predecessor na Resistência foi preso e executado), e André Lwoff ofereceu a ele um espaço no Pasteur. Monod, por sua vez, conectou Lwoff com a Resistência.
FIGURA 11.1 François Jacob, Jacques Monod e André Lwoff receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1965 por seu trabalho pioneiro sobre como a expressão gênica é regulada. (Instituto Pasteur.)
Após a libertação de Paris, Monod serviu no Exército francês e teve acesso a um artigo de
Oswald Avery e colegas que demonstrava que o DNA é o material hereditário em bactérias
(ver Capítulo 7). Seu interesse por genética foi reacendido, e ele reencontrou Lwoff depois da guerra. Enquanto isso, as lesões de Jacob eram muito graves para que ele seguisse uma carreira em cirurgia. Inspirado pelo enorme impacto dos antibióticos introduzidos tardiamente durante a guerra, Jacob finalmente decidiu seguir a pesquisa científica. Jacob se aproximou de Lwoff diversas vezes pretendendo uma posição em seu laboratório, mas foi recusado. Ele fez uma última tentativa e encontrou Lwoff em um humor jovial. O cientista sênior disse a Jacob: “Você sabe, acabamos de descobrir a indução do prófago. Você estaria interessado em trabalhar com o fago?” Jacob não tinha ideia sobre o que Lwoff estava falando. Ele gaguejou: “Isso é exatamente o que eu gostaria de fazer.”
O elenco estava estabelecido. O desdobramento na década subsequente foi uma das
colaborações mais criativas e produtivas na história da genética, cujas descobertas ainda reverberam por toda a biologia atualmente.
Uma das percepções mais importantes ocorreu não no laboratório, mas em um cinema.
Lutando para preparar uma palestra, Jacob optou por levar sua esposa, Lise, a uma matinê de domingo. Aborrecido e sonhando acordado, Jacob elaborou uma conexão entre o trabalho que ele estava realizando sobre a indução do prófago e aquele de Monod sobre a indução da síntese enzimática. Jacob foi “envolvido por uma súbita animação misturada a um vago prazer (…) Ambos os experimentos (…) sobre o fago (…) e aquele realizado com Pardee e Monod no sistema da lactose (…) são os mesmos! Mesma situação. Mesmo resultado (…) Em ambos os casos, o gene regula a formação (…) de um repressor que bloqueia a expressão de outros genes e, assim, evita a síntese de galactosidase ou a multiplicação do vírus (…) Onde o repressor pode atuar para interromper tudo de uma vez? A única resposta
simples (…) é no próprio DNA!”1
E, assim, nascia o conceito de um repressor que atua no DNA para reprimir a indução de
genes. Seriam necessários muitos anos antes que os repressores hipotéticos fossem isolados e caracterizados bioquimicamente. Os conceitos trabalhados por Jacob e Monod e explicados neste capítulo — RNA mensageiro, promotores, operadores, genes reguladores, óperons e proteínas alostéricas — foram deduzidos inteiramente a partir de evidências genéticas, e esses conceitos modelaram o futuro campo da genética molecular.
Walter Gilbert, que isolou o primeiro repressor e que posteriormente recebeu um Prêmio
Nobel em Química por coinventar um método de sequenciamento do DNA, explicou o efeito do trabalho de Jacob e Monod naquela época: “A maior parte das descobertas cruciais na ciência são de uma tal natureza tão simples que é muito difícil até mesmo de conceber sem de fato realizar a experiência envolvida na descoberta… A sugestão de Jacob e Monod
tornou as coisas que eram completamente obscuras muito simples.”2
Os conceitos que Jacob e Monod iluminaram muito além das enzimas e dos vírus
bacterianos. Eles compreenderam, e foram capazes de articular com eloquência excepcional, como as suas descobertas a respeito da regulação gênica estavam relacionadas aos mistérios gerais da diferenciação celular e do desenvolvimento embrionário em animais. Os dois homens uma vez gracejaram: “qualquer coisa que se observe ser verdadeira para a E. coli
também deve ser verdadeira para os elefantes.”3 Nos próximos três capítulos, veremos até que grau essa afirmação é verdadeira. Iniciaremos neste capítulo com exemplos bacterianos que ilustram temas-chave e mecanismos-chave na regulação da expressão gênica. Enfocaremos amplamente proteínas reguladoras únicas e os “interruptores” genéticos sobre
as quais elas atuam. Em seguida, no Capítulo 12, abordaremos a regulação gênica em células eucarióticas, que envolve um maquinário bioquímico e genético mais complexo. E,
finalmente, no Capítulo 13, examinaremos o papel da regulação gênica no desenvolvimento de animais multicelulares. Ali veremos como conjuntos de proteínas reguladoras atuam sobre arranjos de interruptores genéticos para controlar a expressão gênica no tempo e no espaço e coreografar a construção de corpos e partes corporais.