Introdução à Genética
11.2 Descoberta do sistema lac | Controle negativo
Resumiremos como o interruptor lac atua. Na ausência de um indutor (alolactose ou um
análogo), o repressor Lac se liga ao sítio operador lac e evita a transcrição do óperon lac por meio do bloqueio da movimentação da RNA polimerase. Nesse sentido, o repressor Lac atua como um bloqueio no DNA. Consequentemente, todos os genes estruturais do óperon lac (os genes Z, Y e A) são reprimidos e existem muito poucas moléculas de β-galactosidase, permease ou transacetilase na célula. Contrariamente, quando um indutor está presente, ele se liga ao sítio alostérico de cada subunidade do repressor Lac, inativando, assim, o sítio que se liga ao operador. O repressor Lac sai do DNA, possibilitando que tenha início a transcrição dos genes estruturais do óperon lac. As enzimas β-galactosidase, permease e transcetilase agora aparecem na célula de modo coordenado. Assim, quando a lactose está presente no ambiente de uma célula bacteriana, a célula produz as enzimas necessárias para a sua metabolização. Mas quando nenhuma lactose está presente, os recursos não são gastos.
11.2 Descoberta do sistema lac | Controle negativo
Para estudar a regulação gênica, idealmente necessitamos de três ingredientes: um ensaio bioquímico que nos possibilite medir a quantidade de mRNA ou de proteína expressa, ou de ambos, condições confiáveis nas quais os níveis de expressão sejam diferentes em um genótipo do tipo selvagem e mutações genéticas que perturbem os níveis de expressão. Em outras palavras, precisamos de um modo para descrever a regulação do gene do tipo selvagem e necessitamos de mutações que possam romper o processo regulador do tipo selvagem. Com esses elementos em mãos, podemos analisar a expressão em genótipos mutantes, tratando as mutações de modo único e combinado, para desvendar qualquer tipo de evento de regulação gênica. A aplicação clássica dessa abordagem foi utilizada por Jacob e Monod, que realizaram os estudos definitivos da regulação gênica bacteriana.
Jacob e Monod utilizaram o sistema do metabolismo da lactose de E. coli (ver Figura
11.4) para dissecar geneticamente o processo de indução enzimática — ou seja, o aparecimento de uma enzima específica apenas na presença de seus substratos. Esse fenômeno havia sido observado em bactérias por muitos anos, mas como uma célula possivelmente poderia “saber” precisamente quais enzimas devem ser sintetizadas? Como um substrato em particular poderia induzir o aparecimento de uma enzima específica?
No sistema lac, a presença de lactose faz com que as células produzam mais de 1.000
vezes a quantidade da enzima β-galactosidase que produzem quando cultivadas sem lactose. Que papel a lactose desempenha no fenômeno da indução? Uma ideia era que a lactose estava simplesmente ativando um precursor de β-galactosidase que havia se acumulado na célula. Entretanto, quando Monod e colaboradores acompanharam o destino de aminoácidos marcados radioativamente adicionados ao cultivo das células antes ou após a adição de um indutor, eles observaram que a indução resultava na síntese de novas moléculas de enzimas, conforme indicado pela presença de aminoácidos radioativos nas enzimas. Essas novas moléculas poderiam ser detectadas tão precocemente quanto três minutos após a adição de um indutor. Além disso, a retirada da lactose ocasionou uma interrupção abrupta na síntese da nova enzima. Portanto, tornou-se claro que a célula apresenta um mecanismo rápido e eficaz para ligar e desligar a expressão gênica em resposta a sinais ambientais.