Aula_7-_regulacao_da_expressao_em_procariotas (1).pdf

# Regulação da expressão genética em procariotas A regulação da expressão genética em procariotas é um processo fundamental para a adaptação celular a diferentes ambientes e para a otimização do uso de recursos, podendo ocorrer em diversos níveis, desde a transcrição até a modificação pós-traducional de proteínas [1](#page=1) [2](#page=2). ### 1.1. Níveis de regulação da expressão genética A expressão genética pode ser controlada em diferentes etapas do fluxo genético [1](#page=1): * **Transcrição:** Controle da síntese de RNA a partir do DNA [1](#page=1) [3](#page=3). * **Estabilidade do RNA:** Controle da degradação das moléculas de RNA [1](#page=1). * **Tradução:** Controle da síntese de proteínas a partir do RNA mensageiro (mRNA) [1](#page=1). * **Pós-tradução:** Modificações em proteínas após a sua síntese [1](#page=1). ### 1.2. O gene procariota e o operão Os genes em procariotas possuem estruturas específicas que facilitam sua regulação [4](#page=4): * **Genes estruturais:** Codificam proteínas funcionais, como enzimas [4](#page=4). * **Genes reguladores:** Codificam proteínas reguladoras (repressores ou ativadores) ou RNAs que interagem com o DNA e controlam a expressão de outros genes [4](#page=4). * **Efetores:** Moléculas que interagem com proteínas reguladoras para modular sua atividade. Podem ser **indutores** (ativam a transcrição) ou **co-repressores** (reprimem a transcrição) [4](#page=4). * **Operão:** Um conjunto de genes estruturais adjacentes, controlados por um único promotor e um operador, formando uma unidade de transcrição policistrônica (um único mRNA codifica múltiplas proteínas) [4](#page=4) [5](#page=5). > **Tip:** A estrutura policistrônica dos operões em procariotas permite que genes envolvidos em uma mesma via metabólica sejam transcritos juntos, garantindo sua coordenação [4](#page=4). ### 1.3. Mecanismos de regulação transcricional A regulação transcricional é o principal ponto de controle da expressão gênica em procariotas, envolvendo proteínas reguladoras que se ligam a sequências específicas do DNA, como o promotor ou o operador [3](#page=3) [5](#page=5). #### 1.3.1. Proteínas reguladoras e efetores alostéricos Muitas proteínas reguladoras (ativadores e repressores) possuem sítios alostéricos onde pequenas moléculas, chamadas efetores alostéricos (frequentemente metabolitos), se ligam. Essa ligação altera a conformação da proteína reguladora, modificando sua afinidade pelo DNA [7](#page=7). * **Proteínas ativadoras:** Ligam-se ao DNA e facilitam o acesso da RNA polimerase ao promotor, promovendo a transcrição. Em alguns casos, efetores são necessários para que se liguem ao DNA [8](#page=8). * **Proteínas repressoras:** Ligam-se ao DNA, geralmente no operador, impedindo o acesso da RNA polimerase ao promotor e, assim, bloqueando a transcrição [9](#page=9). #### 1.3.2. Indução e repressão A interação entre proteínas repressoras e efetores determina se um operão estará ativo ou inativo [9](#page=9): * **Indução:** Quando um **indutor** (um tipo de efetor) se liga a uma proteína repressora, a sua capacidade de ligação ao DNA é diminuída ou eliminada, permitindo a transcrição. O gene é ligado ("ligado") [5](#page=5) [9](#page=9). * **Repressão:** Quando um **co-repressor** (outro tipo de efetor) se liga a uma proteína repressora, a sua capacidade de ligação ao DNA é aumentada, bloqueando a transcrição. O gene é desligado ("desligado") [9](#page=9). > **Tip:** A regulação por proteínas ativadoras e repressoras pode ocorrer em conjunto (regulação positiva e negativa) ou isoladamente para um determinado gene [6](#page=6). ### 1.4. Tipos de operões indutíveis e repressíveis Os operões são classicamente classificados com base na natureza da sua regulação [10](#page=10): * **Operões Indutíveis:** Normalmente inativos e ativados pela presença de um substrato (indutor). O exemplo clássico é o **operão da lactose** [10](#page=10). * **Operões Repressíveis:** Normalmente ativos e desativados pela presença de um produto final da via metabólica (co-repressor). O exemplo clássico é o **operão do triptofano** [10](#page=10). #### 1.4.1. O operão Lac (Lactose) O operão Lac é um sistema bem estudado de regulação gênica em *E. coli*, que permite à bactéria metabolizar a lactose como fonte de carbono . * **Genes do operão Lac:** * `lacZ`: Codifica a enzima $\beta$-galactosidase, que hidrolisa a lactose em glicose e galactose . * `lacY`: Codifica a lactose permease, uma proteína transportadora de lactose através da membrana celular . * `lacA`: Codifica uma tiogalactosídeo transacetilase . * **Reguladores:** * **Gene Repressor Lac (`lacI`):** Produz uma proteína repressora que se liga ao operador, impedindo a transcrição dos genes estruturais . * **Mecanismo de regulação:** * **Na ausência de lactose:** O repressor Lac liga-se firmemente ao operador, bloqueando a transcrição . * **Na presença de lactose:** A lactose é convertida intracelularmente em **alolactose**, que atua como indutor. A alolactose liga-se ao repressor Lac, causando uma mudança conformacional que o desliga do operador. Isso permite que a RNA polimerase se ligue ao promotor e transcreva os genes do operão, permitindo o metabolismo da lactose . > **Paradoxo da lactose:** A lactose precisa ser transportada para dentro da célula pela permease e convertida em alolactose pela $\beta$-galactosidase para induzir o operão. Contudo, as enzimas $\beta$-galactosidase e permease só são sintetizadas quando o operão é induzido. Isso é resolvido pelo fato de que o repressor Lac não inibe a transcrição completamente, levando à produção basal de pequenas quantidades dessas enzimas . #### 1.4.2. Repressão Catabólica (Resposta à Glucose) As bactérias, como *E. coli*, preferem a glucose como fonte de carbono e a utilizam em detrimento de outras fontes, como a lactose. Este controle é mediado pela **repressão catabólica** . * **Mecanismo:** Os níveis de glucose no meio de cultura regulam os níveis de AMP cíclico (cAMP) . * **Alta glucose:** Baixos níveis de cAMP . * **Baixa glucose:** Altos níveis de cAMP . * **Proteína Ativadora Catabólica (CAP):** O cAMP se liga à proteína CAP, formando um complexo CAP-cAMP. Este complexo, por sua vez, auxilia a ligação da RNA polimerase ao promotor do operão Lac . * **Regulação combinada:** * **Presença de glucose e lactose:** O operão Lac é geralmente desligado devido à repressão catabólica (baixa CAP-cAMP ativação) . * **Ausência de glucose e presença de lactose:** O repressor Lac está desligado (devido à alolactose), e o complexo CAP-cAMP está presente, promovendo alta transcrição do operão Lac . * **Ausência de glucose e ausência de lactose:** O repressor Lac está ligado, e o complexo CAP-cAMP está presente, mas a transcrição não ocorre devido ao bloqueio do operador . > **Estrutura da CAP:** A proteína CAP possui um domínio $\textit{helix-turn-helix}$ que interage com o DNA . ### 1.5. Outros níveis de regulação Embora a regulação transcricional seja predominante, outros mecanismos contribuem para o controle fino da expressão gênica em procariotas [1](#page=1). * **Estabilidade do RNA:** A taxa de degradação do mRNA pode influenciar a quantidade de proteína produzida. * **Tradução:** O controle da taxa de iniciação, elongação e terminação da tradução. * **Pós-tradução:** Modificações como fosforilação, metilação ou clivagem proteolítica podem ativar ou inativar proteínas. ### 1.6. Efetores ambientais e resposta celular Os procariotas respondem a sinais ambientais, como a disponibilidade de nutrientes, através da regulação da expressão gênica. Metabolitos e outras pequenas moléculas atuam como efetores, alterando a atividade de proteínas reguladoras e, consequentemente, controlando quais genes são expressos [7](#page=7). > **Tip:** O estudo dos operões em procariotas, como o operão Lac, foi pioneiro na compreensão dos mecanismos de regulação gênica e rendeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina a François Jacob e Jacques Monod em 1965 . --- # Operões indutíveis e repressíveis Operões são unidades funcionais de expressão gênica que permitem a regulação coordenada da síntese de proteínas relacionadas em bactérias, atuando de forma indutível ou repressível [5](#page=5) [9](#page=9). ### 2.1 Regulação de operões A regulação de operões envolve proteínas repressoras que se ligam ao DNA, impedindo o acesso da RNA polimerase. A interação de um efetor (indutor ou co-repressor) com o repressor pode modular essa ligação, levando à indução (Gene ON) ou inibição (Gene OFF) da transcrição [5](#page=5). * **Efetor indutor:** Diminui a capacidade de ligação do repressor ao DNA, permitindo a transcrição [5](#page=5). * **Efetor co-repressor:** Aumenta a capacidade de ligação do repressor ao DNA, inibindo a transcrição [5](#page=5). ### 2.2 Operão indutível: o operão da lactose (lac) O operão lac é um exemplo clássico de operão indutível, regulado pela presença ou ausência de lactose [11](#page=11) [5](#page=5) [9](#page=9). #### 2.2.1 Estrutura e função do operão lac O operão lac em *E. coli* consiste em três genes estruturais, um promotor, um operador e um gene repressor [6](#page=6): 1. **lacZ:** Codifica a enzima β-galactosidase, responsável por hidrolisar a lactose em glicose e galactose [6](#page=6). 2. **lacY:** Codifica a lactose permease, uma proteína transportadora de lactose através da membrana celular [6](#page=6). 3. **lacA:** Codifica uma transacetilase de lactose [6](#page=6). #### 2.2.2 Regulação do operão lac * **Na ausência de lactose:** A proteína repressor Lac liga-se ao operador, bloqueando a ligação da RNA polimerase ao promotor e, consequentemente, inibindo a transcrição dos genes estruturais [7](#page=7). * **Na presença de lactose:** A lactose é metabolizada pela β-galactosidase para formar alolactose. A alolactose atua como um indutor, ligando-se ao repressor Lac e alterando sua conformação. Isso faz com que o repressor se desassocie do operador, permitindo que a RNA polimerase se ligue ao promotor e transcreva os genes estruturais [7](#page=7) [8](#page=8). > **Dica:** O paradoxo da indução do operão lac reside no facto de que a lactose precisa da permease para entrar na célula e da β-galactosidase para ser convertida em alolactose (o indutor), mas ambas as proteínas só são sintetizadas após a indução do operão. A explicação é que o operão é transcrito em baixíssimas quantidades mesmo na ausência de lactose, garantindo a produção basal de permease e β-galactosidase [8](#page=8). #### 2.2.3 Repressão catabólica As bactérias preferem a glucose como fonte de carbono. A presença de glucose no meio de cultura leva à repressão do operão lac através de um mecanismo chamado repressão catabólica, que desliga o operão mesmo na presença de lactose [9](#page=9). * **Mecanismo:** A glucose regula os níveis de AMP cíclico (cAMP). Níveis baixos de glucose levam a altos níveis de cAMP. O cAMP liga-se à Proteína Ativadora Catabólica (CAP), formando um complexo CAP-cAMP. Este complexo auxilia a ligação da RNA polimerase ao promotor do operão lac, aumentando significativamente a taxa de transcrição [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). * **Regulação combinada:** A transcrição do operão lac é, portanto, controlada por uma regulação dupla: * **Regulação negativa:** Pelo repressor Lac (induzido pela alolactose) [11](#page=11). * **Regulação positiva:** Pelo complexo CAP-cAMP (induzido pela ausência de glucose) [11](#page=11) [9](#page=9). > **Exemplo:** O teste de MacConckey usa o indicador de pH neutral red para distinguir bactérias que podem metabolizar a lactose (Lac+) de outras (Lac-). Colônias vermelhas indicam produção de ácido pela metabolização da lactose [12](#page=12). ### 2.3 Operão repressível: o operão do triptofano (trp) O operão trp é um exemplo de operão repressível, onde a síntese das enzimas para a produção de triptofano é inibida quando há triptofano suficiente no meio [12](#page=12) [13](#page=13). #### 2.3.1 Regulação repressiva do operão trp * **Na ausência de triptofano:** O gene repressor (Trp R) produz um repressor inativo. A RNA polimerase liga-se livremente ao promotor e transcreve os genes estruturais para a síntese de triptofano [12](#page=12) [13](#page=13). * **Na presença de triptofano:** O triptofano atua como um co-repressor. Ele se liga ao repressor Trp R, ativando-o. O complexo repressor-triptofano liga-se ao operador, bloqueando a transcrição dos genes estruturais [12](#page=12) [13](#page=13). #### 2.3.2 Atenuação no operão trp Além da repressão, o operão trp também é regulado por um mecanismo chamado atenuação, que interrompe a transcrição antes da síntese dos genes estruturais em resposta aos níveis de triptofano [12](#page=12) [14](#page=14). * **Localização:** O operão trp possui um atenuador, que é um terminador intrínseco, localizado entre o promotor e o primeiro gene estrutural, numa região designada líder [14](#page=14). * **Mecanismo:** A região líder contém uma pequena região aberta de leitura (ORF) que codifica um peptídeo líder de 14 aminoácidos, incluindo dois triptofanos. A terminação da transcrição é controlada pela tradução dessa ORF [14](#page=14). * **Acoplamento transcrição-tradução:** Em procariotos, a transcrição e a tradução ocorrem simultaneamente. O movimento do ribossoma traduzindo o peptídeo líder influencia a formação de estruturas secundárias no RNA mensageiro (mRNA) da região líder [14](#page=14). > **Estruturas alternativas da sequência líder/atenuador:** A região líder possui quatro regiões complementares de RNA (1, 2, 3 e 4) que podem formar diferentes estruturas de "hairpin". A decisão entre pausa, anti-terminação ou terminação depende da disponibilidade de triptofano e do comportamento do ribossoma [14](#page=14). * **Níveis elevados de triptofano:** O ribossoma traduz rapidamente o peptídeo líder e cobre a região 2 do mRNA. Isso impede o pareamento entre as regiões 2 e 3. Em vez disso, as regiões 3 e 4 formam uma estrutura terminadora (hairpin seguida de cauda poli-U). Esta estrutura causa a dissociação da RNA polimerase, terminando a transcrição. O operão é reprimido [15](#page=15) . * **Baixos níveis de triptofano:** O ribossoma para nos dois códons de triptofano na ORF líder (devido à escassez de tRNA-Trp). Isso impede que o ribossoma cubra a região 2 do mRNA. As regiões 2 e 3 podem então parear, formando uma estrutura anti-terminadora. A RNA polimerase continua a transcrição, permitindo a síntese dos genes trpE-A. O operão é expresso para sintetizar mais triptofano [15](#page=15) . > **Tip:** A atenuação é um mecanismo de controle fino que ajusta a expressão gênica em resposta a pequenas variações na disponibilidade de metabólitos essenciais, como o triptofano [14](#page=14) [15](#page=15). --- # Regulação do operão da arabinose O operão da arabinose em *E. coli* apresenta um sistema de regulação complexo que envolve a proteína reguladora AraC, com um papel duplo como ativador ou repressor dependendo da presença de arabinose, e a interacção com o sistema cAMP-CAP, respondendo aos níveis de glucose . ### 3.1 Visão geral da regulação do operão da arabinose A arabinose é um monossacarídeo de cinco carbonos que serve como substrato energético para a bactéria *E. coli*. A expressão do operão *ara* é regulada por dois fatores principais : 1. **Sistema cAMP-CAP:** Regulação positiva na ausência de glucose . 2. **Proteína AraC:** Sensível aos níveis de arabinose, exercendo um papel duplo (ativador e repressor) . O operão *ara* possui elementos regulatórios distintos: * Dois operadores: *araO1* e *araO2* [16](#page=16). * Dois sítios indutores: *araI1* e *araI2* [16](#page=16). * A proteína AraC regula a expressão dos genes *araBAD* e a sua própria síntese [16](#page=16). > **Tip:** Uma única proteína reguladora (AraC) pode atuar tanto como ativador quanto como repressor, dependendo das condições ambientais, o que demonstra a sofisticação dos mecanismos de regulação genética . ### 3.2 Mecanismo de regulação pela proteína AraC A proteína AraC é central na regulação do operão da arabinose, alternando entre um estado repressor e um estado ativador. #### 3.2.1 Regulação negativa na ausência de arabinose Na ausência de arabinose, a proteína AraC atua como um repressor. O mecanismo envolve : * **Dimerização da AraC:** Duas moléculas de AraC dimerizam através de seus terminais N . * **Ligação a operadores:** O dímero de AraC liga-se aos sítios regulatórios *araI* e *araO2* . * **Formação de loop no DNA:** Esta ligação induz a formação de um loop no DNA. Essa estrutura física impede a ligação da RNA polimerase ao promotor do operão *araBAD*, reprimindo assim a transcrição . > **Tip:** A repetição de sequências de DNA semelhantes para os sítios de ligação da AraC (*araO1*, *araO2*, *araI1*, *araI2*) sugere uma evolução conservada para a sua função regulatória [16](#page=16). #### 3.2.2 Regulação positiva na presença de arabinose Quando a arabinose está presente no meio, a AraC muda o seu estado conformacional e atua como um ativador. O processo ocorre da seguinte forma : * **Ligação da arabinose:** A arabinose liga-se à proteína AraC, induzindo uma alteração conformacional . * **Dissociação de *araO2*:** A AraC-arabinose dissociase do sítio *araO2* . * **Ligação a sítios indutores:** As duas subunidades da AraC (agora complexadas com arabinose) ligam-se de forma mais favorável aos sítios *araI1* e *araI2*. Esta ligação como monómeros a sítios adjacentes é energeticamente mais vantajosa . * **Desfazer do loop de DNA:** A alteração conformacional e a nova ligação desfazem o loop de DNA . * **Ativação da transcrição:** A AraC ligada à arabinose interage com a RNA polimerase. Se os níveis de glucose forem baixos (resultando em altos níveis de cAMP e formação do complexo CAP-cAMP), esta interação resulta na ativação robusta da transcrição do operão *araBAD* . > **Tip:** A formação de um complexo CAP-cAMP é crucial para a ativação máxima do promotor *araBAD* quando a glucose é escassa. Este é um exemplo clássico de regulação por catabolismo . ### 3.3 Repressão catabólica pela glucose A expressão do operão da arabinose está sujeita a um controlo adicional pela glucose, conhecido como repressão catabólica. Este mecanismo garante que a bactéria prefira a glucose como fonte de energia primária . * **Baixos níveis de glucose:** Levam a altos níveis de cAMP, que se liga à proteína CAP (dissociação do complexo CAP-cAMP). Este complexo interage com o promotor *araBAD*, promovendo a expressão . * **Altos níveis de glucose:** Resultam em baixos níveis de cAMP. A ausência do complexo CAP-cAMP impede o recrutamento eficiente da RNA polimerase, levando a uma expressão mínima ou nula do operão *araBAD* . Portanto, mesmo na presença de arabinose, o operão *araBAD* só é ativado de forma significativa quando a glucose está ausente. O operão da arabinose é controlado positiva e negativamente pela AraC, mas a ausência de glucose é necessária para a ativação máxima . ### 3.4 Auto-regulação negativa do gene *araC* A própria expressão do gene *araC* é regulada negativamente pelo seu produto proteico . * **Altas concentrações de AraC:** Em altas concentrações, a proteína AraC liga-se ao operador *araO1* do seu próprio gene . * **Bloqueio da transcrição:** Esta ligação impede a ligação da RNA polimerase ao promotor *araC*, inibindo a sua própria transcrição . > **Example:** Este mecanismo de auto-regulação negativa ajuda a manter as concentrações intracelulares de AraC dentro de limites ótimos, evitando a superexpressão da proteína reguladora . ### 3.5 Aplicações do promotor *araBAD* O promotor do operão *araBAD* é um componente valioso em biologia molecular devido à sua regulação indutível pela arabinose. Pode ser utilizado para direcionar a expressão de genes de interesse em sistemas de expressão heterólogos . * **Expressão indutível:** Ao introduzir um gene de interesse sob o controlo do promotor *araBAD*, a sua expressão pode ser ativada ou desativada pela adição ou remoção de arabinose no meio de cultura . * **Exemplo:** Um exemplo comum é a utilização deste promotor para a expressão de proteínas fluorescentes como a GFP (Green Fluorescent Protein) . --- # Regulação do ciclo de vida do bacteriófago lambda A regulação do ciclo de vida do bacteriófago lambda (λ) é um processo intrincado que determina se o fago seguirá um ciclo lítico, resultando na lise da célula hospedeira, ou um ciclo lisogênico, integrando seu DNA ao genoma do hospedeiro. Esta decisão é controlada por uma rede de genes reguladores que se auto-regulam e se inibem mutuamente, sendo os principais os genes *cI* (repressor lambda) e *Cro*. A proteína N atua como um anti-terminador, permitindo a transcrição de genes essenciais para a progressão de ambos os ciclos [21](#page=21) [23](#page=23) [25](#page=25). ### 4.1 Mecanismos de decisão entre ciclo lítico e lisogênico O genoma do fago λ é dividido em regiões funcionais, incluindo uma região de regulação crucial para a decisão entre os ciclos lítico e lisogênico. Essa decisão é primariamente regulada pela transcrição de genes chave, impulsionada por promotores específicos [21](#page=21) [22](#page=22) [24](#page=24). #### 4.1.1 Papel dos genes reguladores cI (repressor lambda) e Cro * **Repressor λ (cI):** É o principal regulador do ciclo lisogênico. Sua principal função é reprimir a transcrição dos genes iniciais e líticos do fago. O repressor cI liga-se a operadores específicos (OR e OL) para bloquear a ligação da RNA polimerase aos promotores *PR* e *PL*, que controlam a transcrição de genes essenciais para o ciclo lítico, incluindo o gene *Cro*. Além disso, ao ligar-se ao operador OR, o cI permite a ligação da RNA polimerase ao promotor *PRM*, promovendo a sua própria manutenção transcricional e a manutenção da lisogenia. Ele age como um dímero, ligando-se aos operadores [21](#page=21) [23](#page=23) [26](#page=26). * **Cro:** A proteína Cro é produzida precocemente após a infecção e tem a função de repressor, bloqueando a transcrição do gene *cI*. Ao inibir a produção do repressor cI, o Cro favorece a expressão dos genes líticos controlados pelos promotores *PR* e *PL*, direcionando o fago para o ciclo lítico [23](#page=23) [24](#page=24) [26](#page=26). #### 4.1.2 A proteína N como anti-terminador A proteína N é uma das primeiras a ser produzida após a infecção e desempenha um papel fundamental na regulação da transcrição. Sua função é atuar como um anti-terminador, permitindo que a RNA polimerase ignore os sinais de terminação normais no final dos genes iniciais [24](#page=24) [25](#page=25). * **Mecanismo de ação da proteína N:** A proteína N liga-se a estruturas em forma de "hairpin" no RNA transcrito e forma um complexo com proteínas "Nus" do hospedeiro. Este complexo confere à RNA polimerase a capacidade de transcrever através de sequências de terminação, incluindo as dependentes de Rho [25](#page=25). * **Cascata de sinalização:** A anti-terminação pela proteína N inicia uma cascata de eventos transcricionais. Ela permite a transcrição dos genes *cII* e *cIII*. Estes genes, por sua vez, desempenham papéis cruciais na decisão final do ciclo [25](#page=25): * A proteína cII promove a produção do repressor λ (cI) e a integração do DNA viral no genoma do hospedeiro [25](#page=25). * A cII também inibe a via lítica [25](#page=25). * Ao permitir a expressão de cII e cIII, a proteína N, portanto, estabelece as bases para o ciclo lisogênico [25](#page=25). ### 4.2 Condições que influenciam a escolha do ciclo A decisão entre o ciclo lítico e o lisogênico é influenciada pelas condições do ambiente celular e do hospedeiro [27](#page=27). * **Ciclo Lítico:** O ciclo lítico é favorecido quando as condições celulares levam à degradação da proteína cII, geralmente pela ação de proteases bacterianas. Na ausência de cII estável, o promotor *PRE* (promoter for repressor establishment), responsável por iniciar a síntese do repressor cI, não é ativado. Consequentemente, o cI não é produzido em níveis suficientes, e a proteína Cro domina, permitindo a expressão livre dos genes líticos controlados por *PR* e *PL*. Isso leva à ativação dos genes de replicação (como *O* e *P*) e dos genes de expressão tardia, resultando na produção de novas partículas virais e na lise celular [26](#page=26). * **Ciclo Lisogênico:** O ciclo lisogênico é estabelecido e mantido pela dominância da proteína cI (repressor λ). Condições que favorecem a estabilidade da proteína cII, como um meio rico, tendem a promover a produção de cI e a integração do DNA viral. A manutenção da lisogenia ocorre quando o repressor cI reprime ativamente o ciclo lítico, bloqueando os promotores *PL* e *PR* [25](#page=25) [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28). > **Tip:** A decisão entre lítico e lisogênico é um ponto de controle crítico na biologia viral, exemplificando como microrganismos podem adaptar sua estratégia replicativa às condições do hospedeiro e do ambiente. > **Tip:** Compreender a rede regulatória de cI e Cro é fundamental para entender a flexibilidade adaptativa do fago lambda. Uma baixa concentração de cII favorece o ciclo lítico, enquanto uma alta concentração favorece o ciclo lisogênico. ### 4.3 Promotores envolvidos na regulação A região de controle do fago λ contém promotores cruciais para a expressão dos genes reguladores: * **PRM (promoter for repressor maintenance):** Promotor responsável pela manutenção da transcrição do gene *cI* após o estabelecimento da lisogenia. A ligação do repressor cI ao operador OR é necessária para a ativação do PRM [24](#page=24) [26](#page=26). * **PRE (promoter for repressor establishment):** Promotor envolvido no estabelecimento inicial da lisogenia. Sua ativação, dependente da proteína cII, inicia a síntese do repressor cI [24](#page=24) [26](#page=26). * **PL e PR:** Promotores que controlam a transcrição de genes essenciais para o ciclo lítico, incluindo o gene *Cro*. A repressão desses promotores pelo cI é fundamental para a manutenção da lisogenia [24](#page=24) [26](#page=26). > **Tip:** A dinâmica da interação entre os promotores (PRM, PRE, PL, PR) e os reguladores (cI, Cro, N, cII, cIII) forma um "interruptor genético" que determina o destino do fago. --- # Aplicações biotecnológicas e terapêuticas Este tópico explora aplicações práticas da genética molecular, incluindo o uso de bacteriófagos como alternativas a antibióticos e a utilização de promotores de operões em vetores de clonagem e expressão gênica. ### 5.1 Uso de promotores de operões em vetores de clonagem e expressão gênica O controle da expressão gênica é fundamental em biotecnologia, permitindo a produção regulada de proteínas de interesse. Promotores de operões bacterianos são ferramentas poderosas para alcançar este controle. #### 5.1.1 O promotor do operão *araBAD* O operão *araBAD* de bactérias é um exemplo clássico de sistema de regulação gênica que pode ser explorado em biotecnologia. A expressão dos genes neste operão é controlada pela proteína reguladora AraC e pela presença de arabinose, um açúcar [19](#page=19). ##### 5.1.1.1 Regulação pelo AraC A expressão do gene *araC* é autorregulada negativamente pela sua própria proteína produto, a AraC. Em altas concentrações, a AraC liga-se a uma região específica chamada *araO1*, que funciona como operador. Esta ligação impede a ligação da RNA polimerase ao promotor, bloqueando assim a transcrição [19](#page=19). ##### 5.1.1.2 Indução de expressão pela arabinose A principal aplicação biotecnológica do promotor *araBAD* reside na sua capacidade de dirigir a expressão de um gene de interesse de forma indutível pela arabinose. Ao fundir este promotor a um gene de interesse, a sua expressão pode ser controlada de forma precisa pela adição de arabinose ao meio [19](#page=19) [20](#page=20). > **Exemplo:** O plasmídeo pGLO utiliza o promotor PBAD para controlar a expressão da proteína fluorescente verde (GFP). A produção de GFP só ocorre na presença de arabinose, permitindo visualizar o efeito da indução gênica [20](#page=20). #### 5.1.2 Utilização em vetores de clonagem e expressão Promotores fortes e reguláveis como o PBAD são frequentemente incorporados em vetores de clonagem e expressão gênica. Estes vetores permitem a introdução de genes em hospedeiros, como bactérias, e o controle da sua expressão para a produção de proteínas recombinantes ou para estudos funcionais [20](#page=20). ### 5.2 Bacteriófagos como alternativa aos antibióticos Os bacteriófagos, ou fagos, são vírus que infetam e se replicam especificamente em bactérias. Esta característica torna-os uma alternativa promissora aos antibióticos, especialmente no combate a bactérias multirresistentes [29](#page=29). #### 5.2.1 Vantagens dos bacteriófagos O uso de bacteriófagos terapêuticos apresenta diversas vantagens significativas: * **Especificidade:** Os fagos atacam apenas estirpes bacterianas específicas, o que significa que preservam o microbioma benéfico do corpo. Isso pode mitigar efeitos secundários comuns associados aos antibióticos de largo espectro [29](#page=29). * **Eficácia contra resistência:** São capazes de combater estirpes bacterianas multirresistentes que já não respondem a tratamentos antibióticos convencionais [29](#page=29). * **Biodegradabilidade:** Os bacteriófagos são biodegradáveis e não deixam resíduos no organismo após a erradicação da infeção [29](#page=29). #### 5.2.2 Fagos como vetores de clonagem Além do seu potencial terapêutico, alguns bacteriófagos, como o fago lambda, são utilizados como vetores de clonagem. A sua capacidade de infetar bactérias e integrar ou manter material genético dentro delas torna-os ferramentas úteis para a clonagem de fragmentos de DNA. Podem ser construídas bibliotecas de DNA genómico usando estes vetores fágicos [29](#page=29). --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |---|---| | Operão | Uma unidade funcional de genes em procariotas que codificam proteínas relacionadas numa via metabólica ou numa função específica, regulada por um único promotor e operador. | | Gene Repressor | Um gene que codifica uma proteína repressor, a qual se liga a uma região do DNA (operador) e impede a transcrição de outros genes. | | Gene Ativador | Um gene que codifica uma proteína ativadora, que se liga ao DNA e facilita o acesso da RNA polimerase ao promotor, promovendo a transcrição. | | Indutor | Uma molécula que se liga a uma proteína repressor, alterando a sua conformação e diminuindo a sua afinidade pelo operador, levando à indução da transcrição. | | Co-repressor | Uma molécula que se liga a uma proteína repressor, aumentando a sua afinidade pelo operador e reprimindo a transcrição. | | Repressão Catabólica | Um mecanismo de regulação genética em que a presença de uma fonte de carbono preferida (como a glucose) suprime a expressão de genes envolvidos no metabolismo de outras fontes de carbono (como a lactose). | | Atenuação | Um mecanismo de regulação da expressão gênica que interrompe a transcrição no início de um operão em resposta a níveis intracelulares de um produto gênico específico, muitas vezes envolvendo o acoplamento entre transcrição e tradução. | | Anti-terminador | Uma sequência ou proteína que impede a terminação prematura da transcrição, permitindo que a RNA polimerase continue a transcrever genes mais distantes. | | Profago | O genoma de um fago que foi integrado no cromossoma de uma bactéria hospedeira, replicando-se juntamente com o DNA bacteriano sem lisar a célula. | | Ciclo Lítico | O ciclo de vida de um fago em que o genoma viral é replicado, os componentes do fago são sintetizados, as novas partículas virais são montadas e a célula hospedeira é liseada. | | Ciclo Lisogênico | O ciclo de vida de um fago em que o genoma viral se integra no genoma do hospedeiro (tornando-se um profago) e é mantido sem causar lise celular imediata. | | Proteína N | Uma proteína do fago lambda que atua como anti-terminador, permitindo que a RNA polimerase ignore os sinais de terminação e transcreva genes mais distantes do genoma viral. | | Proteína Cro | Uma proteína reguladora do fago lambda que compete com o repressor cI pelos operadores, favorecendo o ciclo lítico ao inibir a transcrição do gene cI. | | Promotor | Uma região específica de DNA onde a RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição de um gene ou operão. | | Operador | Uma sequência de DNA localizada perto do promotor de um operão a que as proteínas repressor se ligam para controlar a transcrição. |