Expressão genética

Expressão dos genes

Introdução

A transcrição do DNA em RNA é o ponto de partida de toda a expressão fenotípica. Tal como na replicação, o acesso ao DNA é mediado pela interacção entre proteínas e certas regiões colocadas estrategicamente em relação ao segmento a ser transcrito; e também requer helicases que desnaturam a cadeia dupla para permitir-se a "leitura" da sequência de nucleótidos por polimerases. Mas as polimerases do RNA, enzimas que realizam a transcrição, utilizam apenas uma das cadeias do DNA como molde, permitindo que elas voltem a emparelhar no fim do processo; por isso o produto final da transcrição, ou transcrito primário, é uma molécula (de RNA) de cadeia simples. A polimerase de RNA termina a transcrição junto a sequências que indicam o final do mesmo gene que começou a ser transcrito, por isso a transcrição não é um processo que prossiga indefinidamente ao longo do cromossoma. Outra diferença em relação à replicação está na actividade de transcrição abranger toda a interfase, assim como o estado G0.

Mas nem todos os genes de um organismo são transcritos numa mesma célula. As células especializam-se em função do repertório de proteínas associadas a cada tipo de metabolismo, e também em função do doseamento de cada uma; por isso, na regulação da transcrição dos genes (quais os que são transcritos e quanto das respectivas proteínas é produzido por cada tipo de célula) está uma chave fundamental da diferenciação celular. Não deixa de haver proteínas com funções gerais (metabolismo energético, citosqueleto, polipéptidos ribossomais, histonas, etc.), codificadas nos genes "que mantêm a casa" (housekeeping), os quais são transcritos em todos os tipos de células; mas outras proteínas, que só se encontram em células ou em condições metabólicas bem determinadas, são codificadas por genes cuja transcrição sofre drásticas variações, segundo os casos podendo ser muito abundantes numas células e totalmente ausentes noutras, ou aumentarem de um nível "basal" de expressão para concentrações centenas de vezes (ou mais) superiores (e depois voltarem aos níveis basais), por exemplo em resposta a uma hormona (cf. secção seguinte).

A maquinaria enzimática da transcrição tem assim de "saber" responder a sinais muitíssimo diversificados e geralmente distintos dos que regulam a replicação. E ela própria se especializa, pois nos núcleos das células conhecem-se três tipos de polimerase do RNA: duas delas estão dedicadas à produção de moléculas de rRNA e tRNA, que são as mais abundantes e não são traduzidas; a polimerase III encarrega-se da síntese dos tRNA e rRNA 5S, enquanto a polimerase I da síntese dos restantes rRNA.

É assim que quase todos os genes (incluindo os housekeeping, os de metabolismos especializados, e também os dos vírus quando infectam uma célula-hospedeira, cf. "vírus e viróides"), são transcritos pela polimerase do tipo II. Por isso se tem dedicado a esta polimerase e à sua catálise a maior parte do esforço de pesquisa em transcrição, pois a sua actividade incide sobre toda a miríade de genes que codificam proteínas — onde também se vão encontrar praticamente todos os que são conhecidos pela análise mendeliana.

Nas mitocôndrias e plastos, lá se encontram as polimerases (de DNA e de RNA) análogas, codificadas nos respectivos genomas.

Regulação da transcrição pela polimerase II do RNA

A transcrição de um gene não se realiza indiscriminadamente: há em princípio um tempo, um lugar e uma quantidade certas para a expressão desse gene, em ligação com dois aspectos muito importantes em Genética:

i) a diferenciação dos tipos citológicos presentes nos organismos pluricelulares: em cada tipo celular diferenciado há uma especialização cujo fundamento reside no repertório específico de loci que são expressos ou silenciados (isto é, no correspondente repertório de proteínas produzidas), o qual se define no percurso ontogénico que conduz a essa especialização; esse percurso, por sua vez, caracterizou-se pela sucessão de repertórios genéticos sucessivos, ou seja a diferenciação celular é a culminação de um programa genético de desenvolvimento somático;

ii) a resposta das células (ou, talvez mais propriamente, dos tecidos) aos estímulos recebidos, seja uma mudança da temperatura ou de outro parâmetro do meio, a presença de um corpo estranho, uma hormona, um vírus, etc.: um dado estímulo é reconhecido apenas por certo tipo de células-alvo equipadas para o traduzirem metabolicamente em sinais internos que levam à indução de loci até aí silenciados ou com uma expressão basal (isto é, não-induzida) muito baixa. Isto subentende haver nestas células, como corolário da sua diferenciação, uma expressão genética específica dos factores envolvidos nesses passos de reconhecimento, sinalização interna e indução.

Longe de ser suficiente para compreender a nível molecular o fundamento genético dos diferentes tipos de actividade celular e transições entre eles, designadamente as de crescimento (por exemplo meristemas e câmbios), de bio-síntese (praticamente todos os tipos celulares diferenciados, por exemplo glândulas, parênquimas clorofilinos, pelos radiculares, células pigmentares, etc., etc.) e apoptose (morte celular programada), a transcrição é o ponto de partida e como tal é alvo de intenso estudo nas mais diversas situações com relevância, por exemplo, para a Fisiologia.

Os genes transcritos pela polimerase II do RNA podem ser genericamente classificados em dois tipos: genes estruturais e genes reguladores. As proteínas codificadas pelos genes estruturais, como o nome indica, integram a estrutura celular ou intervêm no metabolismo e transporte das diversas classes de biomoléculas que compõem as células. Os produtos dos genes reguladores são em geral muito menos abundantes, localizando-se conforme os casos no núcleo, no citosol ou na membrana celular para, directa ou indirectamente, regularem a expressão de outros genes. Esses, por sua vez, poderão ser estruturais ou reguladores de outros genes, neste caso indo regular outro conjunto de genes-alvo, segundo "modelos em cascata reguladora" feitos à imagem do conceito de cascata enzimática da Bioquímica: uma sequência de reacções em cadeia, em que uma reacção enzimática transforma uma proteína inactiva num enzima activo que por sua vez cataliza a activação de outro enzima e por aí adiante. Outros modelos em cascata são protagonizados