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.
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.
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 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.
