Epigenética e suas implicações para o uso dos recursos genéticos

Transcrição

1 Epigenética e suas implicações para o uso dos recursos genéticos (Importância das mudanças epigenéticas / epimutações na variabilidade natural na adaptação e evolução) Dr. Michel Vincentz (CBMEG/Dpt. BV, IB/UNICAMP/ mgavince@unicamp.br) IV Congresso Brasileiro de Recursos Genéticos Curitiba Novembro 2016

2 Ambiente, desenvolvimento fisiologia e outros fatores Variação Genômicas (DNA) Epigenoma (marcas epigenéticas) Diversidade Fenotípica (Adaptação e Evolução)

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5 Ligar e desligar gene Programas de expressão gênica podem ser estabelecidos e levar a diferenciação celular

6 Como a identidade uma vez estabelecida é mantida/ Memória da Identidade? Processos Epigenéticos / Marcas Epigenéticas

7 Epialelo Epimutações resultam da edição de marcas Epigenética

8 Mamiferos 70/80% CG metilados (CG islands unmethylated) / Arabidopsis thaliana 30% C metilados contexto CHH (73%/22%) ; CHG (15%/23%); CG (13%/55%)

9 -CG- -GC-

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11 Roudier F et al. 2009, trends in genetics

12 Hardware Software O genoma vai ser organizado em setores ou trechos com perfis epigenéticos diferenciados que vão definir a estrutura da cromatina e a atividade gênica levando a formação de vários epigenomas que vão sustentar o processo de diferenciação

13 Mudança epigenenética herdada que contribua para varaiabilidade fenotípica Epialelo do gene WIP1 Martin et al., 2009 Nature Mecanismo de Defesa do Genoma contra Transposons Efeito Epigenético Adaptativo Adaptação: Uma mudança fenotípica que é benéfica para o sucesso reprodutivo do organismo

14 Lisch D Nature Reviews Genetics 14, (January 2013) doi: /nrg3374

15 Manning et al., ature Genetics 38, (2006) Published online: 9 July 2006; doi: /ng1841 TE são mutagênicos e precisam ser controlados mas também podem ser uteis gerando novidades genéticas evolutivamente os genomas aprenderam a controlar sem eliminar os TE estabelecendo um balanço

16 Nuclear Pathway ~RdDM ~RNAi-mediate chromatin modification Transposons Establishment Maintenance of Silencing Argonaute Argonaute Argonaute

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18 Natural epiallele, independent of DNA sequence change cycloidea gene - Linaria vulgaris Cubas et al. Nature 1999 M M ACCGCG ACCGCG AAAAA Se comporta como um alelo clássico mas instabilidade somática

19 Rate of spontaneous epimutations under uniform controlled growth conditions Methylome - profile of mcg -SMP differentially methylated regions (DMRs) not due to DNA sequence variation Epimutation rate methylation polymorphisms per CG site per generation QQS Mutation rate base substitutions per site per generation (1 SNP /genome/ generation) Schmitz et al., 2011 Science Becker et al., 2011 Nature Becker et al., 2011 Nature

20 QQS is a de novo originated gene regulated by DNA methylation CACTA-like-TE QQS Non-LTR TE 6% 81% 13% Silveira, et al., (2013) - PLoS Genetics 9(4): e doi: /journal.pgen

21 Can QQS contribute to adaptive responses? Increased starch content in leaves (20-30%) Li et al., 2009 Plant J Reduced starch content in leaves (8-20%) Seo et al., 2011 Nat Comm QQS epialleles have possible effect under specific condition?

22 Gene novos mais propensos a variação epigenética? Zebulun W. Arendsee e al. Trends in Plant Science November 2014, Vol. 19, No. 11

23 LSG 21% are likely to be under epigenetic control Conserved - 5.8% Epigenetic variation being more frequent, may allow to adjust rapidly and reversibly the expression pattern until the most adaptive epigenetic state becomes fully stabilized through DNA sequence changes (i.e. genetically assimilated) ~Would be a way to explore the expression landscape Evolutionary forces would favor the capacity to maintain increased epigenetic variability which could match specific environmental alterations

24 Contribuição da variação epigenética na diversidade fenotípica hereditária Cortijo, S. et al. Mapping the epigenetic basis of complex traits. Science (2014) ->DMRs / variação epigenética, são herdadas de maneira estável e atuam como QTL epigenéticos independentemente de mudanças de seqüência de DNA -> epialleles contribute to the heritability of complex traits and therefore provide a substrate on which Darwinian evolution may act AND IN NATURE?

25 About 30% (130) of the induced heritable DMRs that were identified in the epirils overlap with naturally occurring DMRs -> may act as epiqtl in natural populations Genoma and Methylome for 152 accessions In total, 40,269 CG-DMRs (average size of 321 bp) enriched in gene bodies and depleted in transposons / 13,485 C-DMRs (average size of 221 bp) enrichment in transposons and depletion in genes (structural variations ~17% of the C-DMRs and linkage disequilibrium revealed that C-DMRs may be due, in part, to local genetic variants). ->Patterns of DNA methylation at regions within both genes and transposable elements vary extensively within and among natural Arabidopsis populations. However, the potential effects of this epigenetic variation on fitness and local adaptation remain unclear- Schmitz et al. 203Nature doi: /nature11968

26 ~ 1000 genomas e epigenomas de worldwide A.thaliana inbred lines Kawakatsu et al Cell 166, Polimorfismo Genético ->Maquinaria epigenética -> Estruturais Ambiente, desenvolvimento fisiologia e outros fatores Variação Genômicas (DNA)? DMR em CG,CHG e CHH (TE like) Genes de resistência a doenças e Epigenoma (marcas epigenéticas) Respostas a estresse do ambiente -> Via de Metilação ajuda a adaptação Ao ambiente (Diversidade transcrição) Diversidade Fenotípica (Adaptação e Evolução)

27 Epimutações (DMR) herdadas de maneira estável participam da diversidade fenotípica (QTL epi) Importância relativa? Resultam por parte de polimorfismo genético (estruturais em cis; trans ) Não há Epigenética sem DNA interação para diversidade fenotípica e fitness Influencia do meio TE certamente e maquinaria epigenética também