Como diferentes células tronco adultas sabem seu destino celular? Diferentes tipos celulares mas sequência de DNA idêntica

Transcrição

1 Epigenética

2 Como diferentes células tronco adultas sabem seu destino celular? Diferentes tipos celulares mas sequência de DNA idêntica

3 Como organismos geneticamente idênticos podem apresentar diferentes fenótipos?

4 Como organismos geneticamente idênticos podem apresentar diferentes fenótipos?

5 Como é possível que haja expressão alélica de apenas um dos genitores?

6 Como balancear a dose de cromossomos X entre os sexos? Como as fêmeas de mamíferos podem expressar apenas um de seus cromossomos X em suas células?

7 A Epigenética O termo Epigenética foi utilizado pela primeira vez por Conrad H. Waddington, em meados da década de 40 Epigenetic landscape. Emergência de um eventual fenótipo em um organismo através do processo de desenvolvimento, este iniciado a partir de um perfil genético específico. A relação entre fenótipo e genótipo não é linear e probabilística, não há um determinismo. Há influência de efeitos aleatórios ou ambientais.

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9 Epigenética e Epigenoma EPIGENÉTICA Refere-se ao estudo dos fatores herdados que modificam a expressão dos genes sem alterar a sequência de DNA. EPIGENOMA ( acima do genoma) É o conjunto de modificações bioquímicas da cromatina que determina uma informação genética, refletindo o status epigenético da cromatina de uma célula. Marcas epigenéticas O que, onde e quando fazer...

10 A informação epigenética Nem todos os genes são necessariamente expressos em todas as células de um organismo. A maioria está programada para permanecer reprimida. Modificações epigenéticas são mecanismos moleculares que permitem preservar o estado inativo por regenerar a estrutura repressiva da cromatina a cada rodada de replicação do DNA.

11 A informação epigenética

12 Mecanismos epigenéticos Metilação de citosinas Mecanismos epigenéticos Modificação de histonas Remodelamento de cromatina RNA de interferência

13 Metilação de citosinas no DNA Modificação covalente do DNA: substituição do H5 de citosinas por um grupo metil (doador: S-adenosilmetionina - SAM). DNA metiltransferases em mamíferos: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B, DNMT3L. Tipos: - de manutenção - de novo 5-metilcitosina

14 Ocorre nas sequências CpG in tandem, em ambas as fitas do DNA. Ilhas CpG (promotores e regiões intergênicas) Em mamíferos, 60% - 90% de todas as CpGs estão metiladas CpG não metilada: ocorre transcrição Metilação de citosinas no DNA CpG metilada: inibe transcrição Metilação no gene facilita transcrição Gene não metilado: início de transcrição espúrios ON Sequências repetitivas metiladas: previnem instabilidade cromossômica OFF

15 Metilação de citosinas no DNA Ocorre nas sequências CpG in tandem, em ambas as fitas do DNA. Ilhas CpG (promotores e regiões intergênicas) Em mamíferos, 60% - 90% de todas as CpGs estão metiladas Não interfere no pareamento das bases nitrogenadas, mas adiciona informações: grupo metil posicionado no sulco maior do DNA Controle da ligação de proteínas ao DNA Organização da cromatina e expressão gênica (frequentemente silenciamento gênico) ON OFF CpG não metilada CpG metilada

16 Metilação de citosinas no DNA Funções: Expressão gênica Estabilidade cromossômica Diferenciação celular Imprinting Inativação do X ON OFF

17 Alterações no padrão de metilação e a carcinogênese A função normal da célula depende do equilíbrio entre dois eventos: HIPOMETILAÇÃO X HIPERMETILAÇÃO Ilhas CpG Regiões intergênicas Alterações neste equilíbrio podem comprometer a expressão de genes críticos, resultando em diversos tipos de câncer. - Hipometilação generalizada do genoma frequente em sequências do DNA repetidas (DNA satélite, LINE e SINE), retrotransposons e genes cópia única - Hipermetilação que se apresenta em áreas localizadas dentro da região promotora de genes supressores de tumor, fatores de transcrição; genes de controle do ciclo celular, genes anti-apoptóticos e genes de reparo do DNA

18 Alterações no padrão de metilação e a carcinogênese METILAÇÃO NORMAL DO DNA HIPOMETILAÇÃO GLOBAL HIPERMETILAÇÃO DE ILHAS CpG INSTABILIDADE CROMOSSÔMICA ATIVAÇÃO DE ONCOGENES INATIVAÇÃO DE GENES SUPRESSORES TUMORAIS INATIVAÇÃO DE GENES DE REPARO

19 Região promotora metilada mrna do gene agouti: produzido um pouco durante o desenvolvimento e permanece silenciado no restante da vida. Camundongo saudável, coloração marrom Com suplementação dietética na gestação Região promotora não metilada o gene agouti é transcrito continuamente. Camundongo com cor amarela, tumores e obesidade. Sem suplementação dietética na gestação

20 Memória epigenética A metilação em ambas as fitas permite reproduzir o padrão após a replicação do DNA. Metilases de manutenção reconhecem fitas hemimetiladas e adicionam grupos metil às citosinas correspondentes. Importância da hemimetilação para o reconhecimento de pareamentos errados durante a replicação.

21 Modificação de histonas Classes de histonas H1, H2, H3 e H4 Modificações pós-traducionais : acetilação, metilação, fosforilação e ubiquitinação Funções: Empacotamento do DNA e Regulação da expressão gênica

22 Código de histonas Código de histonas: Conformação da cromatina

23 Acetilação de histonas A acetilação de histonas ocorre em resíduos de lisina Histona acetiltransferase (HAT) Cromatina inativa Hipoacetilação de H3 e H4 regiões de baixa atividade trascricional HAT (acetilação de histonas) Histonas desacetilases (HDAC) HDAC (desacetilação de histonas) Lisina Cromatina ativa Hiperacetilação de H3 e H4 regiões ativas transcricionalmente

24 Fosforilação de histonas A fosforilação de histonas pode ocorrer em resíduos de serina, treonina e tirosina. Funções: Sinalização para reparo de dano ao DNA (H2A, H2B...) Regulação transcricional Compactação da cromatina associada com a mitose/ meiose Condensação da cromatina fosforilação de T3, S10, T11 e S28 na H3 Descondensação da cromatina fosforilação da H1 Compactação da cromatina e apoptose Resíduo fosforilado pode determinar o reparo do dano ou a apoptose da célula

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26 Os mesmos eventos de fosforilação podem estar relacionados com múltiplos processos de modulação da cromatina; Existe uma interação entre as modificações pós-traducionais (MTPs) que ocorrem nas histonas caudas das histonas representam uma plataforma para várias MTPs.

27 Metilação de histonas A metilação de histonas ocorre em resíduos de lisina. O grau de metilação e o resíduo metilado estão envolvidos na regulação transcricional ativação ou repressão dependente da lisina em questão. - H3K9me e H3K27me são marcadores de silenciamento de DNA (regiões de heterocromatina, X inativado e promotores silenciados) enquanto H3K4me sugere DNA transcricionalmente ativo (promotores ativos). H3K4me3 promotores ativos

28 Fatores de remodelamento de cromatina Complexo SWI/SNF 9 a 12 subunidades que são recrutadas para promotores específicos e atuam no remodelamento da cromatina: Deslizamento do octâmero de histonas ao longo do DNA, reposicionando o nucleossomo; Afrouxar a fita do DNA sobre o nucleossomo; Alteração da conformação do nucleossomos, reorganizando seus componentes; Construir um local promotor acessível para a maquinaria transcricional

29 Perfil de modificação de histonas Inúmeras enzimas atuam em conjunto para adicionar e remover modificações covalentes nas histonas, interagindo entre si e com outros mecanismos para manter a conformação da cromatina e o controle da transcrição. Relação entre acetilação e metilação de histonas Cromatina fechada repressão transcricional Cromatina aberta ativação transcricional

30 Perfil de modificação de histonas Inúmeras enzimas atuam em conjunto para adicionar e remover modificações covalentes nas histonas, interagindo entre si e com outros mecanismos para manter a conformação da cromatina e o controle da transcrição. Marcas epigenéticas recrutam demais mecanismos para manutenção do estado da cromatina HP1 é repressor de transcrição

31 Memória Epigenética Durante a replicação do DNA, o octâmero de histonas não se dissocia completamente, de forma que as fitas recém-sintetizadas têm seus nucleossomos montados a partir de histonas novas e antigas. Replicação do DNA e das características da cromatina Replicação de cromatina Diferentes tipos de cromatina são replicadas em momentos distintos (origens de replicação ativadas distintamente) para manter o padrão de cromatina de cada uma.

32 RNAs não codificadores (sirna e mirna) RNAs não codificadores atuam no silenciamento transcricional e póstranscricional. Regulam a expressão de genes ao interagir com seus mrnas Há interferência na expressão gênica: Regulação por RNA de interferência

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35 Epigenética... Replicação de cromatina Conjunto das modificações nucleares herdadas e que modulam a expressão gênica, mas não envolvem modificações na sequência de DNA. Grau de compactação da cromatina Acesso aos promotores gênicos Adição/Remoção de grupos funcionais Recrutamento de outros fatores e mecanismos que promovem a manutenção do estado de cromatina Remodelamento da cromatina

36 Fenômenos epigenéticos Inativação do X Imprinting genômico

37 Inativação do X Organismos com sistema de determinação sexual XX/XY e XX/X0 precisam equalizar a dosagem dos genes ligados ao X em ambos os sexos. Compensação de dose Inativação do X nas fêmeas (mamíferos) Hipótese de Lyon: Nas células somáticas femininas, apenas um cromossomo X é transcricionalmente ativo; A inativação do X ocorre entre o 13º-16º dia da vida embrionária; É aleatório e fixo para todas as células descendentes; Determina um mosaicismo somático

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39 Exemplo: Cor de pelagem ligada ao X gatos Tortoiseshell

40 Processo de inativação do X XIC (Xq13) Centro de Inativação do X contém o gene XIST XIST Transcrito específico de inativação do X Inativa o X Essencial para iniciar o processo de inativação, posteriormente mantido por outros mecanismos No início do desenvolvimento embrionário ambas as cópias de XIST estão ativas Metilação inativa um deles XIST silenciado = cromossomo NÃO pode ser inativado X ativo tem XIST hipermetilado

41 Processo de inativação do X XIST é expresso somente pelo cromossomo inativo (para inativá-lo). ncrna XIST se associa a toda a extensão do o cromossomo X a ser inativado = INATIVAÇÃO DO X corpúsculo de Barr. A inativação é mantida pela metilação ao longo desse cromossomo. Vários fatores estão relacionados a este processo, controlando e auxiliando a inativação. Ex.: Tsix regula a expressão de XIST: Tsix ativo = XIST reprimido = X ativo

42 Inativação do X A inativação não é completa: Região pseudoautossômica (homologia com cromossomo Y) Região pericentromérica 30% dos genes do braço curto Inativação variável entre os indivíduos Síndrome de Turner (X0) Falhas da inativação do X: Em células embrionárias, após o 13º- 16º dia, a não inativação de um dos cromossomos X é um evento letal. Em células somáticas é um evento raro, podendo ocorrer em células normais ou neoplásicas.

43 Imprinting genômico Expressão gênica diferencial: o alelo é expresso na dependência de sua origem (materna ou paterna). Exceção ao padrão de herança Mendeliana. Mediado por metilação das ICRs (Região de Controle de Imprinting). O padrão de genes metilados da mãe e do pai são transmitidos para o filho Espermatogênese - Padrão de metilação paterno Oogênese - Padrão de metilação materno Gene imprintado: expressão condicionada por sua origem parental.

44 Hemizigose: apenas uma cópia metilada

45 Influências ambientais

46 Epigenética e nutrição Determinados componentes bioativos de alimentos podem alterar a expressão gênica via alterações na metilação do DNA e modificações de histonas. Disponibilidade do doador de grupos metil (SAM): É dependente de vias metabólicas relacionadas às vitaminas B6 e B12 deficiência de vitamina B compromete a metilação do DNA; Envolve folato, betaina e colina e aminoácidos consumo crônico de álcool pode alterar a disponibilidade de SAM através do desperdício de metionina e colina ou por diminuir a disponibilidade de vitamina B; EGCG (polifenol - chá verde): pode diminuir a metilação global do DNA, em linhagens celulares de câncer, pela inibição competitiva de DNMT; também aumenta o nível de mir-210 diminuição da proliferação celular. Redução de selênio (grãos e vegetais): diminuição da metilação global do DNA; expressão diminuída de DNMT1 em linhagens celulares de câncer de cólon e próstata.

47 Epigenética e a dieta materna A transmissão materna de marcas epigenéticas pode ser alterada por nutrientes: Consumo materno de vitamina B está associado com mudanças no risco de carcinogênese mamária e de cólon na prole; consumo materno de colina, em ratas, aumenta os níveis de metilação de histonas (H3K9me2 e H3K27me3) possivelmente devido ao aumento na expressão de HMT; Dieta rica ou pobre em proteínas, em porcas, pode alterar a metilação global do DNA na prole, através de mudanças na expressão das DNMTs;

48 Epigenética e envelhecimento As assinaturas epigenéticas tendem a mudar naturalmente com a idade: Hipermetilação de determinados promotores ao longo do genoma Diminuição da metilação global de DNA Alterações no padrão de modificação de histonas indicando região heterocromática repressão da transcrição No entanto, não está claro se os padrões epigenéticos são programados ou estocásticos. O mesmo padrão de metilação do DNA observado no envelhecimento aparece no desenvolvimento do câncer hipermetilação de genes supressores de tumor. Terapêutica: compreensão das marcas epigenéticas relacionadas ao envelhecimento e proposta de intervenção farmacêutica e de dietas.

49 Epigenética e doenças

50 Epigenética e doenças