O empacotamento do DNA no núcleo

O DNA e a cromatina

Prof. Dr. Francisco Prosdocimi

O dogma central

• Mas como o DNAestá compactado nonúcleo?

• Como acontecem osprocessos de transcriçãoe tradução?

• Como a estrutura física dosprocessos funciona, minuciosamente?

Descoberta do DNA• Surdo, não conseguia clinicar bem,

passou a estudar química fisiológica

• Interessado em estudar a química do núcleo, conseguiu isolar núcleo do citoplasma

• Encontrou compostos ricos em fósforo e nitrogênio, mas sem enxofre– Chamou-o de nucleína (DNA)

Johannes Miescher1844-1895 (Sec. XIX)

Médico e biólogo Suiço

Descoberta da CROMATINA

• Descobriu uma estrutura celular que era altamente afim a corantes básicos– Chamou-a de cromatina

• Essas estruturas poderiam ser vistas no núcleo em pedaços– Cromossomos (corpos corados)

• Estudou a divisão celular em salamandras (mitose)

Walther Flemming1843–1905

Médico e Biólogo alemão, fundador da citogenética

Descoberta e publicação da mitose (1888)

Teoria cromossômica Sutton (1902-3) mostrou, através de estudos em

células germinativas de gafanhotos, que os cromossomos eram responsáveis pela base física da herança mendeliana

Boveri descobri que os ouriços do mar precisavam ter todos os cromossomos em ordem para que seu desenvolvimento embrionário ocorresse de forma perfeita Descobriu também que no câncer havia

alteração cromossômica e que isso leva à reprodução descontrolada

1915 – O mecanismo da herança mendeliana (Teoria cromossômica da herança), Morgan et al. Ligou os cromossomos diretamente a Mendel

Walter Sutton1877 - 1916

Thomas Morgan 1866 –1945

Eucromatina e Heterocromatina• Emil Heitz, 1928

– A heterocromatina do musgo

• Eucromatina: menos corada, cromossomos menos condensados, representa os genes ativos

• Heterocromatina: mais corada, cromossomos mais condensados, representa os genes inativos

• Fez estudos citológicos em 115 espécies de plantas, além de drosófilas e outros dípteros

Emil Heitz1892 - 1965

Cromossomos

• Anatomia cromossomal

Centrômero

Telômeros

Braço longo

Braço curto

Cromátides

Cromatina

Linfócito humano Linfócito de rato

CromatinaRegiões mais coradas – heterocromatina

Regiões menos coradas - eucromatina

• Cooper, 1959– Heterocromatina e

cromatina são diferentes biofisicamente, mas teem um mesmo arranjo básico estrutural como DNA

Inativação do cromossomo X

• ~1960: Uma das duas cópias do cromossomo X de fêmeas de mamíferos é inativada

• O cromossomo X extra fica em estado de heterocromatina– Compensação de dose– Escolha aleatória mas continua por toda a vida

(em marsupiais é sempre o X paterno inativado)• Alguns genes podem fugir à inativação

Empacotamento do DNA

HU proteins

eucariotos

Histonas

Mecanismo molecular para formar a eucromatina X

heterocromatina• Histonas

– Descobertas por Kossel ainda no século XIX (1884)

• Proteínas mais conservadas entre os organismos• Carregadas positivamente (Lys + Arg)• DNA dá 1,7 voltas no

octâmero

Descoberta do Nucleossomo• Kornberg, R.D. (1974) Chromatin

structure: a repeating unit of histones and DNA. Science 184, 868-871.– Descoberta dos nucleossomos

• Produziu estruturas cristalográficas relacionadas ao mecanismos de transcrição (produção do RNA)

• Prêmio Nobel em 2006

Roger David Kornberg Bioquímico americano

(1947-)

Octâmero de Histonas, o nucleossomo

• Formado por 146 bp• Ligado a outro nucleossomo por uma região

ligadora (linker), contendo entre 10 e 80 bp

Estrutura da cromatina eucarióticaEmpacotamento de nucleossomos como umoctâmero de histonas:

2X H2A H3H2B H4

H1

Modificações pós-traducionais• Uma vez que as proteínas são

traduzidas nos ribossomos, muitas delas podem ser modificadas para ajustar suas funções “em tempo real”

• Fosforilação de proteínas– Proteínas quinases e fosfatases

• Diversas outras modificações podem acontecer em proteínas... As histonas são alvos de várias delas

Estrutura e função da cromatina• Papel estrutural: empacotamento do DNA• Papel regulatório: controle do acesso da maquinaria de

transcriçãoExemplo:histonas acetilaseshistonas desacetilases

• Ligação de fatoresde transcrição e acetilação de histonas– desempacotamento

da cromatina– ativação da

expressão gênica

Histonas desacetiladas cromatina fechada expressão gênica inativa

Modificações que diminuem a carga positiva das proteínas abrem a cromatina

Menor interação DNA-histona

Ativação do gene

Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica

Compactação do DNA

• É compreendida hoje a relação das histonas com o DNA

• Entretanto há uma série de proteínas que formam as fibras da cromatina cuja ação não é bem compreendida

Remodelamento da cromatina• Vários estudos modernos são feitos

com relação ao remodelamento dinâmico da cromatina em células interfásicas

• Estudos recentes (2007) parecem mostrar não haver estrutura de nucleossomos em regiões de promotores e origens de replicação

• Nucleossomos são removidos em condições de estresse, permitindo transcrição

O código das histonas

• Estudos que almejam identificar a relação entre – Código de modificações

pós-traducionais em histonas

– Expressão gênica (Transcrição)

Conclusões• O DNA das células está

empacotado no núcleo

• Este empacotamento se dá através da associação do DNA (-) com proteínas chamadas histonas (+)

• As histonas permitem a regulação da expressão gênica ao abrirem ou fecharem a cromatina, permitindo o acesso ao DNA por outras proteínas (fatores de transcrição)

Adendo: Epigenômica

Prof. Francisco Prosdocimi

Epigenética• Mudanças no fenótipo ou na

expressão gênica causadas por mudanças não-mutacionais

• Holliday, 1990– The study of the mechanisms of

temporal and spatial control of gene activity during the development of complex organisms

• O epigenoma...– Metilação do DNA– Remodelamento de cromatina

• O código das histonas

Modificações epigenéticas• Permitem uma regulação fina da

transcrição em determinados locos

• Determina quais regiões da cromatina estão mais ou menos abertas para o acesso da maquinaria de transcrição

• Acredita-se hoje que os mecanismos epigenéticos sejam responsáveis pela diferença de expressão gênica entre tecidos– 1 genoma X 250 epigenomas

Metilação do DNA• Ilhas CpG

– C’s antes de G no genoma são muitas vezes mutados para T

– A quantidade de CpG no genoma é menor do que seria de se esperar pelo acaso

• Código selecionado evolutivamente

– Presentes em regiões promotoras de organismos eucarióticos!

– Mecanismo herdável

Tratamento com bissulfito• Permite a identificação em larga-

escala das citosinas metiladas

• É importante que o DNA esteja em fita simples para que não haja modificação parcial das citosinas

• Tratamento bioinformático posterior para identificação das regiões metiladas

• Acesso diferenciado pela maquinaria de transcrição

A cromatina

• Estrutura de empacotamentodo DNA nuclear

• Nucleossomos• Histonas

– Carga positiva

Acetilação de histonas

Histonas desacetiladas cromatina fechada expressão gênica inativa

Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica

Imunoprecipitação da cromatina• ChIP

– Chromatin Immunoprecipitation

• Liga-se o nucleossomo a anticorpos específicos para histonas modificadas

• Libera-se o DNA e sequencia-se

• Permite reconhecer as regiões do DNA ligadas em histonas com determinadas modificações pós-traducionais

O código das histonas

• Estudos que almejam identificar a relação entre – Código de modificações

pós-traducionais em histonas

– Expressão gênica

Conclusão: epigenômica• Os mecanismos de modificações

pós-traducionais em histonas e de metilação do DNA interferem na expressão gênica e podem ser quantificados

• Existe uma ordem neste processo?

• Existirão realmente epigenomas específicos para cada tipo celular?