Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de ... · Histonas H3-K9 Deacetilação...

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE

PLANTAS

Fernanda SalvatoDr. Carlos Alberto Labate

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE

PLANTAS

Fernanda SalvatoDr. Carlos Alberto Labate

Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil

Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 -http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php

“EPIGENÉTICA”

Expressão Gênica

• Todas as células possuem o mesmo genoma

• Diferentes células expressam diferentes proteínas

• Projeto Genoma Humano:

~33 mil genes

~ 200 mil proteínas ???

Não basta conhecer quais genes estão presentes ...Não basta conhecer quais genes estão presentes ...

Mas, sim como estão sendo regulados!!!Mas, sim como estão sendo regulados!!!

Expressão Gênica

• Mosca das frutas

Genoma: 140Mb – 17.000 genes

• Homem

Genoma: 3.000Mb – 33.000 genes

ComplexoComplexo

ComplexidadeComplexidade

Como estes genes são usados???

Nº genes

DNADNA

Genes codificadoresde proteínas

Região não codificadora

Informação ocultafora da seqüência

de DNA

Pequenos RNAs

Não codificadores

< 2% do DNA totalControle

Epigenético

Variação Fenotípica...

Qual é a base desta variação???

Origem de diferentes genitores?

Ou resultado de mutação no gene para pigmentação?

??????

Todos os ratos são GENETICAMENTE

idênticos!!

Mas, EPIGENETICAMENTE

diferentes!!

O que é Epigenética??

Conjunto das modificações nucleares herdadas e que Conjunto das modificações nucleares herdadas e que

modulam a expressão gênica, mas não envolvem modulam a expressão gênica, mas não envolvem

modificações da seqüência de DNA.modificações da seqüência de DNA.

Questões:

• Como os padrões de expressão são passados de uma célula para seus descendentes?

• Como ocorre a expressão tecido-específica?

• Como fatores ambientais podem mudar a maneira como os genes são expressos?

O que é Epigenética??

• É transmitida para a geração subseqüente através da mitose e meiose

• São Reversíveis

• Mudanças Epigenéticas são mais freqüentes que as Genéticas

• Ocorrem em resposta a sinais ambientais, comportamentais, fisiológicos e patológicos

GENOMA

PROTEOMA & TRANSCRITOMA

EPIGENOMAS

VARIAÇÃO FENOTÍPICA

SINAIS

Como a Como a EpigenéticaEpigenética controla a transcrição??controla a transcrição??

Há 3 principais mecanismos...Há 3 principais mecanismos...

• Metilação do DNA

• Modificações de Histonas

• RNAs não codificadores (siRNA, miRNA)

Metilação do DNA

• Ligação covalente de grupos Metil na citosina• Enzima: DNA metiltransferase

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

ManutençãoDNA metiltransferase

Replicação do DNACH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

De novo metiltransferaseDemetilase

CH3 CH

Reações de Metilação de DNA

Metilação do DNA

• Local: ilhas CpG• Ilhas CpG próximos aos promotores• CpGs metilados estão associados com DNA silenciados

(transposons, genes imprintados)• CpGs não metilados estão associados a genes ativos

(genes housekeepings, genes tecido-específicos)

OFFON

Como a Metilação afeta a Transcrição??

Promotor não metilado (ou

hipometilado) permite

transcrição gênica

Metilação CpGs bloqueia

ligação dos TFs; impedindo

a transcrição

Proteínas de ligação Me-CpG

também impedem a ligação de

TFs aos promotores

Par CpG Metilação Fator de Transcrição Proteínas de Ligação Me-CpG

... Metilação é sempre repressão?

• Metilação silenciamento (20 anos!!!)

- silenciamento de transposons (DEFESA GENÔMICA)- silenciamento/regulação de genes endogênicos

• A metilação é substrato tanto de proteínas repressoras como ativadoras da transcrição!!! (observado em insetos)

0 -10% em insetos

5% em mamíferos

10% em anfíbios e peixes

> 30% em plantas

% citosinas metiladas

...a cópia ativa do cromossomo X humano possui maiores proporções de metilações que a cópia inativa....

Memória Epigenética

• Padrões de metilação são herdáveis em uma das fitas-filhas depois da replicação do DNA

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Replicação do DNA

DNA Metiltransferase

Manutenção do padrão

Como a Como a EpigenéticaEpigenética controla a transcrição??controla a transcrição??

Há 3 principais mecanismos...Há 3 principais mecanismos...

• Metilação do DNA

• Modificações de Histonas

• RNAs não codificadores (siRNA, miRNA)

Organização do Genoma

• Se o genoma não é acessível à maquinaria de transcrição da célula, o genoma não poderá ser funcional!

• A utilização da informação biológica contida no genoma depende da organização estrutural da cromatina!

Eucromatina

Heterocromatina

Modificações de Histonas

• As modificações de histonas modulam a estrutura da cromatina

• A cauda N-terminal de histonas pode ser pós-traducionalmente modificadas:

• Acetilações

• Metilações

• Fosforilações

• Ubiquitinações• Ribosilações

N HISTONA

Código das Histonas

Modificações de histonas

Acetilações

• Ativa a cromatina, permite o acesso de outras proteínas ao DNA

Metilações

• Efeito depende da histona e do aminoácido metilados:

- H 3 na lisina 9 facilitam a metilação do DNA e silenciamento de genes- H 3 na lisina 4 abre a cromatina, ativando a transcrição.

GeneIlhas CpG

CpGmetilado

Deacetilaseliga-se via Metilações

Cromatina condensada

Metilações de DNA & Modificações na Cromatina

MetilaçãoHistonas H3-K9

DeacetilaçãoHistonas

Metilação do DNA

Ciclo repressivo

AcetilaçãoTranscrição

5-metil-C

Proteínas Metil-CpGe co-repressores associados

DNA metiltransferase

Cromatina compactada

Silenciamento transcricional

Transcrição Deacetilação

Proteínas Metil-CpGe co-repressores associados

Deacetilase de histona

Como a Como a EpigenéticaEpigenética controla a transcrição??controla a transcrição??

Há 3 principais mecanismos...Há 3 principais mecanismos...

• Metilação do DNA

• Modificações de Histonas

• RNAs não codificadores (siRNA, miRNA)

RNAs não codificadores (RNAi e miRNA)

siRNA (Short Interfering RNA)

miRNA (Micro RNA)

dsRNA (Double-strand RNA)

shRNA (Short Heterochromatic RNA)

RNAs não codificadores (RNAi e miRNA)

• Silenciamento gênico transcricional e pós transcricional;Controle do desenvolvimento, resposta imune, expressão tecido-específico

• Inicia e/ou mantém heterocromatização de regiões gênicasMetilações de DNA/histonas

• 460 miRNAs em Humanos

• + de 75.000 seqüências de sRNAs em Arabidopsis

2% genes são 2% genes são controlados por controlados por miRNAsmiRNAs

RNAs não codificadores (RNAi e miRNA)

Complexos importantes:

• DICER: reconhece e cliva a dsRNA em sRNAs

• RISC: clivagem do RNAm “alvo”

DicerDicer

siRNAsiRNA

5’5’

3’3’ 5’5’

3’3’

Bloqueio da Bloqueio da TraduçãoTradução

Complementariedade Total:

(miRNAs)

DegradaçãoDegradaçãomRNAmRNA

Complexo RISCComplexo RISC

Complementariedade Parcial

Degradação do mRNA

Bloqueio da TraduçãoRISC

Fita “guia” siRNA

Fita siRNA“aberta”

siRNAs

Dicer cliva dsRNA

Dicer

Dicer

Precursor de miRNA

Fita dupla de RNA genes anormais,

transposons

Núcleo citoplasma

dsRNA

RISC

5’ 3’

Degradação mRNA

Bloqueio da Tradução

5’ 3’ mRNADNA

Dicer

RNAi/PTGSTGS

DNA/metilação de histonas

RdRPAmplificação

miRNAsiRNAs

Epigenética...Ambiente

Epigenética...Ambiente

Nature 401:60-63

Clones de Daphnia

Ausência de predadores

Presença de predadores

• Daphinia desenvolve espinhos, que evitam a predação, somente na presença dos predadores ...

• Uma vez que isto acontece, é transmitido para as células ovo!

• Provavelmente devido à ativação diferencial de genes

O ambiente exerce forte influência no desenvolvimento O ambiente exerce forte influência no desenvolvimento

Plasticidade do DesenvolvimentoPlasticidade do Desenvolvimento

Epigenética...Ambiente

VERNALIZAÇÃOVERNALIZAÇÃO

• Aquisição ou aceleração da

habilidade para florescer através do tratamento de frio.

• Plantas bianuais

• Arabidopsis, trigo, cevada, canola (cereais), cenoura...

• Vernalização & Fotoperíodo

Plântula

Planta Adulta

http://www.bio.indiana.edu/facultyresearch/faculty/Michaels.html

Vernalização: ciclo de vida

Outono

Inverno

Primavera

Verão

vernalização

meiose

mitose

Plantas bianuais

Qual é o mecanismo??

http://www.jic.bbsrc.ac.uk/staff/caroline-dean/vernalization.htm

Repressão

Tratamento de frio

• FLC: gene repressor do florescimento

• Vernalização promove deacetilação e metilação de histonas

• Formação de heterocromatina

• Silenciamento do repressor FLC

FLC

Imprinting Genômico

• Certos genes apresentam expressão diferencial quanto a sua origem, materna ou paterna

• Se ativos no cromossomo materno, desativos no paterno

• Apenas um alelo é ativo, materno ou paterno

• 60 genes imprintados em Humanos (estima-se + de 200)

Imprinting Genômico

• Funcionalmente estes genes são haplóides

Imprinting Genômico

•• Desenvolvimento da sementeDesenvolvimento da semente

Embrião endosperma

Manutenção da metilação do

DNA

Dupla Fertilização

Dois gametas masculinos

Dois gametas femininos

Célula ovo Célula central

Estabelecimento da expressão FWA no endosperma

FWA silenciado

Fase Vegetativa

Epigenética & Evolução

Última gargalhada de Lamarck???

• “Herança das características adquiridas” (?)

Epigenética & Evolução

Variação Epigenética é estimulada por stress

Possibilidade para rápida mudança evolutiva!?

hibridação / poliploidização

Novos ambientes

A plasticidade A plasticidade FenotípicaFenotípica pode resultar dos efeitos pode resultar dos efeitos epigenéticosepigenéticos que regulam o DNA.que regulam o DNA.

Tem

po

Tem

po

Tem

po

Tem

po

Genótipos

Genótipos

Fenótipos

Fenótipos

Visão Genética

Visão Epigenética

Fenômeno Fenômeno EpigenéticoEpigenético Novos FenótiposNovos Fenótipos ResultadosResultados

Est

ress

e G

enô

mic

o

Sel

eção

Nat

ura

l

Novos estados morfológicos

Reorganização da cromatina

Metilaçãode DNA

Modificações de histonas

Liberação de Transposons

Novas transcrições

Diferenciação de populações com diferentes estados de expressão

Poliploidia

Hibridização

Efeito Fundador

Desastre

ProcessoProcesso

Novas interações entre fatores de transcrição

Epigenética & Evolução

•• Como os poliplóides criam novas variações?Como os poliplóides criam novas variações?

Poliploidização

Novas variaçõesMudanças genéticas

Mudanças epigenéticas

Interação regulatória alterada

variação dosagem gênica

Epigenética & Heterose

• Heterose ou vigor de Híbrido• Combinações únicas de informações genéticas e epigenéticas

passadas de cada parental!

Híbridos: alta variação de seqüência e níveis de expressão dos alelos parentais

Milho + 2/3 do genoma constituído de transposons

Transposons: regulação epigenética da expressão dos alelos parentais no híbrido

Q. Sun et al. / Plant Science 166 (2004) 651–657

Ex:

Considerações FinaisConsiderações Finais

• Pesquisa Epigenética

• Pesquisa com plantas têm facilitado os estudos

• Ambiente: fator modificador dos padrões epigenéticos

(estudo crescente da resposta epigenética aos estresses ambientais)

Excelente interligação entre

grupos de pesquisa

Obrigada!!