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Epigenética: mecanismos de regulação gênica
Mateus da Rosa Nunes Paiva
Aluno de mestrado: Programa de Biologia Molecular e Microbiologia, Departamento de Genética, Evolução e Bioagentes – Laboratório de Genômica e Expressão, IB/Unicamp
Introdução – Pistas da genética e desenvolvimento
Muller, 1930: “Eversporting displacements”
*Eversporting -> alta frequência de mutantes*Displacements -> deslocamentos cromossômicos
“Mesmo quando todas as partes de cromatina apareciam representadas na dosagem certa, mudando apenas a posição, o resultado fenotípico não era igual”
Introdução – Pistas da genética e desenvolvimento
Muller, 1930: “Eversporting displacements”
*Eversporting -> alta frequência de mutantes*Displacements -> deslocamentos cromossômicos
“As regiões cromossômicas, afetando diversos caracteres de uma vez, de algum modo influenciam o fenótipo, junto com genes independentes e elementos gênicos. A variegação em
questão surge com a justaposição do gene para o olho branco com uma região heterocromática. Genes não são entidades independentes, sua ação depende de sua posição no genoma.”
Hannah, 1951: “Localization and function of heterochromatin in Drosophila melanogaster”
GIRLS!
Introdução – Pistas da genética e desenvolvimento
Introdução – Pistas da genética e desenvolvimento
Introdução – Pistas da genética e desenvolvimento
Gêmeos monozigóticos. Por que a diferença?
Introdução – Pistas da genética e desenvolvimento
Gêmeos monozigóticos idênticos. Por que a diferença?Síndrome de Kallmann: disfunção na embriogênese da placa olfatória (mesma origem embrionária de glândulas cerebrais). Altamente controlada por “fatores externos” do modo de vida.
Metilação do DNA, cromatina e diálogo entre mecanismos
Metilação do DNA, cromatina e diálogo entre mecanismos
Genética versus epigenética
Genética molecular: capaz de explicar conceitos mendelianos de herança. Alelos diferentes geram fenótipos diferentes, por sua expressão em proteínas funcionais ou não
Genética versus epigenética
Como alelos idênticos de um mesmo gene são distinguidos, modificados e mantidos diferentes ao longo de gerações celulares? Como eles se diferenciam, estando na mesma condição celular?
Genética versus epigenética
Watson, 2003: “Somos mais que a somatória de nossos genes. É possível
herdar e expressar além do que é ditado pela sequência de seu DNA. E é
esse campo a excitação atual da genética.”
Definindo epigenética
Marcadores temporários: mantém o estado funcional de situações passageiras:
• Restrição de nutrientes• Restrição hídrica• Reações imunes agudas• Limitação de oxigênio• Radicais livres• (...)
Definindo epigenética
Marcadores permanentes: mantém o estado funcional de situações de longa duração. Transmitidos pela linhagem celular:
• Restrição de nutrientes• Reações imunes crônicas• Exposição a fatores de
diferenciação celular• Exposição a químicos • (...)
Definindo epigenética
Epigenética: estudo da somatória das alterações do template de cromatina que coletivamente estabelece e propaga diferentes padrões de expressão gênica no mesmo genoma”
Definindo epigenéticaEpigenética: estudo da somatória das alterações do template de cromatina que coletivamente
estabelece e propaga diferentes padrões de expressão gênica no mesmo genoma”
Há um “Código epigenético”?
Definindo epigenéticaEpigenética: estudo da somatória das alterações do template de cromatina que coletivamente
estabelece e propaga diferentes padrões de expressão gênica no mesmo genoma”
Há um “Código epigenético”?
Código genético: Previsível e universal
Epigenética: Alterações dependentes de enzimas em comum entre
organismos, mas com interpretações dependentes de complexos e
acúmulos de marcadores para cada grupo próximo: não-universal e
imprevisível
Cromatina• O template de cromatina
147bp ~ duas voltas e meia
Cerne de histonas: domínio globular básico (atrai DNA acído)caudas histônicas flexíveis protundentes
Extremamente conservadas! Tem função importante na evolução SELO CHER DE CONSERVAÇÃO
Cromatina• Organização cromatínica de ordem maior
Eucromatina: cromatina descondensada, ativa. Rica em AT próxima a promotores, produz tRNA, mRNA ou rRNA, posição marginal no núcleo
Heterocromatina: cromatina condensada, não ativa . Rica em repetições próximo a promotores, produz ntRNA (ou não produz), posição central/periferia
Teoricamente: 147bp enrolados nas histonas, 200bp entre nucleossomos
... realidade: espaçamentos irregulares determinados por fatores epigenéticos
Mecanismos: • Cis: alterações nas propriedades físico-químicas das histonas. Ex: fosforilação e acetilação (adiciona cargas neg., repele DNA). • Trans: recrutamento de complexos proteicos que alteram a estrutura cromatínica (leitura de alterações cis, gasto de ATP)
Histonas
Atividade de histonas: modificações covalentes e troca por variantes
Modificações covalentes: Acetilações, metilações, fosforilações (...) Efeitos cis e trans; Marcadores como interruptores on/off da
transcrição Enzimas sempre expressas, extremamente
específicas: HATs e HDACs, quinases e fosforilases, PRMTs e HKMTs
Estados revertidos: uni e di modificações. Tri modificações são permanentes
Modificações em conjunto em vários sítios Muito presente em: H4, H3
Histonas e suas variantes
Variantes de histonas: Diferentes genes: mudanças já estabelecidas Efeitos trans; Marcadores de diversos efeitos funcionais Algumas enzimas expressas em momentos
específicos, outras constantemente Pode ou não se reverter Modificações em regiões cromossomais Muito presente em: H3, H2A Podem sofrer modificações covalentes
Centrômeros e histonas: CENP-3/CenH3
Centrômeros e histonas: CENP-3/CenH3
Para refletir:
Genes com funções importantes (o caso das histonas) são extremamente conservados, e protegidos de mutações e recombinações; a chance de o organismo perder a viabilidade com uma mutação é muito alta. Entretanto, CENP-3/CenH3 apresenta as maiores taxas de mutação do genoma. Por que?
Cromatina ativa e histonas
Regiões ativas: grande fluxo de histonas (passagem da polimerase) + síntese constante de H3.3 -> substituição de H3 por H3.3 -> apagamento de eventuais marcas supressoras em regiões eucromáticas e manutenção delas em regiões
heterocromáticas -> memória celular (expressão diferencial)
Reparo de DNA e histonas
Compensação de dose
A necessidade da compensação de dose
Processo de inativação
Processo de inativação
Imprinting genômico
Imprinting genômico: mecanismo
Necessidade do imprinting
Hipótese do conflito parental• Macho: É mais vantajoso que minha progênie
cresça mais que os irmãos com hemigenomasdistintos -> maior expressão de fatores de crescimento fetais
• Fêmea: É mais vantajoso que toda a progênie cresça igualmente, pois o meu hemigenomaestá em todos -> controle de fatores de crescimento, todos crescem igualmente
Hipótese da bomba-relógio ovariana• Imprinting como estratégia de contenção de
doenças trofoblásticas• Prevenir partenogênese -> heranças
uniparentais levam a letalidade embrionária
Metilação do DNA
Metilação: ilhas CpG -> Regiões não-codantes e repetições
Enzimas atuantes: DNMT1, DNMT3a e DNMT3b
Via: DNMTs metilam -> Sinal para recrutamento de MeCP2 e HDACs -> modificações de histonas
Mecanismo de memória celular
Metilação, mutações e estabilidade do DNA
Se a metilação induz mutações espontâneas em alta frequência, por que ela é um mecanismo selecionado evolutivamente?
Metilação, mutações e estabilidade do DNA
Se a metilação induz mutações espontâneas em alta frequência, por que ela é um mecanismo selecionado evolutivamente?
A metilação é mais frequente em regiões não codantes, onde transposons e vírus tem maior chance de se inserir. Ao promover maior taxa de mutação, ela promove maior taxa de inativação de sequências nocivas. Metilações próximas a genes ativos são constantemente
removidas por enzimas de vigilância.
Base biológica do câncer
Câncer: doença da expressão gênica. Redes de homeostasia se tornam deficientes, células crescem sem controle
Causas: alteração (epi)genética estimuladora em oncogenes, alteração (epi)genética repressora em supressores
Hipótese de Knudson: “Para que um tumor se manifeste, ambos os alelos de um conjunto devem se comportar aberrantemente
-> Extremamente improvável duas mutações similares em um mesmo par de alelos de vários genes. Uma mutação em um e uma alteração epigenética em outro são os casos mais recorrentes, além de duas alterações epigenéticas
Base biológica do câncer
Hipótese de Knudson: “Para que um tumor se manifeste, ambos os alelos devem se comportar aberrantemente-> Improvável (mas possível) duas mutações similares em um mesmo par de alelos de um mesmo gene. Uma
mutação em um e uma alteração epigenética em outro são os casos mais recorrentes, além de duas alterações epigenéticas
Metilação do DNA no câncer
Epigenética: Neo-Lamarckismo?
Vídeo ilustrativo: aplicação
Perguntas
