Epigenética: mecanismos de regulação gênica

Mateus da Rosa Nunes Paiva

mateus.rnpaiva@gmail.com

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