Epigenética

Como diferentes células tronco adultas “sabem” seu destino celular?

Diferentes tipos celulares mas sequência de DNA idêntica

Como organismos geneticamente idênticos podem apresentar diferentes fenótipos?

Como organismos geneticamente idênticos podem apresentar diferentes fenótipos?

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

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?

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.

Antigamente...

Epigenética: diferenciação das células a partir de um estado inicial totipotente no desenvolvimento embrionário.

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...

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.

A informação epigenética

A informação epigenética

Mecanismos epigenéticos

Metilação de citosinas

Modificação de histonas

Remodelamento de cromatina

RNA de interferência

Mecanismos epigenéticos

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.

Metilação de citosinas no DNA

Tipos: - de manutenção - de novo 5-metilcitosina

ON

OFF

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

Metilação de citosinas no DNA

CpG não metilada

CpG metilada

ON

OFF

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)

Metilação de citosinas no DNA

ON

OFF

Metilação de citosinas no DNA Funções:

◦ Expressão gênica

◦ Estabilidade cromossômica

◦ Diferenciação celular

◦ Imprinting

◦ Inativação do X

A função normal da célula depende do equilíbrio entre dois eventos:

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

HIPOMETILAÇÃO X HIPERMETILAÇÃO

Alterações no padrão de metilação e a carcinogênese

INSTABILIDADE CROMOSSÔMICA ATIVAÇÃO DE ONCOGENES

HIPOMETILAÇÃO GLOBAL

INATIVAÇÃO DE GENES

SUPRESSORES TUMORAIS

INATIVAÇÃO DE

GENES DE REPARO

HIPERMETILAÇÃO DE ILHAS CpG

METILAÇÃO NORMAL DO DNA

Alterações no padrão de metilação e a carcinogênese

“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.

5- hidroximetilcitosina (5hmc)

Ocorre em menos de 1% das C em mamíferos; altos níveis em neurônios e células embrionárias.

É intermediária na remoção do grupo metil: 5hmc depende de 5mc pré-existente.

5-hidroximetilcitosina

ON Atividade

transcricional

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

Código de histonas Código de histonas:

Conformação da cromatina

Acetilação de histonas

HDAC (desacetilação de

histonas)

HAT (acetilação de

histonas)

Cromatina ativa

Cromatina inativa

Lisin

a

A acetilação de histonas ocorre em resíduos de lisina

Hiperacetilação de H3 e

H4 – regiões ativas

transcricionalmente

Hipoacetilação de H3 e H4

– regiões de baixa

atividade trascricional

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

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.

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

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

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

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

“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 de cromatina Replicação do DNA e das características da cromatina

Diferentes tipos de cromatina são replicadas em momentos distintos (origens de replicação ativadas distintamente) para manter o padrão de cromatina de cada uma.

RNAs não codificadores (siRNA e miRNA) RNAs não codificadores atuam no silenciamento transcricional e pós-transcricional.

Regulam a expressão de genes ao interagir com seus mRNAs

Há interferência na expressão gênica: Regulação por RNA de interferência

Epigenética...

Conjunto das modificações nucleares herdadas e que modulam a expressão gênica, mas não envolvem modificações na sequência de DNA.

Replicação de cromatina

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

Fenômenos epigenéticos

Inativação do X

Imprinting genômico

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

Exemplo: Cor de pelagem ligada ao X – gatos Tortoiseshell

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

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

Processo de inativação do X

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.

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

Gene imprintado: expressão condicionada por sua origem parental.

Espermatogênese - Padrão de metilação paterno

Oogênese - Padrão de metilação materno

Hemizigose: apenas uma

cópia metilada

Influências ambientais

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 disperdício 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.

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;

Epigenética e experiências na infância Influência do ambiente de infância no sistema nervoso central e resposta ao estresse na vida adulta:

Comparação de padrões epigenéticos do hipocampo entre vítimas de suicídio com e sem histórico de abuso na infância – ↑metilação do promotor de NR3C1 = ausência do receptor

Estresse social (frustração social) em camundongos jovens está relacionado a mudanças epigenéticas no hipocampo – prole exibe comportamento depressivo e ansiedade.

Experiências na infância resultam em alterações moleculares na resposta cerebral ao estresse via mudanças nos padrões epigenéticos.

Epigenética e envelhecimento As “assinaturas” epigenéticas tendem a mudar naturalmente com a idade:

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.

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

Epigenética e doenças

Epigenética e doenças

Epigenética como fonte de variabilidade

Epigenética como fonte de variabilidade

Alterações adquiridas podem ser herdadas... Lamarckismo???

Efeitos ambientais podem influenciar o epigenoma de um indivíduo. A partir do momento que o compõe, pode ser passível de herança.

A epigenética não corrobora o Lamarckismo

Princípio fundamental: Lei do uso e desuso (o que era adquirido como “influência” do ambiente advinha do

uso ou não uso da estrutura em questão)

A epigenética traz a ideia da herança de informações sem alterar a sequência de DNA, com influência do

ambiente no qual o indivíduo se desenvolve, mas não toca na questão principal que fundamenta o

Lamarckismo...

Atividade proposta

Síndrome de Prader-Willi Síndrome de Angelman Síndrome Beckwith-Wiedemann Câncer Doença de Huntington Doença de Alzheimer Esclerose múltipla