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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
