Post on 18-Mar-2020
Mecanismos de Formação de Heterocromatina
Mestranda Larissa M. de Andrade
Orientador Prof. Dr. Mateus Mondin
LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
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O que é Heterocromatina
Emil Heitz (1928) descreveu a heterocromatinacomo o material nuclear que se mantém
condensado em todo o ciclo celular, ao contráriodo resto do cromossomo, que apresenta um ciclo
de condensação-descondensação
(Grewal e Jia, 2007)
• Classificação da heterocromatina:
Heterocromatina facultativa: ocorre em apenas um doscromossomos do par, e é ativo em apenas um curto períodode tempo do ciclo de vida; mantendo-se epigeneticamentereprimidos e heterocromáticos no restante da vida doindivíduo
Heterocromatina constitutiva: ocorre no par de cromossomoshomólogos, e não é transcrito devido à sua composição doDNA
Introdução
(Sumner, 2003)
• Localização:
Centromérica: Praticamentetodos os cromossomos têmblocos de heterocromatina naregião centromérica e estesblocos podem variar emtamanho entre grande e muitopequeno
Exemplo: Arabidopsis
Introdução
(Sumner, 2003)
Humanos
Milho
Aguiar-Perecin, M. L. R. et al., 2000
Introdução
Intersticial e Terminal: são menos comuns; comuns em plantas com cromossomos grandes e insetos
Altamente condensada
Baixa
Final da fase S
Baixa frequência
Baixa
• Aparência na intérfase
• Densidade de gene
• Replicação
• Recombinação meiótica
• Acessibilidade a nuclease
Características da Heterocromatina:
Introdução
(Sumner, 2003)
Introdução
é composta por seqüências de DNA repetitivo que tem pouca ou nenhuma atividade
silenciadas por modificações covalentes no DNA ou nas histonas;
Auxilia na recombinação entre elementos repetitivos;
Auxilia no controle da segregação dos centrômeros;
Promove interações entre regiões de cromatina;
Características da Heterocromatina:
• Formação e manutenção integram 2 tipos de informações:
localização cromossômica e nuclear
presença e densidade de elementos de DNA repetitivo
(Grewal e Jia, 2007)
são os principais alvos de formação da heterocromatina
encontrados em centrômeros, telômeros e ‘knobs'
seqüências de DNA satélite e elementos transponíveis
Introdução
Mecanismos de Formação da Heterocromatina
Metilação do DNA
Interferênciapor RNA
Modificações nas Histonas
Metilação do DNA
• A metilação é uma modificação comum no DNA doseucariotos Carbono 5 da citosina (5- methylcytosine,5mC)
Metilação do DNA
http://www.scq.ubc.ca/human-cloning-science-fiction-or-reality/
• Em Plantas ocorre predominantemente nos sítios GC, mastambém em sítios CHG e CHH (onde H é A, T, or C)
• O nível de 5-MC é variável em Plantas:
6% das citosinas em Arabidopsis (Kakutani et al. 1999)
25% das citosinas em Milho (Papa et al. 2001)
Metilação do DNA
(Teixeira et al., 2009)
Metilação do DNA
• Está ausente ou quase ausente na levedura, moscas enematóides
• A interação entre a metilação do DNA e a metilação dehistonas é bem estabelecida em animais e plantas
• Em Plantas, os transposons são metilados, os quais resultamna regulação dos genes vizinhos
(Lippman & Martienssen, 2004)
(Lippman e Martienssen, 2004;Vaughn et.al, 2007)
• Os blocos de heterocromatina estão metilados e hipometilados
O repeat de 178 pb associado a CEN na cromatina sãohipometilados em comparação com o mesmo repeatlocalizado na heterocromatina pericentromérica em milho eArabidopsis
Epigenetic Modification of Centromeric Chromatin: Hypomethylation of DNA Sequences in the CENH3-Associated Chromatin in Arabidopsis thaliana and Maize
5-MC em Arabidopsis
• Marca cromocentros
• Sinais com centros ocos em alguns núcleos
• Os centros ocos são ocupados por cromatina associada a CENH3
• As seqüências de DNA na cromatina CENH3 são hipometiladascomparada as seqüências de DNA da cromatina pericentromérica
5-MC em Milho
• Redução significativa do sinal de metilação foi observada nosdomínios ocupado por CENH3
• As seqüências de DNA na cromatina CENH3 são hipometiladascomparada as seqüências de DNA da cromatina pericentromérica
Epigenetic Modification of Centromeric Chromatin: Hypomethylation of DNA Sequences in the CENH3-Associated Chromatin in Arabidopsis thaliana and Maize
• Conclusões:
• Em Arabidopsis e no Milho os repeats associadoscom a cromatina CENH3 são hipometiladas emcomparação com o mesmo repeat localizado nasregiões pericentromérica
• Os resultados sugerem que a metilação do DNAdesempenham um papel importante nademarcação epigenética da cromatina CENH3
Epigenetic Modification of Centromeric Chromatin: Hypomethylation of DNA Sequences in the CENH3-Associated Chromatin in Arabidopsis thaliana and Maize
Modificações nas Histonas
Modificações nas Histonas
• As modificações nas histonas ocorrem, normalmente, nascaudas N-terminais
(Lippman e Martienssen, 2004)
• Muitas destas alterações são específicas para:o Heterocromatina: metilação de histonas H3 na lisina 9o Eucromatina: metilação de histonas H3 na lisina 4
Modificações nas Histonas
http://chemistry.gsu.edu/faculty/Zheng/pictures/nucleosome.jpg
• As modificações estão implicadas na regulação dos genes,formação e manutenção das heterocromatinas
• Histonas são modificadas em muitos sítios: Há mais de 60resíduos diferentes de modificações em histonas que foramdetectados por meio de anticorpos específicos
Modificações nas Histonas
(Fuchs et al., 2008)
(Kouzarides, 2007)
• Há 3 tipos de metilação:
Modificações nas Histonas
(Sumner, 2003)
• A heterocromatina é, normalmente, transcricionalmente inativa
• hipoacetilada nas histonas H3 e H4;• hipometilada na lisina 4 da H3;• altamente metilada na lisina 9 da histona H3
em levedura, Drosophila, mamíferos e Arabidopsis
(Jasencakova et. al, 2003)
Modificações nas Histonas
• Proteínas que auxiliam na formação da heterocromatina
Essas proteínas não foram descritas em
Plantas, mas estudos mostram que
existem proteínas análogas
Modificações nas Histonas
(Sumner, 2003)
• Essas proteínas (Swi6p, HP1) quando ligada a H3K9 me2, servecomo uma plataforma de montagem de fatores modificadores dacromatina que são envolvidos na estabilização (manutenção) edisseminação de heterocromatina
Modificações nas Histonas
(Grewal e Jia, 2007)
Modificações nas Histonas
(Grewal e Jia, 2007; Jasencakova et. al, 2003)
• Esta estratégia geral da metilação da histona, funcionandocomo uma âncora para recrutar efetores, não se restringe aheterocromatina, sendo utilizados em loci eucromático, ondeH3K4me e H3K36me recrutam HDAC para a remodelação dacromatina
Bandeiras vermelhas indicam H3 metilada na lisina 9 HMT - Histona metiltransferaseHDAC – Histona deacetilase
“Código de Histonas”
Modificações nas Histonas
(Jasencakova et. al, 2003)
A alta diversidade de modificações de histonas, bem comoo elevado número de resíduos que podem ser modificadosdentro de caudas das histonas, e a correlação dasalterações individuais com vários processos nucleares,levam à hipótese de que combinações específicas demodificações de histonas fornecem um código de histonas,que determina funções específicas
Comparar a distribuição das modificações de histonas aolongo dos cromossomos durante o ciclo celular em espéciesde plantas que diferem no tamanho do genoma e na filogenia
Padrões de distribuição das modificações nas histonas não são conservados entre as plantas
Chromosomal histone modification patterns – from conservation to diversity
• Arabidopsis - 160 Mbp/1C
Eucromatina: marca específica da eucromatina, enquanto que onucléolo e o cromocentros permanecem não marcados
Heterocromatina: anticorpos contra as marcas de metilaçãomostra sinais específicos preferencialmente no cromocentros
Chromosomal histone modification patterns – from conservation to diversity
• H. vulgare – 5100 Mbp/1C (Orientação de Rabl):
Eucromatina: marcas de metilação específicas mostram umaredução gradual da marcação dos telômeros em direção aopólo centromérico
Heterocromatina: marcas de metilação mostram uma reduçãode intensidades de sinal detectável nas regiões eucromáticas
(Fuchs et al., 2006)
FISH com sondas para centrômeros (BAC7 -cyan) e os telômeros(HvT01 - verde)
Chromosomal histone modification patterns – from conservation to diversity
• Vicia faba - 740 Mb/1C
Eucromatina: marcas específicas de eucromatina são ausentesnos conjuntos de heterocromatina
Heterocromatina: marcas específicas apresentam umadistribuição dispersa
(Fuchs et al., 2006)
Chromosomal histone modification patterns – from conservation to diversity
• Dinâmica do ciclo celular e a intensidade de acetilação em váriosresíduos de lisina da H3 e H4 em domínios distintos dacromatina:
A intensidade de acetilação em eucromatina e heterocromatinaaumenta durante a replicação
Chromosomal histone modification patterns – from conservation to diversity
• A distribuição cromossômica das modificações (acetilação emetilação) podem variar ao longo do ciclo celular, bem comodentro e entre grupos de eucariontes
possibilidade de divergência evolutiva na leitura do "código das histonas”
• Conclusões:
a metilação da H3K4 me2 são restritas a eucromatina
H3K9me1, 2, e H3K27me1 H4K20me1 são marcas conservadas daheterocromatina e exibem padrões de distribuição diferentesdependendo do tamanho do genoma
Chromosomal histone modification patterns – from conservation to diversity
Silenciamento de RNA
RNA de interferência
• Conceito:
(Lippman e Martienssen, 2004)
É um mecanismo encontrado em uma grande variedade de eucariontes, e sua principal
característica é a utilização de pequenas moléculas de RNA (21-28 nucleotídeos) que conferem alta
especificidade a seqüência homóloga
• Histórico:
Plantas: descrito em Petunia
Animais: Fire e colaboradores (1998) descreveram omecanismo em Caenorhabditis elegans como "interferênciapor RNA ” (RNAi)
RNAi foi originalmente definido como um mecanismo desilenciamento pós-transcricional
• A maquinaria de RNAi é composta por: RNA-dependente deRNA polimerase (RdRP), Dicer (Dcr) e Argonauta (Ago)
Silenciamento de RNA
(Almeida e Allshire, 2005; Novina e Sharp, 2004)
(Grewal e Jia, 2007)
RNA de interferência
• Atuação do RNAi está envolvida na manutenção daheterocromatina em sítios de:
o elementos transponíveis (‘jumping genes’)
o DNAs repetitivos (incluindo transgenes)
(Lippman e Martienssen, 2004; Novina e Sharp, 2004)
Garantem a estabilidade do genoma
RNA de interferência
altera a estrutura da cromatina
Recrutamento de: •Histona Metiltransferase•De novo DNA metiltransferase•Proteínas que modificam cromatina
Mecanismo
(Vaucheret, 2006)
Heterochromatin siRNA: hc-siRNA
RNA de interferência
Heterocromatina em Plantas
• A heterocromatina em plantas envolve RNAi, mas a metilaçãono DNA e modificações são fatores importante na sua formação;
• 90%-95% dos siRNAs (pequenos RNAi) em Arabidopsiscorrespondem a transposons e sequências repetitivas, nasquais as histonas e o DNA são facilmente metilados;
DNA metiltransferases e histonas deacetilases
RNAi e metiltransferasesdas histonas
participam da formação e manutenção da heterocromatina
(Lippman e Martienssen, 2004)
Conclusão
• As modificações nas histonas e a metilação do DNA sãomecanismos interdependentes na formação e manutenção daheterocromatina
• O papel da metilação do DNA na formação daheterocromatina foi reconhecido antes das modificações dashistonas
• Diferenças na indexação heterocromatina correspondem adiferenças na composição de seqüência ao longo doscromossomos e, conseqüentemente, diferenças naorganização do cromossomo
(Fuchs et al., 2008)
(Fuchs et al., 2008)
(Lippman & Martienssen, 2004)
• Nas plantas, transposons são inativos e altamente metilados,
enquanto genes raramente têm qualquer metilação do DNA
• A heterocromatização dos elementos móveis serve como ummecanismo de defesa, silenciando sua atividadepotencialmente deletéria
• Tem papel na regulação da expressão gênica durante odesenvolvimento e diferenciação celular
Conclusão
(Rabinowicz et al., 2005)
Conclusão
• Estes 3 mecanismos grande importância no processo evolutivo das plantas
http://www.nature.com/scitable/nated/content/19804/10.1038_nature02625-f1_mid_1.jpg
Referencial Bibliográfico
• ALMEIDA, R. E ALLSHIRE, R.C. 2005 RNA silencing and genome regulation.TRENDS in Cell Biology 15: 251- 258.
• FUCHS, J et al. 2006 Chromosomal histone modification patterns – fromconservation to diversity. TRENDS in Plants Science 11:199-208.
• GREWAL, S. I. S. e JIA, S. 2007 Heterochromatin revisited. Nature Reviews8: 35-46.
• GRAFI G, ZEMACH, A e PITTO, L 2007 Methyl-CpG-binding domain (MBD)proteins in plants. Biochimica and Biophysica Acta 1769:287-294.
• JASENCAKOVA, Z. et al. 2000 Histone H4 Acetylation of Euchromatin andHeterochromatin Is Cell Cycle Dependent and Correlated with ReplicationRather Than with Transcription. The Plant Cell 12: 2087-2100.
• JASENCAKOVA, Z.; MEISTER, A. E SCHUBERT, I. 2001 Chromatinorganization and its relation to replication and histone acetylation duringthe cell cycle in barley. Chromosoma 110: 83-92.
• LIPPMAN, Z. and MARTIENSSEN, R. 2004 The role of RNA interference inheterochromatic silencing. Nature 431: 364-370.
• NOVINA,C.D. e SHARP, P.A. 2004 The RNAi revolution. Nature 430: 161-164.
• RABINOWICZ, P.D. et al. 2005 Differential methylation of genes andrepeats in land plants. Genome Research 15:1431–1440.
• RICHARDS, E.J. 2006. Inherited epigenetic variation -revisiting softinheritance Nature Reviews 7: 395-401.
• SUMNER, A. 2003 Chromosomes Organization and Functions. BlackwellScience Ltd. Cap 7- pag.:84-96.
• VAUCHERET, H. 2006 Post-transcriptional small RNA pathways in plants:mechanisms and regulations. Genes Dev. 20: 759-771.
Referencial Bibliográfico
OBRIGADA!!!
lariandrade@usp.br