O empacotamento do DNA no núcleo
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O DNA e a cromatina
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
O dogma central
• Mas como o DNAestá compactado nonúcleo?
• Como acontecem osprocessos de transcriçãoe tradução?
• Como a estrutura física dosprocessos funciona, minuciosamente?
Descoberta do DNA• Surdo, não conseguia clinicar bem,
passou a estudar química fisiológica
• Interessado em estudar a química do núcleo, conseguiu isolar núcleo do citoplasma
• Encontrou compostos ricos em fósforo e nitrogênio, mas sem enxofre– Chamou-o de nucleína (DNA)
Johannes Miescher1844-1895 (Sec. XIX)
Médico e biólogo Suiço
Descoberta da CROMATINA
• Descobriu uma estrutura celular que era altamente afim a corantes básicos– Chamou-a de cromatina
• Essas estruturas poderiam ser vistas no núcleo em pedaços– Cromossomos (corpos corados)
• Estudou a divisão celular em salamandras (mitose)
Walther Flemming1843–1905
Médico e Biólogo alemão, fundador da citogenética
Descoberta e publicação da mitose (1888)
Teoria cromossômica Sutton (1902-3) mostrou, através de estudos em
células germinativas de gafanhotos, que os cromossomos eram responsáveis pela base física da herança mendeliana
Boveri descobri que os ouriços do mar precisavam ter todos os cromossomos em ordem para que seu desenvolvimento embrionário ocorresse de forma perfeita Descobriu também que no câncer havia
alteração cromossômica e que isso leva à reprodução descontrolada
1915 – O mecanismo da herança mendeliana (Teoria cromossômica da herança), Morgan et al. Ligou os cromossomos diretamente a Mendel
Walter Sutton1877 - 1916
Thomas Morgan 1866 –1945
Eucromatina e Heterocromatina• Emil Heitz, 1928
– A heterocromatina do musgo
• Eucromatina: menos corada, cromossomos menos condensados, representa os genes ativos
• Heterocromatina: mais corada, cromossomos mais condensados, representa os genes inativos
• Fez estudos citológicos em 115 espécies de plantas, além de drosófilas e outros dípteros
Emil Heitz1892 - 1965
Cromossomos
• Anatomia cromossomal
Centrômero
Telômeros
Braço longo
Braço curto
Cromátides
Cromatina
Linfócito humano Linfócito de rato
CromatinaRegiões mais coradas – heterocromatina
Regiões menos coradas - eucromatina
• Cooper, 1959– Heterocromatina e
cromatina são diferentes biofisicamente, mas teem um mesmo arranjo básico estrutural como DNA
Inativação do cromossomo X
• ~1960: Uma das duas cópias do cromossomo X de fêmeas de mamíferos é inativada
• O cromossomo X extra fica em estado de heterocromatina– Compensação de dose– Escolha aleatória mas continua por toda a vida
(em marsupiais é sempre o X paterno inativado)• Alguns genes podem fugir à inativação
Empacotamento do DNA
HU proteins
eucariotos
Histonas
Mecanismo molecular para formar a eucromatina X
heterocromatina• Histonas
– Descobertas por Kossel ainda no século XIX (1884)
• Proteínas mais conservadas entre os organismos• Carregadas positivamente (Lys + Arg)• DNA dá 1,7 voltas no
octâmero
Descoberta do Nucleossomo• Kornberg, R.D. (1974) Chromatin
structure: a repeating unit of histones and DNA. Science 184, 868-871.– Descoberta dos nucleossomos
• Produziu estruturas cristalográficas relacionadas ao mecanismos de transcrição (produção do RNA)
• Prêmio Nobel em 2006
Roger David Kornberg Bioquímico americano
(1947-)
Octâmero de Histonas, o nucleossomo
• Formado por 146 bp• Ligado a outro nucleossomo por uma região
ligadora (linker), contendo entre 10 e 80 bp
Estrutura da cromatina eucarióticaEmpacotamento de nucleossomos como umoctâmero de histonas:
2X H2A H3H2B H4
H1
Modificações pós-traducionais• Uma vez que as proteínas são
traduzidas nos ribossomos, muitas delas podem ser modificadas para ajustar suas funções “em tempo real”
• Fosforilação de proteínas– Proteínas quinases e fosfatases
• Diversas outras modificações podem acontecer em proteínas... As histonas são alvos de várias delas
Estrutura e função da cromatina• Papel estrutural: empacotamento do DNA• Papel regulatório: controle do acesso da maquinaria de
transcriçãoExemplo:histonas acetilaseshistonas desacetilases
• Ligação de fatoresde transcrição e acetilação de histonas– desempacotamento
da cromatina– ativação da
expressão gênica
Histonas desacetiladas cromatina fechada expressão gênica inativa
Modificações que diminuem a carga positiva das proteínas abrem a cromatina
Menor interação DNA-histona
Ativação do gene
Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica
Compactação do DNA
• É compreendida hoje a relação das histonas com o DNA
• Entretanto há uma série de proteínas que formam as fibras da cromatina cuja ação não é bem compreendida
Remodelamento da cromatina• Vários estudos modernos são feitos
com relação ao remodelamento dinâmico da cromatina em células interfásicas
• Estudos recentes (2007) parecem mostrar não haver estrutura de nucleossomos em regiões de promotores e origens de replicação
• Nucleossomos são removidos em condições de estresse, permitindo transcrição
O código das histonas
• Estudos que almejam identificar a relação entre – Código de modificações
pós-traducionais em histonas
– Expressão gênica (Transcrição)
Conclusões• O DNA das células está
empacotado no núcleo
• Este empacotamento se dá através da associação do DNA (-) com proteínas chamadas histonas (+)
• As histonas permitem a regulação da expressão gênica ao abrirem ou fecharem a cromatina, permitindo o acesso ao DNA por outras proteínas (fatores de transcrição)
Adendo: Epigenômica
Prof. Francisco Prosdocimi
Epigenética• Mudanças no fenótipo ou na
expressão gênica causadas por mudanças não-mutacionais
• Holliday, 1990– The study of the mechanisms of
temporal and spatial control of gene activity during the development of complex organisms
• O epigenoma...– Metilação do DNA– Remodelamento de cromatina
• O código das histonas
Modificações epigenéticas• Permitem uma regulação fina da
transcrição em determinados locos
• Determina quais regiões da cromatina estão mais ou menos abertas para o acesso da maquinaria de transcrição
• Acredita-se hoje que os mecanismos epigenéticos sejam responsáveis pela diferença de expressão gênica entre tecidos– 1 genoma X 250 epigenomas
Metilação do DNA• Ilhas CpG
– C’s antes de G no genoma são muitas vezes mutados para T
– A quantidade de CpG no genoma é menor do que seria de se esperar pelo acaso
• Código selecionado evolutivamente
– Presentes em regiões promotoras de organismos eucarióticos!
– Mecanismo herdável
Tratamento com bissulfito• Permite a identificação em larga-
escala das citosinas metiladas
• É importante que o DNA esteja em fita simples para que não haja modificação parcial das citosinas
• Tratamento bioinformático posterior para identificação das regiões metiladas
• Acesso diferenciado pela maquinaria de transcrição
A cromatina
• Estrutura de empacotamentodo DNA nuclear
• Nucleossomos• Histonas
– Carga positiva
Acetilação de histonas
Histonas desacetiladas cromatina fechada expressão gênica inativa
Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica
Imunoprecipitação da cromatina• ChIP
– Chromatin Immunoprecipitation
• Liga-se o nucleossomo a anticorpos específicos para histonas modificadas
• Libera-se o DNA e sequencia-se
• Permite reconhecer as regiões do DNA ligadas em histonas com determinadas modificações pós-traducionais
O código das histonas
• Estudos que almejam identificar a relação entre – Código de modificações
pós-traducionais em histonas
– Expressão gênica
Conclusão: epigenômica• Os mecanismos de modificações
pós-traducionais em histonas e de metilação do DNA interferem na expressão gênica e podem ser quantificados
• Existe uma ordem neste processo?
• Existirão realmente epigenomas específicos para cada tipo celular?