epigenética

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...
A informação epigenética
 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
Mecanismos epigenéticos
Metilação de citosinas
Mecanismos
epigenéticos
Modificação de histonas
Remodelamento de cromatina
RNA de interferência
Metilação de citosinas no
DNA
 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.
Tipos:
- de manutenção
- de novo
 5-metilcitosina
Metilação de citosinas no
DNA
 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
CpG não metilada:
ocorre transcrição
CpG metilada: inibe
transcrição
Metilação no gene
facilita transcrição
Gene não metilado: início de
transcrição espúrios
ON
Sequências repetitivas metiladas:
previnem instabilidade cromossômica
OFF
Metilação de citosinas no
DNA
 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
CpG não
metilada
ON
Organização da cromatina e expressão gênica
(frequentemente silenciamento gênico)
OFF
CpG
metilada
Metilação de citosinas no
DNA
 Funções:
◦ Expressão gênica
◦ Estabilidade cromossômica
◦ Diferenciação celular
◦ Imprinting
◦ Inativação do X
ON
OFF
Alterações no padrão de metilação
e a carcinogênese
A função normal da célula depende do equilíbrio entre dois eventos:
HIPOMETILAÇÃO
Ilhas CpG
X
HIPERMETILAÇÃO
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
Alterações no padrão de metilação
e a carcinogênese
METILAÇÃO NORMAL DO DNA
HIPOMETILAÇÃO GLOBAL
INSTABILIDADE CROMOSSÔMICA
ATIVAÇÃO DE ONCOGENES
HIPERMETILAÇÃO DE ILHAS CpG
INATIVAÇÃO DE GENES
SUPRESSORES TUMORAIS
INATIVAÇÃO DE
GENES DE REPARO
A metilação de C atenua a
sequencia patogênica em
diferentes níveis,
resultando em um
espectro caracterizado
por: cor amarela, tumores
e obesidade.
Com suplementação
dietética na gestação
Sem suplementação
dietética na gestação
“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.
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
 A acetilação de histonas ocorre em resíduos de lisina
Histona acetiltransferase
(HAT)
HAT (acetilação de
histonas)
Cromatina inativa
Hipoacetilação de H3 e H4
–
regiões
de
baixa
atividade trascricional
Histonas desacetilases
(HDAC)
HDAC (desacetilação de
histonas)
Lisin
a
Cromatina ativa
Hiperacetilação de H3 e
H4 – regiões ativas
transcricionalmente
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”
transcricional
–
“aberta”
repressãoCromatina
transcricional
–
ativação
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
HP1 é repressor de
transcrição
“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 do DNA e das características da cromatina
Replicação de 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 póstranscricional.
Regulam a expressão de genes ao interagir com seus mRNAs
Há interferência na expressão gênica:
Regulação por RNA de interferência
Epigenética...
Replicação de cromatina
Conjunto das modificações nucleares herdadas e que modulam a
expressão gênica, mas não envolvem modificações na sequência de DNA.
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
Processo de inativação do
X
 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
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 13º16º 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
Espermatogênese - Padrão de metilação paterno
Oogênese - Padrão de metilação materno
Gene imprintado: expressão condicionada por sua origem parental.
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 desperdício 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:
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
 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
envelhecimento e proposta de intervenção farmacêutica e de dietas.
ao
Epigenética e doenças
Epigenética e doenças
Epigenética como fonte de
variabilidade
Epigenética como fonte de
variabilidade