O empacotamento do DNA no núcleo
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Transcript O empacotamento do DNA no núcleo
O DNA e a cromatina
Prof. Dr. Francisco
Prosdocimi
O dogma central
• Mas como o DNA
está compactado no
núcleo?
• Como acontecem os
processos de transcrição
e tradução?
• Como a estrutura física dos
processos 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 Miescher
1844-1895 (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 Flemming
1843–1905
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 Sutton
1877 - 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 Heitz
1892 - 1965
Cromossomos
• Anatomia cromossomal
Telômeros
Braço curto
Centrômero
Braço longo
Cromátides
Cromatina
• Cooper, 1959
– Heterocromatina e
cromatina são
diferentes
biofisicamente, mas
teem um mesmo
arranjo básico
estrutural como DNA
Linfócito humano
Linfócito de rato
Cromatina
Regiões mais coradas – heterocromatina
Regiões menos coradas - eucromatina
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
eucariotos
HU proteins
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 eucariótica
Empacotamento de nucleossomos como um
octâmero de histonas:
2X
H2A
H2B
H1
H3
H4
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
transcrição
Histonas desacetiladas
Exemplo:
histonas acetilases
histonas desacetilases
• Ligação de fatores
de transcrição
e acetilação de
histonas
– desempacotamento
da cromatina
– ativação da
expressão gênica
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 largaescala 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
empacotamento
do 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 póstraducionais
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?