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?