O DNA e a cromatina

1. O DNA e a cromatina Prof. Dr. Francisco Prosdocimi

2. O dogma central • Mas como o DNAestá compactado nonúcleo? • Como acontecem osprocessos de transcriçãoe tradução? • Como a estrutura física dosprocessos funciona, minuciosamente?

3. 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

4. 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)

5. 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

6. 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

7. Cromossomos • Anatomia cromossomal Telômeros Braço curto Centrômero Braço longo Cromátides

8. 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

9. 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

10. eucariotos HU proteins Histonas Empacotamento do DNA

11. 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

12. 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-)

13. Octâmero de Histonas, o nucleossomo • Formado por 146 bp • Ligado a outro nucleossomo por uma região ligadora (linker), contendo entre 10 e 80 bp

14. Estrutura da cromatina eucariótica Empacotamento de nucleossomos como um octâmero de histonas: 2X H2A H3 H2B H4 H1

15. 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

16. Estrutura e função da cromatina • Papel estrutural: empacotamento do DNA • Papel regulatório: controle do acesso da maquinaria de transcrição Exemplo: histonas acetilases histonas desacetilases • Ligação de fatoresde transcrição e acetilação de histonas • desempacotamento da cromatina • ativação da expressão gênica Histonas desacetiladas  cromatina fechada  expressão gênica inativa

17. Menor interação DNA-histona Ativação do gene Modificações que diminuem a carga positiva das proteínas abrem a cromatina

18. Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica

20. 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

21. 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

22. O código das histonas • Estudos que almejam identificar a relação entre • Código de modificações pós-traducionais em histonas • Expressão gênica (Transcrição)

23. 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)

24. Adendo: Epigenômica Prof. Francisco Prosdocimi

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. A cromatina • Estrutura de empacotamentodo DNA nuclear • Nucleossomos • Histonas • Carga positiva

30. Acetilação de histonas Histonas desacetiladas  cromatina fechada  expressão gênica inativa

31. Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica

32. 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

33. O código das histonas • Estudos que almejam identificar a relação entre • Código de modificações pós-traducionais em histonas • Expressão gênica

34. 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?