Epigenética: Mecanismos e Herança

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Flávia Licia Mendes de Assis 
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Epigenética 
 
1- Caracterizar a epigenética e seus 
mecanismos. 
A epigenética estuda as mudanças nas funções dos genes, 
sem alterar as sequências de bases (adenina, guanina, citosina 
e timina) da molécula de DNA. 
 
A epigenética constitui uma camada “extra” de regulação da 
expressão gênica a nível transicional, que são herdáveis pela 
mitose e ao longo das gerações” 
 
Os padrões epigenéticos são sensíveis a modificações 
ambientais que podem causar mudanças fenotípicas que 
serão transmitidas aos descendentes. 
 
Epigenética X Epigenoma 
Refere-se ao estudo dos fatores herdados que modificam a 
expressão dos genes sem alterar a sequência de DNA. 
 
É o conjunto de modificações bioquímicas da cromatina que 
determina uma informação genética, refletindo o status 
epigenético da cromatina de uma célula. 
 
Epigenética X Mutação 
A diferença entre a epigenética e uma mutação está no fato 
de que essa última altera a sequência dos nucleotídeos, dos 
genes geralmente por ação de fatores externos, como agentes 
químicos ou físicos, durante o processo de reduplicação do 
genoma, ou por um mero acidente bioquímico. 
 
Mecanismos principais de alterações epigenéticas: 
1) Metilação do DNA 
A metilação do DNA está relacionada normalmente ao 
silenciamento de genes. A conformação da cromatina relaciona-se 
com a metilação, ou seja, regiões altamente metiladas estão 
associadas à heterocromatização; 
 
2) Modificações de histonas 
As modificações de histonas mais estudadas são: Acetilações, 
fosforilações e ubiquitinações formando o código de histonas 
determinando a conformação da cromatina; 
 
3) Ação de RNAs não codificadores 
A ação de RNAs não codificadores está relacionada ao 
silenciamento pós- transcricional de genes através do mecanismo 
de RNA de interferência onde ocorre o bloqueio da tradução ou 
degradação do RNAm alvo; 
 
Esses mecanismos estão interligados para organizar a 
estrutura da cromatina tornando-a mais acessível ou não aos 
fatores de transcrição. 
 
EPIGENÉTICA HEREDITÁRIA 
O advento da epigenética é uma mudança profunda em nossa 
compreensão da herança - No centro desse novo campo está 
uma ideia simples, que os genes têm uma 'memória'; 
Que a vida de seus avós - o ar que respiraram, a comida que 
comiam, até as coisas que viram - pode afetá-lo diretamente, 
décadas depois, apesar de você nunca ter experimentado essas 
coisas por si mesmo. 
 
O epigenoma, pode mudar rapidamente em resposta aos 
diversos sinais que a célula pode receber. 
- Com isso, através da herança epigenética um organismo 
pode ajustar a expressão gênica de acordo com o ambiente 
onde vive, sem mudanças no seu genoma. 
 
Exemplo de herança epigenética: Gêmeos idênticos- 
estudos mostram que durante a transição da infância para a 
vida adulta, os gêmeos passam a divergir significativamente 
em seus níveis de sintomas relacionados à ansiedade e à 
depressão. Como compartilham da mesma sequência de 
bases em ambos os genomas) essa divergência só pode ser 
fruto das experiências individuais durante a vida (mudanças 
epigenéticas). 
Nesse sentido, foi relatado que gêmeos jovens têm 
quantidades semelhantes de metilação do DNA, enquanto 
gêmeos mais velhos diferem consideravelmente nas 
quantidades e padrões dessa modificação. 
 
BASE CELULAR PARA ENTENDER O MECANISMO 
EPIGENETICO 
Sabemos que a formação do embrião depende da captação 
de sinais intrínsecos, sinais paracrinos (incluindo as células da 
mãe) e extrínsecos (do ambiente). 
 
Os sinais recebidos pelas células irão determinar não somente 
a morfologia e fisiologia do futuro embrião e indivíduo, mas 
também o seu comportamento. 
 
Para que todos esses sinais tenham reflexos na molécula de 
DNA sob a forma de modificações epigenéticas, eles precisam 
alcançar o núcleo, onde o DNA está empacotado pela ação de 
proteínas nucleares denominadas de histonas. 
 
Esse DNA é composto pelos genes, e que muitos dos genes 
precisam ser expressos, se o DNA permanecesse totalmente 
enrolado, os genes não seriam capazes de serem expressos 
na forma de proteínas. 
 
É justamente nesse momento que entra a epigenética... 
Para que os genes possam ser expressos, mediante a chegada 
dos sinais, a molécula de DNA precisa ser parcialmente 
desempacotada, para que os genes fiquem acessíveis à ação 
de proteínas (os fatores de transcrição, que efetivamente 
disparam a ativação dos genes). 
 
Ex: Ação dos hormônios sexuais- Na fase da puberdade, uma 
alta concentração de testosterona (nos meninos) ou 
 
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estrogênio (nas meninas) é lançada na corrente sanguínea e 
esse é o sinal para que genes relacionados ao 
desenvolvimento sexual, sejam ativados e expressos. 
 
No momento desta sinalização, regiões do DNA onde esses 
genes estão localizados, precisam ser abertas, 
desempacotadas, remodeladas. 
- Por outro lado, no momento em que a fase da puberdade 
passa e os níveis de hormônios caem drasticamente, muitos 
destes genes precisam ser desativados e, agora, as mesmas 
regiões do DNA precisam ser fechadas, reempacotadas, para 
que esses mesmos genes não mais sejam ativados. 
 
MECANISMOS DA EPIGENÉTICA 
Atualmente, conhecem-se três mecanismos epigenéticos que 
controlam a expressão dos genes a nível molecular para a 
estabilização do genoma, sendo os mesmos, metilação do 
DNA e na cromatina, modificação das histonas e RNAs não 
codificadores, ou também conhecidos como microRNAs 
 
Metilação do DNA 
É uma modificação química na qual ocorre a adição de um 
grupamento metil à posição C5 
do anel da citosina, catalizada 
por enzimas DNA 
metiltransferases, levando à 
formação de 5-metilcitidina. 
 
- Processo importannte para: o 
desenvolvimento embrionário 
normal, inativação do 
cromossomo X, regulação 
gênica, imprinting genômico e 
modificações da cromatina. 
 
A modificação de citosina para 5-metilcitidina, faz com que 
fatores de transcrição como AP-2, cMYC/ MYN, CREB, E2F 
e NFкB não reconheçam e não se liguem aos sítios de 
iniciação da transcrição. 
 
No entanto, esses sítios 
de ligação podem ser 
ocupados por outras 
proteínas como MeCP-2, 
MBD1, MBD2, MBD3 e 
MBD4, que se ligam às 
citosinas metiladas e 
estimulam a 
condensação da cromatina, inativando o gene. 
 
Hipermetilação e hipometilação normal 
A hipermetilação de regiões promotoras ricas em 
dinucleotídeos CpG exerce importante função sobre a 
expressão gênica levando à perda da expressão do gene. 
 
 
 
Alterações no padrão de metilação e a carcinogênese 
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: Nas 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. 
 
Processo de metilação e memória celular 
1) Os padrões de metilação são estabelecidos e 
mantidos nos dinucleotídeos CpG (pares de Citosina-
fosfato-Guanina) por uma família de enzimas, as DNA 
metiltransferases (DNMTs) que reconhecem os 
dinucleotídeos CpG hemimetilados, depois da 
replicação do DNA. 
 
2) O processo de metilação é mediado, por três enzimas 
(DNMT1, DNMT3a, DNMT3b). 
 
3) Essas catalizam e transferem o grupamento metil da 
S-adenosyl-L-metionina (doador de metil) para as 
bases de citosina ou adenina na molécula de DNA. 
 
4) Acredita-se que os padrões de metilação do DNA são 
relativamente baixos durante o desenvolvimento da 
célula e são realizados pelas DNMT3a e DNMT3b, 
que catalizam a metilação de novo, principalmente 
nas ilhas CpG. 
 
5) Esses padrões são mantidos nas células somáticas aoserem copiados para as células-filhas pela DNMT1, 
que replica os padrões de metilação de gerações 
parentais metiladas para as gerações seguintes ainda 
não metiladas. 
 
Mecanismo direto e indireto da metilação 
A metilação do DNA interfere na expressão dos genes por 
meio de mecanismos diretos e indiretos. 
 
❖ Diretos: A metilação de ilhotas CpG impedem 
diretamente, por barreira física, o seu 
reconhecimento pelos fatores de transcrição, e 
resulta na inativação do gene. 
 
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❖ Indireto: A metilação ocorre em uma região que 
apresenta domínios de ligação para a metilação 
(MBD), localizados ao redor do sítio de regulação da 
transcrição e atrai de forma indireta as proteínas 
MBD como as MeCp2 que recrutam repressores e 
desacetilases de histonas, e deste modo inativa a 
configuração da cromatina ao redor do gene, 
desligando-o. 
 
Relação da cromatina e a metilação 
A cromatina e enzimas específicas controlam este mecanismo 
de metilação. 
A cromatina controla a metilação do DNA por modificar sua 
acessibilidade para a regulação da transcrição local ou global. 
➢ O DNA hipometilado está associado com a cromatina 
ativa e hiperacetilada. 
 
➢ O DNA hipermetilado é associado com a cromatina 
inativa, isto é, hipoacetilada. 
 
Ilhas CpG 
As ilhas CpG são regiões do DNA são ricas em sequências 
dinucleotídicas CpG. Essas regiões da cromatina são 
fortemente acetiladas e, frequentemente, a acetilação ocorre 
deixando a cromatina em sua configuração ativa. 
 
Modificação da histona 
O nucleossomo, a unidade básica da cromatina, é constituído 
por DNA e dois complexos idêntico de histonas. 
 
- Cada um contém 
quatro proteínas, a 
saber, H2A, H2B, H3 e 
H4, contribuindo para 
sua 
 
Modificações pós-traducionais: 
Relação com acessibilidade à cromatina; 
A acetilação e a adição de agrupamentos fosfato levam a 
formação de regiões de eucromatina 
 
A metilação, a fosforilação e a ubiquitinação estão 
relacionadas a regiões inativas, devido a formação de 
heterocromatina. 
 
As modificações das histonas regulam as funções da 
cromatina alterando a acessibilidade do DNA aos diferentes 
fatores de transcrição, ou pelo recrutamento de proteínas 
específicas que reconhecem as modificações ocorridas nas 
histonas. 
 
ACETILAÇÃO 
As enzimas histona acetiltransferase (HAT) adicionam grupos 
acetila aos resíduos de lisina das histonas, diminuindo a 
afinidade das mesmas pelo DNA e entre si. 
 
As desacetilases de histonas (HDAC), promovem a remoção 
de grupos acetila e a cromatina torna-se mais condensada e 
impede assim a expressão gênica. 
➢ Hiperacetilação de H3 e H4: regiões ativas 
transcricionalmente. 
 
➢ Hipoacetilação de H3 e H4: regiões de baixa 
atividade trascricional. 
 
Deste modo, essa modificação química altera a estrutura da 
cromatina e regula a expressão gênica. 
 
METILAÇÃO 
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 
 
➢ H3K4me sugere DNA transcricionalmente ativo 
(promotores ativos). 
 
FOSFORILAÇÃO 
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 
 
Ex 1: Em uma H3, a trí-metilação do nono resíduo de lisina 
(H3K9), acompanhada da fosforilação da decimo resíduo de 
serina (H3S10), pode favorecer a formação de 
heterocromatina e o silenciamento gênico. 
 
Ex 2: A fosforilação de H3S10, juntamente com a acetilação 
de H3K14, pode levar a dissociação de HP1 repressora e 
culminar na ativação genica. 
 
Ex 3: A fosforilação e a desfosforilação de certas serinas e 
treoninas localizadas na “cauda” da histona H1 também 
produzem efeitos opostos aos da acetilação e desacetilação, 
respectivamente. 
 
Condensação da cromatina: Fosforilação de T3, S10, T11 
e S28 na H3 
 
Descondensação da cromatina: Fosforilação da H1 
 
UBIQUITINAÇÃO 
O processo de ubiquitinação de histonas, ocorre nos resíduos 
de lisina, e é catalisado pela ação sucessiva da enzima 
 
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ativadora de ubiquitina, enzima conjuradora e ubiquitina 
ligase; 
 
Desubiquitinação é realizada pela desubiquitinase. 
 
Obs: A ubiquitinação devido ao recrutamento de complexos 
de repressão e correpressão, está relacionado a repressão 
gênica, já a desubiquitinação relaciona-se com a ativação 
genica. 
 
RNAS não codificados (MicroRNAs) 
Introns 
Pequenas moléculas de RNA não codificante (small nuclear 
RNA ‒ snRNA) podem ser direcionadas às regiões de sítios 
promotores de genes-alvos promovendo a modulação do 
estado de silenciamento gênico e indução de modificação da 
cromatina. 
➢ Estão envolvidos na regulação transcricional: Podem 
ativar determinados genes quando ligadas aos sítios 
promotores com baixo conteúdo GC; 
 
MicroRNAs 
Controle de expressão gênica pós- transcricional são os 
microRNAs. Atuam influenciando a estabilidade, 
compartimentalização e tradução dos RNAs mensageiros 
(mRNAs). 
➢ Silenciamento gênico mediante pequenos RNAs ou 
microRNAs: são caracterizados por um grupo de 
ribonucleotídeos que atuam interferindo na 
transcrição dos genes. 
 
MicroRNAs: São componentes de reconhecimento para o 
complexo enzimático de silenciamento RISC, que quando 
ligado a um RNAm o identifica como alvo. 
 
RISC: Qualquer complexo de silenciamento (transcricional, 
pós-transcricional ou traducional) que inclua a proteína 
Argonauta (AGO) e uma pequena molécula de RNA guia 
(microRNA ou siRNA). 
 
Mecanismo 
Quando os microRNAs se ligam ao complexo enzimático 
chamado Complexo de indução do Silenciamento do RNA 
(RISC) que se liga ao RNA mensageiro (RNAm) 
impossibilitando o ribossomo de acessar a informação genica 
contida no RNAm causando a diminuição da síntese proteica 
de um gene alvo. 
 
Obs: Um único microRNA pode regular centenas de genes e 
cooperam no controle de um único gene alvo. Acreditam-se 
que cerca de 30% a 60% dos genes que codificam a proteína 
pode ser regulado por microRNA. 
 
2- Caracterizar os fatores externos que 
influenciam a expressão gênica. 
A exposição a fatores ambientais como radiação e outros 
agentes químicos e físicos, durante os períodos pré e pós- 
natal podem resultar numa programação epigenética alterada 
e, por consequência, em um elevado risco de 
desenvolvimento de doenças. 
 
Algumas drogas têm a capacidade de reverter os padrões de 
metilação e acetilação do DNA e histonas, respectivamente. 
 
Estudos demonstraram que drogas que inibem a metilação do 
DNA poderiam restabelecer o controle do ciclo celular com 
reativação dos genes silenciados em células cancerosas. 
- Ao inibir a atividade das histonas desacetilases, ocorre 
bloqueio do ciclo celular e apoptose das células. 
 
ALIMENTAÇÃO 
Uma dieta rica em ácidos graxos poli-insaturados poderia 
gerar radicais livres mutagênicos e estresse oxidativo, o que 
tem sido diretamente ligado a alterações epigenéticas. 
 
Dietas ricas em frutas e vegetais 
Ex: Um estudo em seres humanos saudáveis alimentados 
com uma única porção de brotos de brócolis mostrou inibição 
da atividade da histona desacetilase em células 
mononucleares do sangue periférico em circulação 3-6 horas 
após o consumo, com indução concorrente de acetilação das 
histonas H3 e H4. 
 
Um estudo in vitro em linhagens celulares de cólon de tumor 
humano revelou que altas doses de dialil- dissulfeto de 
alho aumentaram a acetilação de histonas H3 e H4. 
 
EGCG (polifenol - chá verde): pode diminuir a metilação 
global do DNA, em linhagens celulares de câncer, pela 
inibição competitivade 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. 
- Uma dieta deficiente em selênio induz o DNA a uma 
hipometilação. 
 
OBESIDADE 
Como o peso corpóreo é regulado por genes que controlam a 
homeostase energética, supõe-se que os macronutrientes 
alimentares que afetam a metilação do DNA poderiam 
contribuir para o desenvolvimento da obesidade por meio de 
mecanismos epigenéticos. 
 
Biomarcadores epigenéticos da obesidade, incluindo genes 
envolvidos na: 
➢ Adipogênese (SOCS1 / SOCS3) 
➢ Padrão de metilação de genes relacionados à 
obesidade (FGF2, PTEN, CDKN1A e ESR1) 
➢ Genes de inflamação 
 
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➢ Metabolismo intermediário 
➢ Genes da via de sinalização da insulina podem ajudar 
prever a susceptibilidade e prevenir a obesidade. 
 
TABAGISMO 
O tabaco contém uma mistura complexa de produtos 
químicos orgânicos e inorgânicos, muitos dos quais têm 
propriedades carcinogênicas, pró-inflamatórias e 
proaterogênicas. 
 
Ex: Um estudo in vitro de toxicidade crônica de fibroblastos 
humanos normais em Benzopireno (um hidrocarboneto 
carcinogênico) encontrado na fumaça do cigarro; 
 
Resultados: 
Não foi encontrado padrões aberrantes de metilação do DNA 
em regiões genômicas relevantes para o câncer de pulmão. 
 
Porém, foi demonstrado que o condensado da fumaça nas 
células respiratórias diminui a acetilação de H4K16 e a 
trimetilação de H4K20. 
 - Essas alterações foram semelhantes às alterações de 
histonas que podem ser encontradas em tecidos de câncer de 
pulmão que precedem a metilação aberrante do DNA. 
 
ETILISMO 
Células-tronco neurais de camundongo agudamente 
expostos ao etanol in vitro, induziu a hipermetilação de genes 
específicos do ciclo celular inibindo a progressão do ciclo 
celular regulado pelo fator de crescimento. 
 
SHIFTWORK (TURNO) 
Recentes avanços no campo epigenético revelaram que os 
reguladores cronobiológicos podem induzir o 
remodelamento da cromatina. 
 
O gene CLOCK regula o ritmo circadiano através de uma 
atividade histona- acetiltransferase que promove eventos de 
remodelação da cromatina implicados no controle circadiano 
da expressão gênica. 
 
O ajuste circadiano pode ser afetado por diferentes 
fatores, como o trabalho por turnos: 
O trabalho em turnos que requer trabalho noturno pode ter 
um impacto negativo na saúde e bem-estar dos trabalhadores 
devido a um descompasso entre o sistema de temporização 
circadiana endógena e os sincronizadores ambientais (por 
exemplo, ciclo claro / escuro). 
 
Uma reprogramação epigenética de genes circadianos foi 
proposta como uma resposta potencial aos ritmos 
circadianos alterados: 
Um estudo recente em uma população de trabalhadores 
noturnos mostrou alterações na metilação do DNA 
sanguíneo, incluindo mudanças na metilação de elementos 
repetitivos de Alu (são responsáveis pela regulação de genes 
específicos do tecido. Eles também estão envolvidos na 
transcrição de genes próximos e podem às vezes mudar a 
forma como um gene é expresso) e metilação específica de 
gene inflamatório, como IFN-γ e TNF-α. 
 
RELACIONANDO COM CICLO CELULAR 
Mecanismos epigenéticos como metilação do DNA e 
acetilação e desacetilação de histonas mostraram afetar a 
transcrição de genes-chave envolvidos na regulação do 
crescimento celular, diferenciação, apoptose, transformação 
e progressão tumoral. 
 
Epigenética e câncer 
Eventos epigenéticos são cruciais para estabelecer a 
programação correta da expressão dos genes e erros nestes 
processos podem levar a uma expressão aberrante de genes 
e a uma perda de check -points anticâncer. 
 
A hipermetilação das ilhas CpG, localizadas nos promotores 
de genes de supressão tumoral, e a hipometilação global 
aparentam apresentar um importante papel no 
desenvolvimento de câncer. 
 
➢ Os genes supressores tumorais atuam normalmente 
reprimindo o crescimento celular e metilações nestes 
genes levam ao seu silenciamento e perda de função. 
 
➢ Os protooncogenes favorecem o crescimento celular 
de forma ordenada → hipometilação nestes genes 
favorece o crescimento desordenado da célula e 
formação de tumores. 
 
➢ Aumento anormal da atividade da HDAC → 
inativação de transcrição de genes supressores 
tumorais, provocando a inibição de sua transcrição 
devido a desacetilação das histonas seguida da 
metilação do DNA, inativando o gene. 
 
Transformação maligna da célula: 
➢ Perda da metilação em oncogenes e em genes 
prometastáticos 
➢ Hipometilação global dos elementos repetitivos e 
hipermetilação em um conjunto de genes: genes 
supressores tumorais, genes de moléculas de adesão, 
genes do reparo do DNA e em genes inibidores de 
metástases. 
 
Pesquisas mostraram que a hipo e a hipermetilação do DNA 
estão diretamente relacionadas com o câncer por meio de 
quatro mecanismos: 
1) Demetilação global do DNA; 
2) Hipermetilação de genes supressores tumorais; 
3) Transição de 5-metilcitidina para timina em células 
tumorais; 
4) Indução da instabilidade cromossômica.