Genetica resumo nucleossomos

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<p>Os nucleossomos são as unidades básicas da oestrutura dos</p><p>cromossomos eucarióticos</p><p>As proteínas que se ligam ao DNA para formar o cromossomo eucariótico são,</p><p>tradicional­mente, divididas em duas classes gerais: as histonas e as proteínas</p><p>cromossômicas não-his­-tonas. O complexo dessas duas classes de proteínas com o DNA</p><p>nuclear eucariótico é co­nhecido como cromatina. As histonas estão presentes em</p><p>enormes quantidades nas células.</p><p>As histonas são responsáveis pelo primeiro e mais básico nível de organização</p><p>cromos­sômica, o nucleossomo, um complexo de DNA-proteína. Quando o núcleo</p><p>interfásico é delicadamente rompido, e seu conteúdo examinado sob microscópio, a maior</p><p>parte da cromatina está na forma de uma fibra com 30 nm de diâmetro (Figura 4-22A). Se</p><p>essa cromatina for submetida a um tratamento que a desenrole parcial­ mente, observa-se,</p><p>ao microscópio eletrônico, uma série de "contas em um colar" (Figura 4-22B). O colar é</p><p>DNA e cada conta é uma "partícula do cerne do nucleossomo'; que consiste em DNA</p><p>enrolado em um núcleo de proteínas formado de histonas.</p><p>A organização estrutural dos nucleossomos foi determinada após seu isolamento da</p><p>cromatina compactada pela digestão com enzimas específicas (chamadas de nucleases)</p><p>que degrada o DNA clivando-o entre os cernes dos nucleossomos. Após digestão por um</p><p>curto período, o DNA exposto entre as partículas dos nucleossomos, chamado de DNA de</p><p>ligação, é degradado. Cada partícula do cerne nucleossômico individual consiste de um</p><p>complexo de oito proteínas histonas - duas moléculas de cada uma das histonas H2A, H2B,</p><p>H3 e H4 - e a fita dupla de DNA, com 147 nucleotídeos de comprimento. O octâmero de</p><p>histonas forma um cerne proteico ao redor do qual a fita dupla de DNA é enrolada (Fi­</p><p>gura4-23) .</p><p>Cada partícula do cerne do nucleossomo é separada da outra por um segmento de DNA</p><p>de ligação, o qual pode variar de alguns até cerca de 80 pares de nucleotídeos. (O termo</p><p>nucleossomo tecnicamente refere-se à partícula do cerne do nucleossomo junto com um de</p><p>seus DNAs de ligação adjacente, mas frequentemente é usado como sinônimo para a</p><p>par­tícula do cerne do nucleossomo.) Em média, portanto, os nucleossomos se repetem</p><p>apro­ximadamente a cada 200 pares de nucleotídeos.</p><p>A estrutura da partícula do cerne do nucleossomo revela como o</p><p>DNA é compactado</p><p>A estrutura em alta resolução da partícula do cerne do nucleossomo, apresenta um</p><p>cerne de histonas em forma de disco ao redor do qual o DNA se encontra fortemente</p><p>enrolado(Figura 4-24). As quatro histonas que formam o cerne são relativamente pequenas</p><p>e apre­sentam um motivo estrutural comum, conhecido como dobra de histonas, formado</p><p>por três hélices alfa ligadas por duas alças (Figura 4-25). Na formação do nucleossomo,</p><p>primeiro as histonas ligam-se umas às outras para formar os dímeros H3-H4 e H2A-H2B, e</p><p>os dímeros H3-H4 combinam-se para formar tetrâmeros. Um tetrâmero H3-H4 então se</p><p>combina a dois dímeros H2A-H2B para formar o octâmero compacto do cerne, ao redor do</p><p>qual o DNA é enrolado (Figura 4-26).</p><p>A interface entre o DNA e a histona é extensa. Em cada nucleossomo, 142 ligações de</p><p>hidrogênio são formadas entre o DNA e o cerne de histonas. Quase metade dessas</p><p>ligações forma-se entre os aminoácidos da estrutura das histonas e o esqueleto fosfodiéster</p><p>do DNA. Numerosas interações hidrofóbicas e pontes salinas também mantêm o DNA</p><p>ligado às pro­teínas no nucleossomo. Por exemplo, mais de um quinto dos aminoácidos em</p><p>cada cerne de histonas são lisina ou arginina (dois aminoácidos com cadeias laterais</p><p>básicas), e suas cargas positivas neutralizam a carga negativa do esqueleto fosfodiéster do</p><p>DNA. Essas múltiplas interações explicam, em parte, por que praticamente qualquer</p><p>sequência de DNA pode ser ligada a um octâmero de histonas. O caminho do DNA em</p><p>torno do cerne de histonas não é regular; na verdade, várias dobras são vistas no DNA,</p><p>como seria de esperar devido à su­perfície irregular do cerne. O dobramento requer uma</p><p>substancial compressão da cavidade menor da hélice de DNA. Alguns dinucleotídeos na</p><p>cavidade menor são mais fáceis de com­ primir, e algumas sequências de nucleotídeos</p><p>ligam-se aos nucleossomos mais fortemente que outras (Figura 4-27). Isso provavelmente</p><p>explica alguns casos notáveis, mas raros de um posicionamento muito preciso ao longo do</p><p>DNA. Na maioria das sequências de DNA encontradas nos cromossomos, porém, a</p><p>sequência preferida pelos nucleossomos deve ser pequena o suficiente para permitir que</p><p>outros fatores dominem, uma vez que os nucleosso­mos podem ocupar qualquer posição</p><p>relativa à sequência de DNA na maioria das regiões cromossômicas.</p><p>Além do dobramento das histonas, cada uma das histonas do cerne possui uma "cau­da"</p><p>N-terminal de aminoácidos que se projeta para fora do cerne histona-DNA (ver Figura 4-26).</p><p>Essas caudas de histonas estão sujeitas a diferentes tipos de modificações covalen­tes, que</p><p>por sua vez controlam aspectos críticos da estrutura e função da cromatina.</p><p>Devido ao seu papel fundamental na função do DNA pelo controle da estrutura da</p><p>cro­matina, as histonas estão entre as proteínas eucarióticas mais conservadas. Essa forte</p><p>conservação evolutiva sugere que a função das histonas envolve quase todos os seus</p><p>aminoácidos, de modo que uma alteração em qualquer posição seria prejudicial para a</p><p>célula. A maioria das mutações nas sequências das histonas é letal; as poucas que não são</p><p>letais causam alterações no padrão normal de expressão gênica, bem como outras</p><p>anormalidades.</p><p>Os nucleossomos possuem uma estrutura dinâmica e</p><p>frequentemente são sujeitos a alterações catalisadas pelos</p><p>complexos de remodelamento da cromatina dependentes de ATP</p><p>O DNA em um nucleossomo isolado é desenrolado a partir de cada extremidade,</p><p>permanecendo exposto por 1 0 a 50 milissegundos antes que a estrutura parcialmente</p><p>desenrolada se feche novamente. Portanto, a maioria do DNA em um nucleossomo isolado</p><p>está, em princípio, disponível para ligação com outras proteínas (Figura 4-28).</p><p>Um "afrouxamento" adicional dos contatos entre DNA e histonas na cromatina é</p><p>necessário, pois as células eucarióticas contêm uma grande variedade de complexos de</p><p>remodelamento da cromatina dependentes de trifosfato de adenosina (ATP, de Adenosine</p><p>Triphosphate). As subunidades nesses complexos que hidrolisam ATP são relacionadas às</p><p>DNA-helicases na escala evolutiva, e ligam-se ao cerne de histo­nas do nucleossomo e à</p><p>fita dupla de DNA que está enrolada ao redor do cerne. Usando a energia da hidrólise do</p><p>ATP para deslocar o DNA do cerne, essa subunidade altera, tempo­rariamente, a estrutura</p><p>do nucleossomo, tornando a ligação do DNA ao cerne mais livre. Por meio de ciclos</p><p>repetidos de hidrólise de ATP, os complexos de remodelamento catalisam o deslizamento</p><p>do nucleossomo, e à medida que puxam o cerne do nucleossomo ao longo da dupla-hélice,</p><p>elas disponibilizam o DNA nucleossômico para outras proteínas na célula (Fi­gura 4-29).</p><p>Além disso, pela cooperação com proteínas com carga negativa que atuam como</p><p>chaperonas de histonas, alguns complexos de remodelamento são capazes de remover</p><p>todo ou partes do cerne do nucleossomo, catalisando a troca das histonas H2A-H2B, ou a</p><p>remo­ção total do octâmero do cerne do DNA (Figura 4-30).</p><p>REGULAÇÃO DA ESTRUTU RA DA CROMATINA</p><p>Mecanismos que produzem as diferentes estruturas da cro­matina em diferentes</p><p>regiões do genoma celular.</p><p>Tais mecanismos são utilizados no con­trole de vários genes eucarióticos. Alguns tipos</p><p>de estrutura da cromatina podem ser herdados; isto</p><p>é, a estrutura pode ser transmitida</p><p>diretamente de uma célula a suas descendentes. Como a memória celular resultante é</p><p>fundamentada em uma estrutura proteica herdada e não em alterações da sequência de</p><p>DNA, essa é uma forma de herança epigenética (forma de herança que se sobrepõe à</p><p>herança genética com base no DNA).</p><p>A heterocromatina é altamente organizada e atipicamente</p><p>resistente a expressão gênica</p><p>Há dois tipos diferentes de croma­tina do núcleo em interfase de várias células de</p><p>eucariotos superiores: uma forma altamente condensada, chamada de heterocromatina, e</p><p>todo o resto, uma forma menos condensada, chamada de eucromatina. A heterocromatina</p><p>representa uma forma compacta especial. Embora esteja presente em vários locais ao</p><p>longo dos cromossomos, a hetero­ cromatina é especialmente concentrada em regiões</p><p>específicas,particularmente nos centrô­meros e telômeros introduzidos anteriormente.</p><p>As histonas do cerne são modificadas covalentemente em vários</p><p>sítios diferentes</p><p>As cadeias laterais dos aminoácidos das quatro histonas no cerne do nucleossomo estão</p><p>su­jeitas a uma grande variedade de modificações covalentes, incluindo a acetilação de</p><p>lisinas, a mono, di e trimetilação de lisinas e a fosforilação de serinas (Figura 4-38). Um</p><p>grande número de modificações de cadeias laterais ocorre nas "caudas" N-terminais de</p><p>histonas, relativamente sem estrutura, que se projetam para fora do nucleossomo (Figura 4-</p><p>39). En­tretanto, modificações específicas também ocorrem em cadeias laterais do cerne</p><p>globular do nucleossomo (Figura 4-40).</p><p>Todos os tipos de modificações mencionadas são reversíveis. A modificação de uma</p><p>ca­deia lateral de um aminoácido específico em um nucleossomo é produzida por uma</p><p>enzima específica, e cada uma dessas enzimas atuam apenas em um ou poucos sítios.</p><p>Uma enzima diferente é responsável pela remoção de cada modificação na cadeia lateral.</p><p>Cada enzima é recrutada a sítios específicos na cromatina em períodos deter­minados</p><p>durante a vida da célula. Para a maior parte, o recrutamento inicial dessas enzimas</p><p>depende de proteínas de regulação gênica que se ligam a sequências específicas de DNA</p><p>nos cromossomos e são produzidas em diferentes períodos na vida do organismo. Mas,</p><p>pelo menos em alguns casos, as modificações covalentes dos nueleosso­mos persistem por</p><p>muito tempo, muito após o desaparecimento das proteínas reguladoras que causaram sua</p><p>indução, e, assim, carregam uma memória da história do desenvolvimen­to celular. Diversos</p><p>padrões de modificações covalentes são, portanto, encontrados em gru­pos diferentes de</p><p>nucleossomos, de acordo com a sua posição exata no cromossomo e dostatus da célula.</p><p>As modificações das histonas são cuidadosamente controladas e apresentam</p><p>conse­quências importantes. A acetilação de lisinas nas caudas N-terminais tende a</p><p>afrouxar a estrutura da cromatina, em parte porque a adição de um grupo acetil à lisina</p><p>remove sua carga positiva, reduzindo a afinidade das caudas aos nucleossomos adjacentes</p><p>(ver Figu­</p><p>ra 4-33). Porém, o efeito mais profundo das modificações das histonas é sua capacidade</p><p>de atrair proteínas específicas para um segmento de cromatina que foi modificado. Essas</p><p>novas proteínas determinam como e quando os genes serão expressos, além de outras</p><p>fun­ções biológicas. Dessa forma, a estrutura precisa de um domínio de cromatina</p><p>determina a expressão dos genes nela empacotados, e, por sua vez, a estrutura e a função</p><p>de uma célula eucariótica.</p><p>A cromatina adquire uma variedade adicional pela inserção sítio-</p><p>específica de um conjunto de variantes de histonas</p><p>Apesar da forte conservação das sequências de aminoácidos das quatro histonas do</p><p>cerne, durante milhões de anos, os eucariotos contêm algumas poucas histonas variantes</p><p>que par­ticipam dos nucleossomos. Essas histonas estão presentes em quantidades muito</p><p>pequenas comparadas às histonas principais e foram bem menos conservadas durante a</p><p>evolução. Exceto pela histona H4, todas as outras apresentam variantes; alguns exemplos</p><p>são apresen­tados na Figura 4-41.</p><p>As histonas principais são sintetizadas especialmente durante a fase S do ciclo celular e</p><p>montadas nos nucleossomos das duplas-hélices de DNA das células-fi­lhas logo atrás da</p><p>forquilha de replicação. Em contraste, a maior parte das variantes de histonas é sintetizada</p><p>durante a interfase. Elas normalmente são inseridas na cromatina quase formada, que</p><p>requer um processo de alteração de histonas catalisado pelos complexos de</p><p>remodelamento dependentes de ATP. Esses com­plexos de remodelamento contêm</p><p>subunidades que promovem sua ligação a sítios especí­ficos na cromatina e também a</p><p>chaperonas de histonas que carregam uma determinada va­riante. Assim, cada variante de</p><p>histona é inserida na cromatina de forma altamente seletiva (ver Figura 4-30).</p><p>As modificações covalentes e as variantes de histonas atuam em</p><p>conjunto para produzir um "código de histonas"que auxilia a</p><p>determinar a função biológica</p><p>O número de marcações diferentes possíveis em um nucleossomo individual é enorme.</p><p>Mesmo reconhecendo-se que algumas modificações covalentes são mutuamente</p><p>exclusi­vas (p. ex., não é possível uma lisina ser acetilada e metilada ao mesmo tempo), e</p><p>que essas modificações são produzidas em conjunto, está claro que milhares de</p><p>combinações podem ser obtidas. Além disso, existe uma diversidade adicional criada pelos</p><p>nucleossomos que contêm variantes de histonas.</p><p>Muitas das combinações parecem ter um significado específico para a célula, pois</p><p>de­terminam como e quando o DNA empacotado nos nucleossomos será acessado,</p><p>levando à hipótese do código de histonas. Por exemplo, um tipo de marca indica que um</p><p>segmento da cromatina foi replicado recentemente, outro indica que o DNA na cromatina foi</p><p>danificado e necessita ser reparado, enquanto outros sinalizam quando e como a expressão</p><p>gênica deve ocorrer. Pequenos módulos de proteínas ligam-se a marcas específicas,</p><p>reconhecendo(Figura 4-42). Esses módulos parecem atu­ar em conjunto com outros</p><p>módulos como parte do complexo de leitura do código para permi­tir que determinadas</p><p>combinações de marcações na cromatina atraiam complexos proteicos adicionais que</p><p>realizam uma função biológica apropriada e no momento certo (Figura 4-43).</p><p>As marcas nos nucleossomos resultantes das adições covalentes às histonas são</p><p>dinâ­micas, sendo constantemente removidas e adicionadas a velocidades que dependem</p><p>da localização cromossômica. Como as caudas das histonas projetam-se para fora do cerne</p><p>nucleossômico e provavelmente estejam acessíveis mesmo quando a cromatina está</p><p>con­densada, elas parecem propiciar um formato adequado para criar marcações que</p><p>podem ser prontamente alteradas de acordo com a mudança das necessidades da célula.</p><p>Embora ainda haja muito a se aprender sobre o significado das várias combinações do</p><p>código de histonas, alguns exemplos bem estudados sobre as informações codificadas pela</p><p>cauda da histona H3 estão listrados na figura 4-44</p><p>Um complexo de proteínas de leitura e escrita de código pode</p><p>propagar modificações específicas na cromatina a longas</p><p>distâncias em um cromossomo</p><p>O fenômeno de efeito posicional variegado descrito anteriormente requer que pelo</p><p>menos algumas formas modificadas da cromatina tenham a capacidade de disseminar-se</p><p>por dis­tâncias substanciais ao longo da molécula de DNA cromossômico (ver Figura 4-36).</p><p>Como isso é possível?</p><p>As enzimas que modificam as histonas nos nucleossomos (ou removem suas modifi­</p><p>cações) são partes</p><p>de complexos de multissubunidades. Eles podem, inicialmente, ser</p><p>tra­zidos a uma determinada região da cromatina por uma das proteínas de ligação ao DNA</p><p>sequência-específicas (proteínas de regulação gênica). Mas após uma enzima de</p><p>modificação "escrever" sua marca em um ou em alguns nucleossomos adjacentes, seguem-</p><p>se eventos que se as­ semelham a uma reação em cadeia. Nesse caso, a enzima que</p><p>"escreve o código" trabalha juntamente com uma proteína de leitura de código localizada no</p><p>mesmo complexo proteico. Essa segunda proteína contém um módulo de leitura que</p><p>reconhece a marca e liga-se for­ temente ao nucleossomo recém-modificado (ver Figura 4-</p><p>42), posicionando a enzima de escrita próximo ao nucleossomo adjacente. Por meio de</p><p>vários ciclos de escrita e leitura, a proteína de leitura pode carregar a enzima de leitura ao</p><p>longo do DNA - distribuindo a mar­ca de "mão-em-mão" pelo cromossomo (Figura 4-45).</p><p>Na realidade, o processo é mais complicado que o esquema descrito. Tanto as proteínas</p><p>de leitura como de escrita são parte de um complexo proteico que provavelmente contenha</p><p>diversas proteínas de leitura e escrita, e necessitam de diversas marcas nos nucleossomos</p><p>para sua propagação. Além disso, muitos desses complexos de leitura e escrita também</p><p>con­têm uma proteína de remodelamento da cromatina dependente de ATP, e todos atuam</p><p>em conjunto para condensar ou descondensar longos segmentos de cromatina à medida</p><p>que a proteína de leitura se desloca progressivamente ao longo do DNA empacotado no</p><p>nucl eos­somo (Figura 4-46).</p><p>Uma ideia da complexidade do processo descrito pode ser derivada dos resultados de</p><p>triagem genética para genes mutantes que aumentam ou suprimem a propagação e a esta­</p><p>bilidade da heterocromatina em testes de efeito posicional variegado em Drosophila (ver Fi­</p><p>gura 4-37). Como mencionado anteriormente, mais de 50 genes são conhecidos, e a</p><p>maioria deles parece atuar como subunidades em um ou mais complexos de proteínas de</p><p>remode­ lamento-escrita-leitura.</p>