Aula 2 cromossomos e compactação DNA

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Disciplina Biologia Molecular
Prof. Msc. Sinara Artico
email: sinaraartico@gmail.com 
Aula 2 – DNA Cromossômico e 
Empacotamento em Fibra de 
Cromatina
• Nos eucariotos o DNA nuclear é dividido em diferentes
cromossomos: Por ex.
• Genoma humano possui 3,2x109 nucleotídeos distribuídos em 24
diferentes cromossomos.
22 PARES CROMOSSOMOS AUTOSSÔMICOS
1 PAR CROMOSSOMAS SEXUAIS
1 célula humana = 2m de DNA
Corpo humano = Ida e volta no sol 50x
• Cromossomo: uma única e enorme molécula de DNA com proteínas
associadas formando uma estrutura mais compacta = Cromatina!!!
• Além das proteínas envolvidas no empacotamento o DNA também
está associado com proteínas necessárias para os processos de
expressão gênica, replicação e reparo do DNA.
O DNA eucariótico é Compactado em Cromossomos
Em Bactérias...
• Bactérias carregam seus genes em
uma única molécula de DNA,
normalmente, circular;
• Este DNA está associado a proteínas
que o empacotam e o condensam,
diferente das proteínas de eucariotos;
• “cromossomo bacteriano”, não tem a
estrutura de eucariotos e não se sabe
como o DNA é empacotado;
• Por isso nosso estudo estrutura de
cromossomos de eucariotos.
Um diagrama genoma de E. coli de 4.639.221 pares de nucleotídeos. O diagrama é circular, porque o DNA de
E. coli, como aquele de outros procariontes, forma um único circulo fechado. Os genes codificadores de
proteínas são mostrados em amarelo ou laranja dependendo da fita de DNA dos quais eles são transcritos.
Cromossomos Eucarióticos
Cromossomos humanos. Os cromossomos, de um macho, foram isolados de uma célula
em processo de divisão nuclear (mitose) e que estão, portanto, num estado altamente
compactado. Cada cromossomo foi "colorido“ com uma cor diferente para permitir uma
identificação inequívoca no microscópio óptico.
A coloração dos cromossomos é realizada expondo-se os cromossomos a uma coleção de
moléculas de DNA humano que foram acopladas a uma combinação de corantes
fluorescentes.
Este arranjo do conjunto total dos cromossomos (46
crom. mitóticos em humanos) é chamado de um
cariótipo.
Cromossomos Eucarióticos
O padrão de bandas de cada cromossomo é único, permitindo
que cada cromossomo seja identificado e numerado.
Os cromossomos de 1 a 22 estão numerados em ordem
aproximada de tamanho.
Coloração com Giemsa, que produz bandas escuras nas regiões
ricas em A-T.
Uma forma mais tradicional de dintinguir os 
cromossomos uns dos outros é corá-los com 
corantes que produzem padrões de lista 
característicos ao longo de cada cromossomo 
mitótico.
Se parte do cromossomo é perdida, as mudanças podem ser detectadas por
alterações no padrão de bandas ou no padrão de coloração dos cromossomos.
Os citogeneticistas usam essas alterações para detectar anormalidades
cromossômicas que estão associadas a defeitos herdáveis, ou a certos tipos de
câncer que surgem pelo rearranjo dos cromossomos nas células somáticas.
Cromossomos Eucarióticos
Cromossomo humano aberrante.
(A) Dois pares de cromossomos de um paciente com ataxia, uma doença caracterizada por deterioração motora
progressiva. O paciente tem um par de cromossomos 4 normal (par à esquerda), mas um cromossomo 12 normal e um
aberrante, como pode ser determinado por seu maior comprimento (par à direita). O material adicional contido no
cromossomo 12 aberrante foi determinado por seu padrão de banda como sendo parte do cromossoma 4, que se ligou
ao cromossomo 12 normal em um evento de recombinação anormal, denominado translocação cromossômica.
• A função mais importante dos cromossomos é portar os genes;
• Existe uma correlação entre a complexidade de um organismo e o número
de genes em seu genoma.
• As bactérias e alguns eucariotos unicelulares têm um genoma
especialmente compactado. A seqüência nucleotídica completa de seu
genoma mostra que as moléculas de DNA que constituem seu cromossomo
são pouco maiores que uma fita de genes muito empacotados.
• Entretanto, o cromossomo de muitos eucariotos (incluindo o homem)
contém, além dos genes, um grande excesso de DNA intercalante. Ainda
que algumas vezes seja chamado de “lixo de DNA”, sua inutilidade para a
célula não foi comprovada; uma determinada seqüência desse DNA pode
não ser importante, mas o próprio DNA, atuando como material
intercalante, pode ser crucial para a evolução ao longo do tempo e para a
expressão correta dos genes.
Cromossomos Eucarióticos
• Em geral, quanto mais complexo o organismo, maior seu genoma, mas devido a
diferenças na quantidade do DNA em excesso, esta relação não é constante.
Por exemplo:
• O genoma humano é 200 vezes maior do que o da levedura S. cerevisae, mas 30
vezes menor do que o de algumas plantas e anfibios e 200 vezes menor do que o de
uma espécie de ameba.
Cromossomos Eucarióticos
Tamanhos genômicos comparados.
O tamanho genômico é medido em pares
de nucleotídeos de DNA por genoma
haplóide, isto é, por simples cópia do
genoma.
• Além disso, devido ainda a diferenças na quantidade do DNA em excesso,
o conteúdo de DNA do genoma de organismos similares (por exemplo,
peixes ósseos) pode variar centenas de vezes em tamanho, mesmo
contendo praticamente o mesmo número de genes.
• Independentemente da função do “DNA lixo”, parece claro que não é um
grande problema para as células de eucariotos superiores possuírem uma
grande quantidade do mesmo.
– Obs. Genoma humano tem ~98% do genoma é não-codificante, em contraste com 11%
de E. coli.
• O acomodamento do genoma em um número de cromossomos 
também difere entre as espécies eucarióticas.
– Obs. Humanos 46 cromossomos, cervos 6 e espécie de carpa tem 100 cromossomos. 
Cromossomos Eucarióticos
• Mesmo espécies muito relacionadas com genomas de tamanho similar podem
apresentar número e tamanhos cromossômicos muito distintos.
• Assim não há regra simples para o número cromossômico, a complexidade das
espécies e o tamanho total do genoma.
Cromossomos Eucarióticos
Duas espécies de cervos muito relacionadas, mas com diferente número cromossômico.
Durante a evolução do cervo indiano, os cromossomos que eram inicialmente separados se
fundiram, sem causar efeitos graves nos animais. Essas duas espécies possuem aproximadamente
o mesmo número de genes.
Paradoxo do valor C
– Impossibilidade de correlacionar o tamanho do
genoma diretamente com a complexidade das
características morfológicas do organismo.
– Por exemplo: organismos tão distantes
evolutivamente como insetos e mamíferos ou
crustáceos e répteis podem ter genomas com
tamanhos bastante similares.
• Sequenciamento do genoma humano em 2001:
– Somente um pequeno porcentual codifica para proteínas ou RNAs
estruturais ou catalíticos.
• Muito do restante do DNA é constituído por pequenos
segmentos móveis de DNA que se inseriram no
cromossomo durante a evolução (elementos
transponíveis).
Organização dos genes nos Cromossomos 
humanos
LINE, SINES, elementos semelhantes a
retrovírus, e transposons de DNA são
elementos genéticos móveis que se
multiplicaram em nosso genoma
replicando-se inserindo novas cópias
em locais distintos.
• Grande tamanho médio dos genes (27 mil pb)
– Cerca de 1300pb são necessários para codificar uma proteína de 430
aa, a maioria do restante do DNA de um gene consiste de longos
segmentos de DNA não-codificante, entre os segmentos relativamente
curtos de DNA que codificam as proteínas, o inverso ocorre em
organismo com genomas compactos ( não possuem íntrons!)
• Sequências codificantes são denominadas Éxons
• Sequências não-codificantes são denominadas Íntrons
Organização dos genes nos Cromossomos 
humanos
O típico arranjo de éxons e de íntrons
nos genes é mostrado. Cada éxon
(vermelho) codifica para uma porção da
proteína, enquanto que a seqüência de
DNA dos íntrons (cinza) não.
Garante que o Gene sejaexpresso nos níveis, no
momento e no tipo celular
adequado
Cromossomos
Visão simplificada do ciclo celular eucariótico.
Durante a interfase, a célula está ativamente transcrevendo seus genes e sintetizando
proteínas (fase G1) e o DNA é replicado e os cromossomos são duplicados (fase S) . Uma
vez completada a replicação do DNA, a célula pode entrar na fase M, quando ocorre a
mitose.
A mitose é a divisão do núcleo. Durante esse estágio, os cromossomos se condensam, o
envelope nuclear se rompe e o fuso mitótico se forma a partir de microtúbulos e outras
proteínas. Os cromossomos condensados são capturados pelo fuso mitótico, e um
conjunto completo de cromossomos é puxado para cada extremidade da célula. Um
envelope nuclear se forma em volta de cada conjunto de cromossomo e, no estágio final
da fase M, a célula se divide para produzir duas células-filha.
Divisão celular
• Cada molécula de DNA que forma um Cromossomo Linear
Deve Conter:
• um Centômero - liga os cromossomos duplicados no fuso mitótico,
distribuindo as cópias para as células-filha
• dois Telômeros – Forma uma proteção especial na extremidade de cada
cromossomo – contém sequencias de nucleotídeos repetidas
• Múltiplas Origens de Replicação – replica todo DNA do cromossomo
rapidamente
Cromossomos
São os 3 tipos de sequências nucleotídicas
especializadas no DNA nas quais se ligam
proteínas específicas que guiam a maquinaria
que replica e segrega os cromossomos!
• O complexo desafio de empacotar o DNA é realizado por
proteínas especializadas que se ligam ao DNA e o dobram,
produzindo uma série de alças e de espirais que conferem
níveis elevados de organização, evitando que o DNA torne-se
emaranhado.
• Embora o DNA seja extremamente compactado, esta
compactação é feita de forma a permitir que ele esteja
prontamente disponível às muitas enzimas nas células que
irão replicá-lo, repará-lo e usar seus genes para produzir
proteínas.
Entender o desafio que é empacotar o DNA no 
núcleo de uma célula!!!!!
• As proteínas que se ligam ao DNA para formar o 
cromossomo eucariótico (cromatina) são de 2 tipos:
• Histonas – responsáveis pelo primeiro e mais básico nível de organização 
cromossômica = Nucleossomo
• Proteínas cromossômicas não-histonas
Estrutura Molecular da Cromatina
• As histonas são proteínas pequenas é possuem alto conteúdo de cadeias
laterais de carga positiva/básica: grande parte dos aminoácidos é lisina ou
arginina – o que favorece a interação com o DNA carregado negativamente.
• São divididas em 5 classes : H2A, H2B, H3, H4 e H1.
• Devido seu papel fundamental na compactação do DNA as histonas estão
entre as proteínas eucarióticas mais conservadas.
- Por ex: A sequência de Aa da histona H4 de ervilha e de gado diferem em
somente 2 dos 102 Aa.
- A H1 é a menos conservada em termos evolutivos.
• Proteínas equivalentes às histonas e uma estrutura de cromatina
simplificada foi encontrada em organismos unicelulares do Reino
Archaebacteria.
HISTONAS
Proteínas cromossômicas não-histonas
• Todas as demais proteínas presentes na cromatina, estão
associadas com a estruturação da cromatina em níveis de
organização superiores.
• Ex. DNA e RNA polimerases e todas as proteínas reguladoras
dos processos de replicação e transcrição.
Nucleossomos são as Unidades Básicas da 
Estrutura dos Cromossomos Eucarióticos
1a nível de compactação: Fibra de 10 nm
“Contas de um colar” – DNA enrolado em um
cerne (Octâmero de histonas) de proteínas
constituído por histonas no qual o DNA se enrola
(2 voltas).
Cada partícula do cerne nucleossômico consiste de um complexo de 8 proteínas histonas,
duas moléculas de cada uma das histonas: H2A, H2B, H3 e H4 e a dupla fita de DNA que
tem 146 nt de comprimento.
Nível de Compactação de 5-10x.
O DNA está parcialmente acessível a proteínas regulatórias.
1a nível de compactação: Nucleossomo
A partícula central do nucleossomo é liberada da
cromatina pela digestão do DNA conector (~ 80pb)
com uma nuclease, uma enzima que degrada o DNA.
(A nuclease pode degradar o DNA exposto, mas não
pode atacar o DNA enrolado em volta do
nucleossomo).
A formação do nucleossomo converte a molécula de
DNA em uma fita de cromatina com um terço do
comprimento inicial, consiste no 1ª nível de
compactação.
DNA de ligação entre 2 nucleossomos ~ 80 pb
Na formação do nucleossomo primeiro
as histonas ligam-se umas as outras
para formar os dímeros H3-H4 e H2A-
H2B e os dímeros combinam-se para
formar os tetrâmeros. Enfim os
tetrâmeros H3-H4 se ligam com os 2
dímeros H2A-H2B para formar o
octâmero ao qual o DNA se enrola.
1a nível de compactação: Nucleossomo
Curvatura do DNA em um nucleossomo.
Devido a certas características estruturais da molécula de DNA, os pares de bases A-T
são preferencialmente acomodados no sulco menor.
1a nível de compactação: Nucleossomo
As sequências ricas em A-T no sulco
menor são mais fáceis de compactar
do que as sequencias ricas em G-C e
cada octâmero de histonas tende a se
acomodar no DNA para maximizar os
sulcos menores ricos em A-T na região
interna da espiral do DNA.
• O cordão de nucleossomos é moldado
em espiral irregular, formando uma fibra
compacta de 30nm a qual é estabilizada
pela ligação da histona H1 em cada
nucleossomo.
• Compactação de ≈ 50 vezes
2a nível de compactação: Fibra de 30 nm
O nucleossomo é compactado numa fibra 
cromatínica de 30 nm. 
Fibra de 30 nm ou Arranjo Solenoidal – 6 nucleossomos organizados radialmente com o DNA de ligação e H1 no interior da estrutura
Estágios de condensação da cromatina
• Pouco conhecimento.
• Parece envolver essencialmente proteínas não-histônicas.
• Embora a H3 também seja importante, pois sua fosforilação
específica é necessária para a correta condensação na mitose
e na meiose.
• Regulação mediada por seqüências cis-atuantes do DNA, que
são capazes de exercer seus efeitos ao logo de dezenas ou
centenas de milhares de bases, a partir de interações com
proteínas específicas.
Níveis mais complexos da organização da cromatina
Modelo para a organização de ordem superior para a
cromatina. Esse modelo pressupõe um enovelamento
adicional da fibra de 30 nm (que poderia ser helicoidal
e/ou na forma de alças), que, repetido em etapas
sucessivas, determinaria os diferentes graus de
compactação observados nas estruturas da
eucromatina, da heterocromatina e dos cromossomos.
DNA livre
Fibra de 10 nm
Fibra de 30 nm
Enovelamento da
Fibra de 30 nm na
cromatina interfásica
Compactação da
cromatina interfásica
em cromossomos
metafásicos
Cromossomos
Metafásicos
Resultado final: cada molécula de DNA é empacotada em um 
cromossomo mitótico.
As modificações covalentes das caudas das 
Histonas podem afetar a Cromatina
As caudas N-terminais de cada uma das 4 histonas do cerne são altamente
conservadas nas suas sequências e exercem funções cruciais na regulação
da estrutura da cromatina.
Cada cauda está sujeita a diversos tipos de modificações covalentes como:
- acetilação e metilação das lisinas
- fosforilação das serinas
Cada histonas contém uma cauda N-terminal sujeita a diversas formas de modificações covalentes e uma região da 
dobra de histonas, como indicado na figura.
• As histonas são sintetizadas no citoplasma e organizadas nos
nucleossomos.
• Algumas modificações ocorrem nas caudas de histonas ocorrem logo após
sua síntese, mas antes ou após de sua reunião.
As modificações que nos interessam ocorrem logo após a formação do 
nucleossomo – adicionadas e removidas por enzimas nucleares.
As modificações covalentes das caudas das 
Histonas podem afetar a Cromatina
Acetilação de Histonas
• Aumenta a atividade transcricional da cromatina;
• Acetilação ocorre em resíduos específicos de lisina presentes nas
caudas N-terminaisdas histonas centrais;
• Determina a neutralização das cargas positivas dessas caudas,
levando a dimunuição da afinidade das caudas pelo DNA;
• Assim a acetilação altera a estrutura do nucleossomo, tornando o
DNA mais acessível a proteínas reguladoras da transcrição;
• Acetilação de histonas é realizada pelas HATs (acetil transferases
histônicas).
• A acetilação das caudas N-terminais das histonas é um evento
reversível;
• Desacetilases de Histonas (HDACs) catalisam a remoção de grupos
acetila de resíduos específicos das histonas centrais;
• Essa desacetilação tem um efeito repressor sobre a transcrição
Desacetilação de Histonas
A hipótese do Código de Histonas:
- As caudas das histonas podem ser marcadas por diferentes combinações
de modificações
- Cada marcação tem um significado específico para o segmento de
cromatina que ela ocorre
A cauda H4 duplamente acetilada é "lida" por uma
proteína necessária para a expressão gênica. Em outro
caso, a cauda H3 metilada na lisina 9 é reconhecida por
uma série de proteínas que cria uma forma
especialmente compacta de cromatina, a qual silencia a
expressão gênica.
A cromatina e os processos 
vitais celulares
Replicação
As histonas são sintetizadas durante a
fase S do ciclo celular , e à medida que a fita
nova de DNA vai sendo sintetizada novos
nucleossomos vão sendo montados.
Transcrição
Abertura do nucleossomo
Regiões ativas não são tão 
empacotadas.
Compactação do DNA
http://www.youtube.com/watch?v=3offBO3sw
eg&feature=player_embedded#at=51
• A cromatina tem uma organização dinâmica que se altera conforme o 
estágio do ciclo celular. Durante a interfase 2 tipos de cromatina podem 
ser observados:
- Eucromatina: representa a cromatina no seu estado de menor 
compactação – forma ativa da cromatina (fibras de 30 nm)
- Heterocromatina: cromatina densamente compactada-forma 
inativa.
- 10% genoma de mamífero, está concentrado em regiões específicas como 
centrômero e telômero, normalmente não contém genes.
- efeito de posição: a atividade de um gene depende de sua posição ao 
longo do cromossomo
• Durante a divisão celular (meiose e mitose) toda a cromatina encontra-se 
muito condensada formando os cromossomos.
Compactação de Genomas Eucarióticos
Estados de condensação variáveis, diferente do observado em heterocromatina e
cromossomos “normais” são observados em cromossomos plumosos de anfíbios.
Compactação de Genomas Eucarióticos
Representação da estrutura de cromossomos
meióticos plumosos de oócitos de anfíbios. A maior
parte do DNA está condensada em estruturas
chamadas cromômeros
Representa um estado reversível estendido e funcional de
cromossomos de oócitos de alguns anfíbios, nos quais o
processo de meiose pode durar meses.
Compactação de Genomas Eucarióticos
Estados de condensação variáveis, diferente
do observado em heterocromatina e
cromossomos “normais” são observados em
cromossomos politênicos.
Que são produtos de até nove repetições
sucessivas de DNA de um par de
cromossomos homólogos, nos quais as
moléculas de DNA resultantes não se
separam.
Encontrado em núcleos interfásicos de alguns
tecidos larvais de dípteros, possuem um grau
de compactação 2x maior do que o
cromossomo mitótico.