3 Estrutura cromatina e empacotamento - OK

Prévia do material em texto

EMPACOTAMENTO DO DNA
E
ESTRUTURA DA CROMATINA
Material Genético
(DNA ou RNA)
• Organização estrutural (ptns ligadores de DNA)
• Organização Helicoidal do cromossomo (resultante da ação de enzimas) 
Partícula viral, célula ou um núcleo
COMPACTAÇÃO
Empacotamento de genomas virais
Partícula viral
- Capsídeo
- DNA ou RNA
Vírus Mosaico do Fumo (TMV)
• Vírus de RNA fita simples
• Centro de nucleação (local 
onde a estrutura em grampo
se forma)
• Ptns se ligam no centro de 
nucleação
Fago λλλλ
• Vírus de DNA
Empacotamento de genomas bacterianos
Genoma bacteriano DNA cromossomal (cromossomo bacteriano)
Plasmídeos
Cromossomo bacteriano é organizado em estruturas chamadas nucleóides
Etapas do empacotamento do cromossomo de E. coli
Eucariotos
o O material genético das células eucarióticas é subdvidida em múltiplos
cromossomos (diploide 2n);
o Cada cromossomo de uma célula eucariótica contém uma única
molécula de DNA duplex. Os cromossomos eucarióticos são lineares e 
variam em tamanho;
o Existem 24 tipos de cromossomos humanos (22 nas céluas somáticas + 
2 nas células sexuais;
o DNA também está presente nas mitocôndrias e cloroplastos;
Cromossomos Eucarióticos
O que significa DNA supercoil ou DNA supertorcido?
* O supercoild irá se formar quando o 
DNA estiver sujeito a alguma tensão
estrutural. 
Estrutura terciária: supertorcida, superenrolada ou super helicoidal
Estruturas estudadas em Topologia
105pb (10,5 pares de bases para cada volta)
(Remoção de uma das voltas (Desenrolamento) 
11,7pb por volta (105/9)
(Tensão na molécula)
Tensão aliviada pela formação do supercoil ou pela
separação das duas fitas de DNA em um segmento de 
10pb (equivalente a uma volta)
Como o DNA é capaz de desenrolar?
� Através de um processo enzimático
� O desenrolamento e a consequente supertorção do DNA só é possível
se:
- DNA estiver em um círculo fechado (cromossomo bacteriano, 
cromossomos virais, plamídeos, DNA mitocondrial)
- Estiver ligado e estabilizado por proteínas (cromossomos lineares de 
eucariotos
� O número de voltas da hélice não pode ser alterado sem que ocorra pelo
menos uma quebra transitória em uma das fitas de DNA
Topoisomerases
� Enzimas que aumentam ou diminuem o grau de supertorção do DNA
� Promovem quebra transitória da ligação fosfodiéster, permitindo a 
introdução ou remoção de supertorções
� Catalisam a formação de topoisômeros (Moléculas com sequências e 
tamanhos idênticos que diferem apenas na sua topologia)
� Papel importante em processos como replicação, transcrição e 
empacotamento do DNA
Estruturas topológicas mais comuns na célula
Topoisomerases
Duas classes:
Tipo I – rompem uma das fitas de DNA e permite o giro da fita quebrada
sobre a fita intacta
Tipo II – rompem as duas fitas de DNA ao mesmo tempo
• Em bactéria
Tipo I (I e II)
Tipo II (II e IV)
• Em eucarioto
Tipo I (I e III)
Tipo II (IIαααα e IIββββ)
Ação da Topoisomerase II
DNA : Supertorção
Tipos de Supertorções
Supertorção Plectonêmica
É um tipo de estrutura em que a supertorção gira para a direita, tende a 
ser mais estendida e estreita em vez de compacta. Essa estrutura é
comum em DNAs isolados em laboratórios – não produz compactação
suficiente para empacotar o DNA na célula;
Tipos de Supertorções
Supertorção Solenóide
Envolve voltas para a esquerda. A estrutura formada é estabilizada por
proteínas ligadoras de DNA e proporciona maior grau de 
compactação.
Tipos de Supertorções
ESTRUTURA DOS CROMOSSOMOS 
EM EUCARIOTOS
A organização geral do núcleo
�O núcleo é o compartimento que contém o DNA, organizado na forma de cromatina.
�O envelope nuclear separa o núcleo do citoplasma.
�O envoltório nuclear é formado por duas membranas e é sustentado tanto pelo lado citoplasmático 
quanto pelo lado nuclear por filamentos do citoesqueleto.
�No lado nuclear, filamentos intermediários formam a lâmina nuclear.
�A matriz nuclear é denominada nucleoplasma. 
�Nucleoplasma e citoplasma se comunicam através dos complexos do poro.
�O núcleo é o maior compartimento celular, ocupando cerca de 10% do volume total da célula.
�A maioria das células possui apenas um núcleo, com exceção de:
�eritrócitos de mamíferos, que perdem o núcleo durante a diferenciação;
�células derivadas da fusão de células precursoras, como células musculares esqueléticas, que 
possuem muitos núcleos;
�certos protozoários, como os do gênero Giardia, que são binucleados.
�O núcleo costuma ter formato arredondado e ocupar a posição central da célula, mas pode ficar na 
periferia, como nas células musculares ou nos adipócitos.
A organização geral do núcleo
O
Organização dos genes nos cromossomos humanos
Éxon – região codificante
Íntron – região não-codificante
Durante a divisão celular ocorre a replicação do DNA e duplicação dos cromossomos. A fase M (mitose) é breve, por
volta de uma hora; maior parte do tempo as células permanecem na interfase.
Cromossomo interfásico X Cromossomo mitótico
G1 > S > G2 > M > G1 >
Imagens de Microscopia eletrônica
A. Fibras de cormatina interfásica
B. Cromossomo mitótico altamente condensado
Cromossomo interfásico X Cromossomo mitótico
Telômero
Braço P
Centrômero
Telômero
Braço Q
Cromátide
irmã
Metacêntrico
Acrocêntrico
Telocêntrico
Submetacêntrico
CromossomosCromossomos mitmitóóticosticos
Compactação do DNA no núcleo
� Cromatina é formada principalmente por DNA, proteínas e 
também RNA. 
- Histonas: ptns básicas, carregadas positivamente em pH 
neutro (H2A, H2B, H3 e H4)
- Proteínas cromossomais não-histonas
� Nucleossomos: é o nível mais básico de organização
cromossômica, é formado por Histonas + DNA
Compactação do DNA
Cromatina digerida com nuclease
-Fragmentos de DNA 
com diferença de 200pb
- Sugere que a 
compactação do DNA 
envolve a repetição de 
uma unidade de 200pb
O centro do nucleossomo é formado por
146 pares de nucleotídeos e duas
moléculas de cada uma das histonas H2a, 
H2b, H3 e H4
Nucleossomos (diâmetro 11nm) (1º nível de compactação)
“colar de contas”: cada conta = nucleossoma
1°nível de organização cromossômica
Nucleossomo
� 146 pb de DNA se enrolam ao redor de um octâmero de histonas
composto por duas cópias de cada histona (H2A, H2B, H3 e H4)
� Forte enrolamento do DNA ao redor do octâmero na forma de uma
supertorção solenoidal com orientação para a esquerda
� As histonas têm alto teor de aminoácidos carregados positivamente
Eventos de dimerização ocorridos durante a formação do octâmero!
As histonas H2A, H2B, H3 e H4 formam um octâmero. Estabilizado por interações com 
hélices centrais adjacentes 
Cauda de aminoácidos N-terminais
Histonas
Ligação do DNA - Histonas
Influenciados por:
1- Pares AT no sulco menor
2- Presença de outras proteínas
Ligação do DNA - Histonas
• Cada nucleossomo contém uma molécula de Histona H1, que estabiliza duas voltas
completas de super-hélices de DNA, na superfície do octâmero de histonas
Histona H1
Formação do segundo nível de compactação da cromatina (fibra de 30nm)
� Histona H1 ajuda no estabelecimento da fibra de 30nm. Não é essencial, nocaute
leva a diminuição do grau de compactação mas mantém as células viáveis.
Como ocorre o empacotamento na fibra de 30nm? Difícil análise! As fibras são 
frágeis e facilmente danificadas em estudos estruturais!
Participam desta estrutura:
Ligação do DNA na H1
H1 possui dois sítios de ligação ao DNA, um sítio faz contato com o DNA 
de ligação e o outro com a região central do DNA enroladono octâmero
de histonas
Formação do segundo nível de compactação da cromatina (fibra de 30nm)
� Participação das caudas N-terminais das histonas. Auxílio na ligação dos 
nucleossomos uns aos outros.
Formação do segundo nível de compactação da cromatina (fibra de 30nm)
A organização da fibra de 30 nm
A disposição exata dos nucleossomos no filamento de 
30nm ainda não está clara, embora prevaleçam dois
modelos principais:
� Modelo Solenóide
� Modelo Zigue-zague
A organização da fibra de 30 nm
É o modelo mais aceito e baseia-se em um 
espiral ordenado de aproximadamente 6 
nucleossomos por volta. O eixo solenóide é
perpendicular ao core dos nucleossomos. As 
comprovações dessse modelo são 
produzidas por microscopia crioeletrônica de 
trechos com até 72 nucleossomos.
Philip JJ Robinson & Daniela Rhodes Structure of the ‘30 nm’
chromatin fibre: A key role for the linker histone. Current 
Opinion in Structural Biology, Volume 16,336–343, 2006
Solenóide
Clássico
Modelo Solenóide
A organização da fibra de 30 nm
c) Modelo de fita em zigue-zague
Modelo baseia-se em um distribuição em zigue-zague ordenado de nucleossomos por 
volta. O eixo é perpendicular ao core dos nucleossomos. As comprovações dessse
modelo são produzidas por cristalografia de raio X. Thomas Schalch, Sylwia Duda, 
David F. Sargent & Timothy J. Richmond, X-ray structure of a tetranucleosome and its 
implications for the chromatin fibre, Nature 436, 138-141, 2005.
C. Zigue-zague
A organização da fibra de 30 nm
DNA dupla fita
Colar de contas
Cromatina
Fibra de 30nm
Seção dos cromossomos
Domínios em Alça
(Fibras de cromonema)
100-300nm
Seção condensada
do cromossomo
Cromossomo
mitótico
Estrutura de ordem
superior dos 
cromossomos
envolve alças e 
supertorções
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA
Além da fibra de 30nm existem os domínios em alça de cromatina
* O tratamento de cromossomos com soluções salinas brandas provoca
sua expansão, e as extremidades destes cromossomos inchados revelam
que os filamentos de 30nm parecem estar organizados em alças
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA: Domínios em alça de cromatina
� Ovócitos de anfíbios revelam um padrão de alças de cromatina emanando de um eixo central 
mais compactado, são os chamados cromossomos plumosos;
� As alças têm rica atividade transcricional para estocagem de componentes necessários para o 
desenvolvimento inicial do ovo!
Estrutura de um cromossomo plumoso
� Os domínios em alça de cromatina são visualizados também nos cromossomos politênicos de 
glândula salivar de Drosophila
Cromossomo politênico de glândula
salivar de larvas de Drosophila
(10 rounds de replicação 210)
Produzem cerca de 1024 cópias
cromossômicas pareadas lado a lado
com padrão distinto de bandas!
O padrão de bandas (escuras e claras) reflete a 
natureza heterogênea da compactação da
cromatina nos cromossomos, ou seja, regiões
altamente compactadas intercaladas por regiões
menos compactadas!
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA: Domínios em alça de cromatina
� Os cromossomos politênicos de glândula salivar de 
Drosophila apresenta algumas regiões inchadas
lateralmente “pufes”.
� Pufes cromossômicos são compostos de idênticos
domínios em alça de cromatina, ativamente
transcritos
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA: Domínios em alça de cromatina
Puffs cromossômicos representam as 
regiões que sofrem uma descompactação
tornando-se transcricionalmente ativas
em um determinado momento
Pufe cromossômico “anel de Balbiani” de Chironomus tentans
� Os cromossomos politênicos de glândula salivar de Drosophila apresenta algumas regiões
inchadas lateralmente “pufes”.
� Puffs cromossômicos são compostos de idênticos domínios em alça de cromatina.
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA: Domínios em alça de cromatina
A A cromatinacromatina interfinterfáásicasica estestáá divididadividida emem HeterocromatinaHeterocromatina & & 
EucromatinaEucromatina::
Heterocromatina
Altamente compactada
Inativa transcricionalmente
Ex: centrômeros, telômeros,
DNA repetitivo, cromossomo X inativo
Eucromatina:
Frouxamente compactada
Ativa transcricionalmente
&
Em células eucarióticas superiores
Modelo para a estrutura do cromossomo interfásico.
Uma seção do cromossomo é organizada como uma série de domínios em alça, cada um com 20,000–
100,000pb de dupla hélice condensada em uma fibra de 30nm. Alças individuais podem se descondensar, 
expandindo a fibra de 30nm, quando as células requerem direto acesso ao DNA empacotado nas alças. A 
descondensação é promovida por enzimas que modificam a estrutura da cromatina, assim como, proteínas
como RNA polimerase.
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA: Domínios em alça de cromatina
Estruturas de ordem superior na compactação do DNA: Domínios em alça de cromatina
� Desnaturação parcial ou choque hipotônico revelam estruturas semelhantes aos domínios 
em alça em cromossomos mitóticos;
� Arranjos de ordem superior correspondentes a uma agregação das alças espiralização podem
ocorrer em ambos (mitótico e interfásico)
� São visualmente diferentes devido ao grau de agregação das alças, mas estruturalmente similares
Além dos domínios em alça de cromatina?
Cromossomo mitótico versus Cromossomo interfásico
B
Além dos domínios em alça de 
cromatina?
� A massa de um cromossomo corresponde a 
1/3 de cada componente: DNA, histonas, e 
proteínas cromossômicas não histonas;
� Domínios em alças de cromatina agregadas
se organizam ao redor das proteínas
cromossômicas não histonas que formam
um arcabouço cromossômico (matriz
nuclear); 
� Arranjos em larga escala correspondem a 
uma agregação das alças (espiralização) 
ao redor do arcabouço cromossômico
?
Compactação do cromossomo
Compactação do cromossomo
Proteínas SMC (structural maintenance of chromossomes)
• Executam importantes funções no processo de divisão celular, uma vez
que elas estão envolvidas na condensação cromossômica e na coesão das 
cromátides irmãs durante o processo de divisão celular
• Revestem o DNA e, ligando-se umas as outras, proporcionam a ligação
entre partes distantes dos cromossomos
• São proteínas diméricas e formam uma estrutura em forma de “v”
• São elas:
SMC bacteriana
Coesina
Condensina
SMC5-SMC6
Papel das coesinas e condensinas no arcabouço
dos cromossomos mitóticos
Organização do DNA bacteriano
• Compactado em uma estrutura nucleóide
• Possuem ptns SMC formando um arcabouço cromossômico
• O cromossomo circular é organizado em alças
• Não formam nucleossomos