Epigenetica Epigenética

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Epigenética 
 
 Como diferentes células tronco adultas “sabem” seu destino celular? 
 
 
Diferentes tipos celulares mas 
sequência de DNA idêntica 
 Como organismos geneticamente idênticos podem apresentar diferentes 
fenótipos? 
 Como organismos geneticamente idênticos podem apresentar diferentes 
fenótipos? 
 Como é possível que haja expressão alélica de apenas um dos genitores? 
 Como balancear a dose de cromossomos X entre os sexos? 
 Como as fêmeas de mamíferos podem expressar apenas um de seus 
cromossomos X em suas células? 
A Epigenética 
 O termo “Epigenética” foi utilizado pela primeira vez por Conrad H. 
Waddington, em meados da década de 40 – “Epigenetic landscape”. 
 
 Emergência de um eventual fenótipo em um organismo através do 
processo de desenvolvimento, este iniciado a partir de um perfil 
genético específico. 
 A relação entre fenótipo e genótipo não é linear e probabilística, não 
há um determinismo. Há influência de efeitos aleatórios ou ambientais. 
 Antigamente... 
Epigenética: diferenciação das células a partir de um estado inicial 
 totipotente no desenvolvimento embrionário. 
Epigenética e Epigenoma 
 EPIGENÉTICA 
◦ Refere-se ao estudo dos fatores herdados que modificam a expressão dos genes sem alterar 
a sequência de DNA. 
 
 EPIGENOMA (“acima” do genoma) 
◦ É o conjunto de modificações bioquímicas da cromatina que determina uma 
informação genética, refletindo o status epigenético da cromatina de uma célula. 
 
 
 
 
 
Marcas epigenéticas 
O que, onde e quando fazer... 
 Nem todos os genes são necessariamente expressos em todas as 
células de um organismo. A maioria está programada para permanecer 
reprimida. 
 
 
 
 
 
 Modificações epigenéticas são mecanismos moleculares que permitem 
preservar o estado inativo por regenerar a estrutura repressiva da 
cromatina a cada rodada de replicação do DNA. 
A informação epigenética 
A informação epigenética 
Mecanismos epigenéticos 
Metilação de citosinas 
Modificação de histonas 
Remodelamento de cromatina 
RNA de interferência 
Mecanismos 
epigenéticos 
 Modificação covalente do DNA: substituição do H5 de citosinas por um 
grupo metil (doador: S-adenosilmetionina - SAM). 
 DNA metiltransferases em mamíferos: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, 
DNMT3B, DNMT3L. 
 
Metilação de citosinas no DNA 
Tipos: 
 - de manutenção 
 - de novo 
 
 
 5-metilcitosina 
ON 
OFF 
 Ocorre nas sequências CpG in tandem, em ambas as fitas do DNA. 
 Ilhas CpG (promotores e regiões intergênicas) 
 Em mamíferos, 60% - 90% de todas as CpGs estão metiladas 
 
 
Metilação de citosinas no 
DNA 
CpG não 
metilada 
CpG 
metilada 
ON 
OFF 
 Ocorre nas sequências CpG in tandem, em ambas as fitas do DNA. 
 Ilhas CpG (promotores e regiões intergênicas) 
 Em mamíferos, 60% - 90% de todas as CpGs estão metiladas 
 
 Não interfere no pareamento das bases nitrogenadas, mas adiciona 
informações: grupo metil posicionado no sulco maior do DNA 
 
 Controle da ligação de proteínas ao DNA 
 
 Organização da cromatina e expressão gênica 
 (frequentemente silenciamento gênico) 
Metilação de citosinas no 
DNA 
ON 
OFF 
 
 
Metilação de citosinas no 
DNA 
 Funções: 
◦ Expressão gênica 
◦ Estabilidade cromossômica 
◦ Diferenciação celular 
◦ Imprinting 
◦ Inativação do X 
 
 A função normal da célula depende do equilíbrio entre dois eventos: 
 
 
 Ilhas CpG Regiões intergênicas 
 
 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 que se apresenta em 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 
HIPOMETILAÇÃO X HIPERMETILAÇÃO 
Alterações no padrão de metilação 
e a carcinogênese 
INSTABILIDADE CROMOSSÔMICA ATIVAÇÃO DE ONCOGENES
HIPOMETILAÇÃO GLOBAL
INATIVAÇÃO DE GENES
SUPRESSORES TUMORAIS
INATIVAÇÃO DE
GENES DE REPARO
HIPERMETILAÇÃO DE ILHAS CpG
METILAÇÃO NORMAL DO DNA
Alterações no padrão de metilação 
e a carcinogênese 
“Memória epigenética” 
 A metilação em ambas as fitas permite reproduzir o padrão após a 
replicação do DNA. 
 Metilases de manutenção reconhecem fitas hemimetiladas e 
adicionam grupos metil às citosinas correspondentes. 
 
 
 
 
 
 
 Importância da hemimetilação para o reconhecimento de pareamentos 
errados durante a replicação. 
 
5- hidroximetilcitosina (5hmc) 
 Ocorre em menos de 1% das C em mamíferos; altos níveis em 
neurônios e células embrionárias. 
 É intermediária na remoção do grupo metil: 5hmc depende de 5mc 
pré-existente. 
 
 5-hidroximetilcitosina 
ON 
Atividade 
transcricional 
Modificação de histonas 
Classes de histonas 
H1, H2, H3 e H4 
Modificações pós-traducionais : 
acetilação, metilação, 
fosforilação e ubiquitinação 
Funções: 
Empacotamento do DNA e 
Regulação da expressão gênica 
Código de histonas 
 Código de histonas: 
 Conformação da cromatina 
Acetilação de histonas 
HDAC (desacetilação de 
histonas) 
HAT (acetilação de 
histonas) 
Cromatina ativa 
Cromatina inativa 
Lisin
a 
 A acetilação de histonas ocorre em resíduos de lisina 
Hiperacetilação de H3 e 
H4 – regiões ativas 
transcricionalmente 
Hipoacetilação de H3 e H4 
– regiões de baixa 
atividade trascricional 
Fosforilação de histonas 
 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 
 Condensação da cromatina – fosforilação de T3, S10, T11 e S28 
na H3 
 Descondensação da cromatina – fosforilação da H1 
 Compactação da cromatina e apoptose 
 Resíduo fosforilado pode determinar o reparo do dano ou a 
apoptose da célula 
 
 
 
 
 
 
 
 Os mesmos eventos de fosforilação podem estar relacionados com múltiplos processos de 
modulação da cromatina; 
 Existe uma interação entre as modificações pós-traducionais (MTPs) que ocorrem nas 
histonas – caudas das histonas representam uma “plataforma” para várias MTPs. 
 
Metilação de histonas 
 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 
(regiões de heterocromatina, X inativado e promotores silenciados) 
enquanto H3K4me sugere DNA transcricionalmente ativo (promotores 
ativos). 
 H3K4me3 – promotores ativos 
Fatores de remodelamento de 
cromatina 
 Complexo SWI/SNF – 9 a 12 subunidades que são recrutadas para 
promotores específicos e atuam no remodelamento da cromatina: 
 
 “Deslizamento” do octâmero de histonas ao 
longo do DNA, reposicionando o nucleossomo; 
 Afrouxar a fita do DNA sobre o nucleossomo; 
Alteração da conformação do nucleossomos, 
reorganizando seus componentes; 
 
“Construir” um local promotor 
acessível para a maquinaria 
transcricional 
Perfil demodificação de 
histonas 
 Inúmeras enzimas atuam em conjunto para adicionar e remover 
modificações covalentes nas histonas, interagindo entre si e com outros 
mecanismos para manter a conformação da cromatina e o controle da 
transcrição. 
 Relação entre acetilação e metilação de histonas 
 
 
Cromatina “fechada” – repressão 
transcricional 
Cromatina “aberta” – ativação 
transcricional 
Perfil de modificação de 
histonas 
 Inúmeras enzimas atuam em conjunto para adicionar e remover 
modificações covalentes nas histonas, interagindo entre si e com outros 
mecanismos para manter a conformação da cromatina e o controle da 
transcrição. 
 Marcas epigenéticas recrutam demais mecanismos para 
 manutenção do estado da cromatina 
 
“Memória Epigenética” 
 Durante a replicação do DNA, o octâmero de histonas não se dissocia 
completamente, de forma que as fitas recém-sintetizadas têm seus 
nucleossomos montados a partir de histonas novas e antigas. 
 
 Replicação de cromatina Replicação do DNA e das características da cromatina 
Diferentes tipos de cromatina são 
replicadas em momentos distintos 
(origens de replicação ativadas 
distintamente) para manter o 
padrão de cromatina de cada uma. 
RNAs não codificadores 
(siRNA e miRNA) 
 RNAs não codificadores atuam no silenciamento transcricional e pós-
transcricional. 
 
 Regulam a expressão de genes ao interagir com seus mRNAs 
 
 Há interferência na expressão gênica: 
 Regulação por RNA de interferência 
Epigenética... 
Conjunto das modificações nucleares herdadas e que modulam a 
expressão gênica, mas não envolvem modificações na sequência de DNA. 
Replicação de cromatina 
Grau de compactação da cromatina 
 
 
Acesso aos promotores gênicos 
 
Adição/Remoção de grupos funcionais 
 
Recrutamento de outros fatores e mecanismos que 
promovem a manutenção do estado de cromatina 
 
Remodelamento da cromatina 
Fenômenos epigenéticos 
Inativação do X 
Imprinting genômico 
Inativação do X 
 Organismos com sistema de determinação sexual XX/XY e XX/X0 
precisam equalizar a dosagem dos genes ligados ao X em ambos os sexos. 
 
 Compensação de dose Inativação do X nas fêmeas (mamíferos) 
 
 Hipótese de Lyon: 
 Nas células somáticas femininas, apenas um cromossomo 
X é transcricionalmente ativo; 
 A inativação do X ocorre entre o 13º-16º dia da vida 
embrionária; 
 É aleatório e fixo para todas as células descendentes; 
 
 Determina um mosaicismo somático 
 
 Exemplo: Cor de pelagem ligada ao X – gatos Tortoiseshell 
Processo de inativação do 
X 
 XIC (Xq13) 
 Centro de Inativação do X – contém o gene XIST 
XIST 
 Transcrito específico de inativação do X Inativa o X 
 Essencial para iniciar o processo de inativação, posteriormente 
mantido por outros mecanismos 
 No início do desenvolvimento embrionário ambas as cópias de XIST 
estão ativas – Metilação inativa um deles 
 XIST silenciado = cromossomo NÃO pode ser inativado 
 
 
 X ativo tem XIST hipermetilado 
 
 
 XIST é expresso somente pelo cromossomo inativo (para inativá-lo). 
 ncRNA XIST se associa a toda a extensão do o cromossomo X a ser 
inativado = INATIVAÇÃO DO X – corpúsculo de Barr. 
 
 
 
 
 
 
A inativação é mantida pela metilação ao longo desse cromossomo. 
 
 Vários fatores estão relacionados a este processo, controlando e auxiliando a 
 inativação. Ex.: Tsix regula a expressão de XIST: Tsix ativo = XIST reprimido = X ativo 
Processo de inativação do 
X 
Inativação do X 
 A inativação não é completa: 
 Região pseudoautossômica (homologia com cromossomo Y) 
 Região pericentromérica 
 30% dos genes do braço curto 
 Inativação variável entre os indivíduos 
Síndrome de Turner (X0) 
 
 Falhas da inativação do X: 
 
 
 Em células embrionárias, após o 13º-
16º dia, a não inativação de um dos 
cromossomos X é um evento letal. 
 
 Em células somáticas é um evento 
raro, podendo ocorrer em células 
normais ou neoplásicas. 
 
Imprinting genômico 
 Expressão gênica diferencial: o alelo é expresso na dependência de sua 
origem (materna ou paterna). 
 Exceção ao padrão de herança Mendeliana. 
 Mediado por metilação das ICRs (Região de Controle de Imprinting). 
 
 O padrão de genes metilados da mãe e do pai são transmitidos para o filho 
 
 
 
 
 
 Gene imprintado: expressão condicionada por sua origem parental. 
Espermatogênese - Padrão de metilação paterno 
Oogênese - Padrão de metilação materno 
Hemizigose: 
apenas uma 
cópia metilada 
Influências ambientais 
 
Epigenética e nutrição 
 Determinados componentes bioativos de alimentos podem alterar a 
expressão gênica via alterações na metilação do DNA e modificações de 
histonas. 
 Disponibilidade do doador de grupos metil (SAM): 
 É dependente de vias metabólicas relacionadas às vitaminas B6 e B12 – 
deficiência de vitamina B compromete a metilação do DNA; 
 Envolve folato, betaina e colina e aminoácidos – consumo crônico de álcool 
pode alterar a disponibilidade de SAM através do disperdício de metionina e 
colina ou por diminuir a disponibilidade de vitamina B; 
 EGCG (polifenol - chá verde): pode diminuir a metilação global do DNA, 
em linhagens celulares de câncer, pela inibição competitiva de 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. 
Epigenética e a dieta materna 
 A transmissão materna de marcas epigenéticas pode ser alterada por 
nutrientes: 
 Consumo materno de vitamina B está associado com mudanças no 
risco de carcinogênese mamária e de cólon na prole; 
 ↑ consumo materno de colina, em ratas, aumenta os níveis de 
metilação de histonas (H3K9me2 e H3K27me3) – possivelmente 
devido ao aumento na expressão de HMT; 
 Dieta rica ou pobre em proteínas, em porcas, pode alterar a 
metilação global do DNA na prole, através de mudanças na 
expressão das DNMTs; 
Epigenética e experiências na 
infância 
 Influência do ambiente de infância no sistema nervoso central e 
resposta ao estresse na vida adulta: 
 Comparação de padrões epigenéticos do hipocampo entre vítimas 
de suicídio com e sem histórico de abuso na infância – ↑metilação 
do promotor de NR3C1 = ausência do receptor 
 Estresse social (frustração social) em camundongos jovens está 
relacionado a mudanças epigenéticas no hipocampo – prole exibe 
comportamento depressivo e ansiedade. 
 
 Experiências na infância resultam em alterações moleculares na 
resposta cerebral ao estresse via mudanças nos padrões epigenéticos. 
Epigenética e envelhecimento 
 As “assinaturas” epigenéticas tendem a mudar naturalmente com a idade: 
 
 
 
 
 
 No entanto, não está claro se os padrões epigenéticos são programados ou 
estocásticos. 
 O mesmo padrão de metilação do DNA observado no envelhecimento 
aparece no desenvolvimento do câncer – hipermetilação de genes supressores 
de tumor. 
 Terapêutica: compreensão das marcas epigenéticas relacionadas ao 
envelhecimento e proposta de intervenção farmacêutica e de dietas. 
Hipermetilação de 
determinados promotores 
ao longo do genoma 
Diminuição da metilação 
global de DNA 
Alterações no padrão de 
modificação de histonas 
indicando região 
heterocromática – 
repressão da transcrição 
Epigenética e doenças 
Epigenética e doenças 
Epigenética como fonte de 
variabilidade 
Epigenéticacomo fonte de 
variabilidade 
Alterações adquiridas podem ser 
herdadas... Lamarckismo??? 
 Efeitos ambientais podem influenciar o epigenoma de um indivíduo. A 
partir do momento que o compõe, pode ser passível de herança. 
 
 A epigenética não corrobora o Lamarckismo 
 
Princípio fundamental: Lei do uso e desuso (o que era 
adquirido como “influência” do ambiente advinha do 
uso ou não uso da estrutura em questão) 
 
A epigenética traz a ideia da herança de informações 
sem alterar a sequência de DNA, com influência do 
ambiente no qual o indivíduo se desenvolve, mas não 
toca na questão principal que fundamenta o 
Lamarckismo... 
 
 
Atividade proposta 
 
 
Síndrome de Prader-Willi 
Síndrome de Angelman 
Síndrome Beckwith-Wiedemann 
Câncer 
Doença de Huntington 
Doença de Alzheimer 
Esclerose múltipla