Estrutura molecular da cromatina

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Unidade II - Cromossomos e 
Reprodução Celular 
Estrutura Molecular da 
Cromatina 
Capítulo 11 do Livro-texto: Estrutura 
dos Cromossomos e Elementos de 
Transposição (páginas 273-283) 
O problema da compactação 
1 Kb  103 pb 
1 Mb  106 pb 
1 Gb  109 pb 
Genoma humano 
3 x 109 pb 
1 conjunto haplóide 
(23 cromossomos) 
Se completamente estendidas e alinhadas 
linearmente, as moléculas de DNA de um conjunto 
haplóide de cromossomos, presentes em uma célula 
somática humana, teriam que comprimento? 
1 volta da dupla-hélice 
10 pares de bases (pb) 
3,4 nm (34 Å) 
Sulco menor 
Sulco maior 
Para fazer o cálculo, vamos considerar que os 
cromossomos não estão duplicados (i.e., cada 
cromossomo contém uma única cromátide) 
Ou seja, cada cromossomo contém uma única 
molécula de DNA (hélice dupla) 
Se completamente estendidas e alinhadas 
linearmente, as moléculas de DNA presentes 
em uma célula somática humana (contendo 
dois conjuntos haplóides de cromossomos) 
ocupariam um comprimento de 2 metros 
Mesmo em procariotos, como Escherichia coli 
por exemplo, o tamanho do DNA genômico é 
muito maior do que a célula que o contém 
Cromossomo de E. coli = ~4,6 Mb 
4.288 genes (codificando proteínas) 
Nucleóide Bactéria Cromossomo Plasmídeo 
No núcleo das células eucarióticas, o DNA 
nunca está livre, mas sempre complexado 
com proteínas 
Esse complexo de ácidos nucléicos (DNA e 
RNA) e proteínas nucleares (histonas e 
outras) é chamado de cromatina 
Interação com proteínas 
(histonas e outras) 
cromatina 
Funções da cromatina 
 Empacotamento do DNA genômico nuclear 
 Proteção do DNA contra danos 
 Controle da expressão gênica e replicação 
do DNA 
Tipos de cromatina 
 Eucromatina 
 Heterocromatina 
 Cromossomos 
Organização dinâmica da cromatina 
 Eucromatina 
 
 Heterocromatina 
 
 Cromossomos 
Grau de 
compactação 
Eucromatina 
 Cromatina no menor estado de compactação 
 Sofre condensação (divisões celulares) e 
descondensação (interfase) a cada ciclo celular 
 Transcricionalmente competente (fibra de 10 nm) 
 Acessível à maquinaria de transcrição 
 Alta densidade de genes 
Heterocromatina 
 Cromatina em maior estado de compactação (em 
relação à eucromatina) 
 Apresenta-se altamente condensada ao longo de todo 
o ciclo celular (mesmo na interfase), exceto durante a 
replicação do DNA (fase S) 
 Transcricionalmente inativa (fibra de 30 nm ou níveis 
de organização superiores) 
 Pode ser constitutiva ou facultativa 
Nu-núcleo, E-eucromatina, 
H-heterocromatina, RER-retículo 
endoplasmático rugoso, G-complexo de 
Golgi 
Heterocromatina constitutiva 
 Constituída de DNA repetitivo (DNA satélite), não 
codificador 
 Ocorre nos centrômeros, ao redor deles (região 
pericentromérica), nos telômeros e em outras 
regiões dispersas no genoma 
 Por exemplo, nos cromossomos humanos 1, 9, 16 e Y 
 Nunca é transcrita 
Heterocromatina facultativa 
 Pode existir tanto na forma potencialmente ativa 
(descondensada) ou no estado inativo (condensada) 
 A atividade transcricional depende do tipo de célula 
 Exemplo: inativação de um dos cromossomos X nas 
fêmeas dos mamíferos 
Cromossomos 
 Estado máximo de compactação da cromatina 
 Divisões celulares (mitose e meiose) 
 Transcricionalmente inativos 
 Níveis de organização estrutural superiores à 
fibra de 30 nm 
Cada estado de condensação da 
cromatina corresponde a um nível de 
organização estrutural distinto 
 Eucromatina ativa  fibra de 10 nm 
(nucleossomos estendidos) 
 
 Eucromatina inativa e Heterocromatina  fibra 
de 30 nm (solenóide) 
 
 Cromossomos  níveis de organização superiores 
As histonas são as proteínas 
majoritárias da cromatina 
Histonas 
Histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4 
H5 ao invés de H1: eritrócitos de aves 
CENP-A (centromere protein A) ao invés de H3: 
nucleossomos do centrômero de muitos 
eucariotos 
Proteínas cromossômicas não histonas 
 Função estrutural 
Proteínas do arcabouço (scaffold) cromossômico; 
condensina e topoisomerase II 
Proteínas do cinetócoro 
Proteínas que revestem os telômeros (complexo 
shelterina) 
 Função em processos genéticos 
Replicação: DNA polimerases, helicases, primases 
Transcrição: RNA polimerases, fatores de 
transcrição, acetilases 
Histonas 
 Proteínas globulares e pequenas (~110-150 aa) 
 Básicas: ricas em arginina (arg, R) e lisina (lys, K) 
 Podem sofrer várias modificações pós-traducionais: 
acetilação (CH3COO–), fosforilação (PO4
-3), 
metilação (CH3–), citrulinação, ubiquitinação, 
SUMOilação, ADP-ribosilação 
 H3 e H4: muito conservadas evolutivamente 
 
Algumas propriedades das histonas 
Histona 
Peso molecular 
(Da) 
(K + R) 
% 
Tamanho 
(aa)* 
H1 21.130 30 223 
H2A 13.960 20 129 
H2B 13.774 22 125 
H3 15.273 23 135 
H4 11.236 25 102 
* número de aminoácidos (aa) 
Lisina (K) Arginina (R) Histidina (H) 
Aminoácidos com grupo R com carga positiva 
Estrutura molecular da cromatina 
 Nucleossomos 
 Fibra de 10 nm (nucleossomos estendidos) 
 Solenóide ou fibra de 30 nm 
 Níveis de organização superiores 
Estrutura do Nucleossomo 
Unidade estrutural básica da cromatina 
 Partícula de forma cilíndrica, constituída por um 
segmento de DNA de fita dupla com cerca de 
146 pb (145 a 147 pb) associado a um octâmero 
de histonas 
Octâmero de Histonas 
Ocupa o cerne do nucleossomo 
Constituição do octâmero: [(H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2] 
O segmento de DNA se enrola no octâmero 
de histonas na forma de uma superhélice 
com giro para esquerda 
Cada segmento de 146 pb dá ~1,7 voltas ao 
redor do octâmero de histonas 
Rigorosamente, o termo nucleossomo 
compreende a partícula cerne em si mais um 
segmento adjacente de DNA de ligação 
A estrutura do nucleossomo é estabilizada por 
pontes salinas (interações eletrostáticas e 
pontes de hidrogênio) entre as cadeias laterais 
de lisina e arginina (das histonas) e os átomos de 
oxigênio dos grupos fosfato (no DNA) 
H2A 
H2B 
H3 
H4 
Cauda N-terminal da Histona H3, que 
se projeta para fora do nucleossomo 
E a histona H1, qual a sua função? 
 A histona H1 localiza-se na base do nucleossomo, no 
ponto de entrada e de saída do segmento de hélice-
dupla que envolve o octâmero de histonas 
 Nesse ponto, A histona H1 se liga a um segmento de 
DNA com 20 a 22 pb 
A histona H1 age como uma presilha, contribuindo para 
manter a estrutura do nucleossomo 
 A partícula central do nucleossomo juntamente com 
a histona H1 é chamada de cromatossomo 
 O segmento de DNA que envolve cada 
cromatossomo tem cerca de 167 pb 
 A histona H1 também interage com o DNA de 
ligação entre os nucleossomos, ajudando a 
estabilizar a fibra de 30 nm 
Fibra de 10 nm 
 Constituída por nucleossomos estendidos (dispostos 
de forma linear) 
 Um segmento de DNA livre ou de ligação (30 a 40 
pb) ocorre entre nucleossomos adjacentes 
 Esse é o menor nível de compactação da cromatina 
DNA de ligação 
(30 a 40 pb) 
Nucleossomo (octâmero 
de histonas + segmento de 
DNA com 146 pb) 
DNA de ligação 
Nucleossomo 
Histonas 
do 
octâmero 
Histona H1 
Fibra de 30 nm ou solenóide 
 Produzida a partir do enrolamento da fibra de 10 
nm em uma solenóide 
 Cada volta da solenóide contem 6 nucleossomosdispostos radialmente 
 A histona H1 é essencial para estabilização dessa 
estrutura 
30 nm 
Histona H1 
Nucleossomo 
Seção transversal da 
solenódie (diâmetro 
de 30 nm) 
Cromossomo metafásico 
Fibra de cromatina com 
300 nm de diâmetro 
Cromátide 
(700 nm de diâmetro) 
Alças formadas pela 
fibra de 30 nm 
 Há um modelo alternativo para a fibra de 30 nm, 
chamado de zigue-zague 
Solenóide Zigue-zague 
Fibra de 30 nm 
Fibra de 10 nm 
Nucleossomo 
Níveis de organização estrutural 
superiores 
Proteínas não histônicas, do arcabouço do cromossomo 
Alça (loop) contendo de 
20 a 100 kb de DNA e 
com 300 nm de tamanho Fibra de 30 nm 
Arcabouço do cromossomo, formado por 
proteínas não histônicas 
Alça de DNA 
Micrografia eletrônica de um 
cromossomo após remoção 
das histonas 
Portanto, a cromatina se organiza 
em níveis crescentes de 
condensação 
Segmento de DNA 
Fibra de 10 nm 
Fibra de 30 nm 
Seção de uma 
cromátide condensada 
Cromossomo mitótico 
Centrômero 
Alças formadas 
pelo dobramento 
da fibra de 30 nm 
 
Alças 
Os diferentes estados de compactação 
da cromatina são interconversíveis 
Fonte: Stansfield, Colomé & Cano, 1996 
DNA de ligação Nucleossomos 
Fibra de 10 nm 
 
Fibra de 30 nm 
Topoisomerase II 
fosforilada 
Topoisomerase II 
defosforilada 
Alças 
Mudanças no nível de compactação da 
cromatina estão correlacionadas à 
atividade gênica 
Isso é bem evidenciado no estudo dos 
cromossomos politênicos 
Cromossomos politênicos 
 Cromossomos gigantes 
 São tipicamente encontrados nas glândulas salivares 
de larvas de Diptera 
 Resultantes de várias duplicações sucessivas de DNA 
sem ocorrência de divisão celular (endomitose) 
 Nos cromossomos politênicos, as cromátides irmãs 
(até > 1.000) produzidas pelas sucessivas duplicações 
permanecem pareadas 
 Quando corados, os cromossomos politênicos apresentam 
caracteristicamente uma sucessão de bandas escuras 
intercaladas por bandas claras 
 Bandas escuras (cromômeros) → regiões de cromatina 
mais condensada (inativas transcricionalmente) 
 Bandas claras → regiões de cromatina menos condensada 
(ativas) 
Cromossomos politênicos de Chironomus riparius (Diptera) 
L  braço esquerdo (de left); R  braço direito (de right) 
Cromômeros 
(bandas escuras) Cromossomo 
politênico 
B – banda 
IB – interbanda 
P – Puff 
cabeça 
Glândula 
salivar 
 Sob certas condições, algumas regiões dos cromossomos 
politênicos apresentam puffs 
 Em cada puff a cromatina encontra-se em um estado de 
menor compactação 
 De fato, os puffs são regiões de ativa transcrição 
 Isso fica evidenciado pelas seguintes observações 
 Exposição a hormônios ou choque térmico, condições 
conhecidas como indutoras da transcrição gênica, 
estimulam o surgimento de puffs 
 Na presença de uridina marcada com trítio (3H), a 
radioatividade é prontamente incorporada nos puffs 
B – banda 
IB – interbanda 
P – Puff 
Antes 
Após o choque-térmico 
Segmento do 
cromossomo 3 de D. 
melanogaster 
Cromossomo corado para DNA 
(azul) e RNA Pol II (verde) 
Estado de condensação da 
cromatina versus atividade gênica 
DNA de ligação Nucleossomos 
Fibra de 10 nm 
 
Fibra de 30 nm 
Topoisomerase II 
fosforilada 
Topoisomerase II 
defosforilada 
Alças 
Eucromatina ativa (Ea) 
Eucromatina inativa (Ei) 
Heterocromatina (H) 
Cromossomo (C) 
Ea 
Ei, H 
H, C 
Durante a replicação do DNA (fase S), toda a 
cromatina é convertida pata fibra de 10 nm 
Modificações epigenéticas 
H2A 
H2B 
H3 
H4 
Cauda N-terminal da Histona H3, que 
se projeta para fora do nucleossomo 
As caudas N-terminais das histonas, projetando-se 
para fora do nucleossomo, são os sítios de várias 
modificações pós-traducionais 
Essas modificações estão envolvidas, por exemplo, 
na regulação da expressão gênica 
Acetilação, uma modificação epignética que afeta a estrutura das histonas 
Lisina Acetil-Lisina 
KAT (HAT)  lisina acetiltransferase (histona AT) 
HDAC  histona desacetilase 
Acetilação 
por KATs 
Desacetilação 
por HDACs 
Grupo acetil 
Grupo metil 
Grupo carbonil 
Como essas modificações nas histonas modulam sua interação 
com o DNA, afetando a competência transcricional da cromatina? 
Acetilação de histonas Desscetilação de histonas 
Cromatina mais 
condensada (inativa) 
Cromatina menos 
condensada (ativa)