Empacotamento do DNA e estrutura da cromatina

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EMPACOTAMENTO DO DNA
E
ESTRUTURA DA CROMATINA
Como o material genético está organizado?
Material Genético
(DNA ou RNA)
• Organização estrutural (ptns ligadores de DNA)
• Organização Helicoidal do cromossomo (resultante da ação de enzimas) 
Partícula viral, bactéria ou um núcleo
Empacotamento (processo de compactação)
Empacotamento de genomas virais
Partícula viral
- Capsídeo
- DNA ou RNA
Vírus do Mosaico do Tabaco (TMV)
• Vírus de RNA fita simples
• Centro de nucleação (local 
onde a estrutura em grampo 
se forma)
• Ptns se ligam no centro de 
nucleação e de forma 
bidirecional atingem as 
extremidades do RNA
Empacotamento de genomas virais
Partícula viral
- Capsídeo
- DNA ou RNA
Fago l
• Vírus de DNA
Empacotamento de genomas bacterianos
Genoma bacteriano DNA cromossomal (cromossomo bacteriano)
Plasmídeos
Cromossomo circular bacteriano é organizado em estruturas chamadas nucleóides
Quando observadas ao 
microscópio, essas estruturas 
podem ser vistas como um 
aglomerado compacto que ocupa
cerca de um terço do volume da 
célula. Quando as células são 
rompidas ou lisadas, o DNA pode 
ser visualizado como fi bras em 
formato de alças, ligadas ao 
envelope celular rompido
Pequeno DNA, normalmente circular que coexiste com o cromossomo bacteriano
Alguns tipos são capazes de integrar no genoma, mas outros permanecem independentes 
permanentemente
Carregam genes que normalmente não estão no cromossomo bacteriano, e em muitos casos não são 
genes essenciais
São capazes de serem transferidos de uma célula para outra 
Plasmídeo
Etapas do empacotamento do cromossomo de E. coli
- Ptns HU e H1 estão envolvidas na condensação do DNA
- A presença de RNA tb foi observada nos nucleóides
DNAse
Organização do DNA bacteriano
• Compactado em uma estrutura nucleóide
• Possuem ptns SMC (structural maintenance of chromossomes)
formando um arcabouço cromossômico
• O cromossomo circular é organizado em alças
• Não formam nucleossomos
O que significa DNA supercoil ou DNA supertorcido ou
superespiralado?
espiral
superespiral
* O supercoil irá se formar quando o DNA 
estiver sujeito a alguma tensão estrutural. 
Essa tensão é provavelmente regulada
pela célula para induzir a supertorção da 
molécula 
Estrutura terciária: supertorcida, superenrolada,super helicoidal
ou supercoil 
Estruturas estudadas em Topologia
O que causa a tensão no DNA, levando a 
formação de um supercolid?
Na maioria das vezes, essa tensão é 
provocada por um desenrolamento (distorção) 
da dupla hélice de DNA, ou seja, o DNA 
apresenta menos voltas do que
o observado na estrutura de Watson e Crick.
105pb (10,5 pares de bases para cada volta)
(Remoção de uma das voltas (subenrolamento) 
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 subenrolar/ 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
Logo, o desenrolamento tem duas finalidades:
1- promover a compactação na forma de espiral;
2- facilitar a separação das fitas e o acesso das enzimas de replicação e 
transcrição do 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
Após a replicação, os 
cromossomos 
bacterianos filhos 
estão topologicamente 
interligados
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 através de um 
mecanismo dependente de ATP
• Em bactéria
Tipo I (I e III): em geral relaxam o DNA introduzindo quebras temporárias em
uma das fitas para remover as supertorções
Tipo II 
II ou girase – introduzem supertorções
IV – função especializada na dissociação dos cromossomos-filhos catenados,
Permitindo sua segregação na divisão celular
• Em eucarioto
Tipo I (I e III) relaxam as supertorções (reparo e replicação do DNA)
Tipo II (IIa e IIb) relaxam as supertorções (reparo, replicação e transcrição do DNA)
Ação da Topoisomerase II
As enzimas topoisomerase II quebram as duas fitas 
ao mesmo tempo e podem introduzir ou retirar 
superespiras, duas de cada vez, em um mecanismo 
dependente de ATP. As enzimas cortam as duas fi 
tas do DNA, prendem-se às extremidades através 
de ligações covalentes, passam a dupla fita através 
do corte e selam a quebra.
DNA : Supertorção
Tipo II
Tipo I
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
As duas formas de superenrolamento, solenoidal e 
plectonêmico, podem ser assumidas por um
mesmo DNA subenrolado. Além disso, as duas formas 
são interconversíveis. A forma plectonêmica é mais 
estável em solução, mas a forma solenoidal
pode ser estabilizada pela ligação de proteínas, e é a 
forma encontrada na cromatina.
ESTRUTURA DOS CROMOSSOMOS 
EM EUCARIOTOS
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 O material genético das células eucarióticas é subdvidida em múltiplos 
cromossomos (diplóide 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 cromossomoshumanos (22 nas céluas somáticas + 
2 nas células sexuais;
o DNA também está presente nas mitocôndrias e cloroplastos;
Cromossomos Eucarióticos
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
Cromossomos mitóticos
Compactação do DNA no núcleo
Cromossomos artificiais
- Centrômero
- Telômero
- Origens de replicação
Exemplos:
Cromossomos artificiais de leveduras (YACs)
Cromossomos artificiais humanos (HAC)
Compactação do DNA eucariótico
 Cromatina é formada principalmente por DNA e proteínas.
- 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. O DNA é enrolado ao redor das histonas formando 
os nuleossomos.
Corta o DNA onde ele
Não estiver associado 
A proteínas
Nuclease protection analysis of chromatin from human nuclei
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 = nucleossomo
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 
(arginina e lisina)
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 pois 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 enrolado no 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.
Modificações Covalentes das Histonas
Formação do segundo nível de compactação da cromatina (fibra de 30nm)
A organização da fibra de 30 nm
 Modelo Solenóide
 Modelo Zigue-zague
Em uma mesma fibra de cromatina, pode-se observar os dois modelos
e organização
A organização da fibra de 30 nm
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
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
3° Nível de compactação: Fibra de 300nm
Organização em alças que contém entre 50 e 150kb
Estão associadas na base por poteínas específicas
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: 
cromossomos formados por dezenas de cromátides 
sobrepostas, formadas por repetidas duplicações dos 
filamentos sem divisão celular.
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 apresentam 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
 Os cromossomos politênicos de glândula salivar de Drosophila apresentam 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 cromatina interfásica está dividida emHeterocromatina & 
Eucromatina:
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
“prendem”as cromátides irmãs
Condensinas: proporcionam o arcabouço estrutural
Geral para a condensação cromossômica.
Condensina – condensação da cromátide
Coesinas – junçao das cromátides irmãs
Papel das coesinas e condensinas no arcabouço 
dos cromossomos mitóticos
Chromosome Territories: The Arrangement of Chromosomes in the Nucleus
Tom Misteli, Ph.D. (National Cancer Institute, Bethesda, MD) © 2008 Nature Education
Citation: Misteli, T. (2008) Chromosome territories: The arrangement of chromosomes in the nucleus.Nature Education 1(1):167
Como é a organização dos cromossomos no núcleo das 
células que não estão se dividindo?
Em 1960-1970 técnicas de microscopia eletrônica mostraram que os cromossomos sofrem uma 
dramática mudança estrutural durante a transição de mitose para a interfase, e estas estruturas 
existem como estruturas descondensadas entre as divisões celulares. 
No entanto, a microscopia não revelou como os cromossomos estão organizados no núcleo das 
células que não estão sofrendo mitose e nem a distinção de um cromossomo do outro. 
Modelo espagueti
Vários cromossomos se sobrepõem aleatoriamente
Modelos de organização dos cromossomos
Modelo de território cromossomal
Cada cromossomo ocupa um volume definido no núcleo 
e se sobrepõe com o vizinho
Figure 2 : Two models of chromosome organization.
A) The chromosome territory model. B) The spaghetti model. The two 
models make distinct predictions when tested in a marking experiment. 
Upon marking of a nuclear subvolume, model A predicts marking of a small 
subset of chromosomes, model B marking of many. These models were 
tested by irradiating a subsection of the nucleus using a microlaser and 
mapping of damaged regions in subsequent mitosis.
Figure 1 : Chromosome territories in the chicken.
a) Stained, diploid spread of chicken metaphase chromosomes. b) Same spread after multicolor FISH with pseudocolored 
chromosomes. c) Probes were detected using antibodies. d) Mid-plane light optical section through a chicken fibroblast nucleus 
shows mutually exclusive chromosome territories with homologous chromosomes seen in separate locations.
Fluorescence in situ hybridization (FISH), sondas marcadas com compostos fluorescentes hibridizam de 
maneira complementar com uma sequencia de um cromossomo específico localizado em um núcleo intacto. 
Estes experimentos demonstraram de uma maneira direta a natureza territorial dos cromossomos.
Figure 3 : Visualization of chromosome territories by fluorescence in situ hybridization.
A) Chromosome territories (green) in liver cell nuclei (blue). B) Visualization of multiple chromosomes reveals spatial patterns of organization. 
Chromosomes 12 (red), 14 (blue), and 15 (green) form a cluster in mouse lymphocytes.
https://www.youtube.com/watch?v=nm8Ai1CI9Is