Epigenética: Alterações Bioquímicas na Expressão Gênica

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Fernanda Carvalho, 4º semestre - TUT 04 1 Genética 
Epigenética 
 
DEFINIÇÃO: 
Quando se faz referência à epigenética, o 
prefixo “epi”, nesse contexto, não quer dizer 
que está acima da genética, mas sim algo 
mais próximo de “ao redor” da genética. 
o O termo epigenética foi utilizado pela 
primeira vez por Conrad H. Waddington, 
em meados da década de 40 – 
“Epigenetic landscape”; 
o Emergência de um eventual fenótipo em 
um organismo através do processo de 
desenvolvimento, este iniciado a partir de 
um perfil genético específico; 
o A relação entre fenótipo e genótipo não é 
linear e probabilística, não há um 
determinismo. Há influências de efeitos 
aleatórios ou ambientais; 
o Segundo Griffiths, Epigenética: alterações 
químicas não genéticas em histonas ou no 
DNA, que alteram a função gênica sem 
alterar a sequência do DNA; 
o Segundo Thompson, O campo da 
epigenética está crescendo rapidamente 
e consiste no estudo das mudanças 
hereditárias na função celular ou 
expressão gênica que podem ser 
transmitidas de uma célula para outra (e 
até mesmo de geração a geração), 
como resultado de sinais moleculares 
baseados na cromatina; 
o Estados epigenéticos complexos podem 
ser estabelecidos, mantidos e transmitidos 
por uma variedade de mecanismos: 
modificações no DNA, tais como a 
metilação do DNA; inúmeras 
modificações de histona que alteram o 
empacotamento da cromatina ou o 
acesso a ela; e substituição de variantes 
de histona especializadas que marcam a 
cromatina associada a sequências ou 
regiões particulares no genoma; 
o Essas mudanças de cromatina podem ser 
altamente dinâmicas e transitórias, 
capazes de responder rapidamente e de 
maneira sensível às necessidades de 
mudança na célula, ou podem ser de 
longa duração, capazes de serem 
transmitidas através de múltiplas divisões 
celulares ou mesmo para gerações 
subsequentes. Em ambos os casos, o 
conceito fundamental é que mecanismos 
epigenéticos não alteram a sequência de 
DNA subjacente e isso os distinguem de 
mecanismos genéticos, os quais são 
baseados na sequência. Juntas, as 
marcas epigenéticas e a sequência de 
DNA compõem o conjunto de sinais que 
orientam o genoma a expressar seus 
genes no momento certo, no lugar certo e 
nas quantidades certas. 
Como organismos geneticamente idênticos 
(gêmeos univitelinos ou os clones como esses 
camundongos das imagens) podem 
apresentar diferentes fenótipos? 
 
 
Pode-se pensar em vários fatores, dentre eles 
estão: expressão de diferentes genes, 
ativação e inativação de genes, genes que 
foram ativados e se expressaram foram 
diferentes. 
Pois bem, o que poderia justificar isso, então, 
seria os fenômenos epigenéticos, os quais são 
fenômenos aleatórios que modificam o DNA 
bioquimicamente, mas não alteram a 
sequência do DNA, pois se alterassem a 
sequência, não seria epigienética, mas sim 
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mutações. Entende-se, dessa forma, que, na 
epigenética, não terá alterações de 
sequência de DNA, mas sim alterações 
bioquímicas que acontecem na estrutura do 
DNA, como adição de radicais químicos, 
como por exemplo radical metil (metilação), 
adição de fosfato em histonas, acetilação de 
histonas associadas ao DNA, etc. 
Nesses indivíduos, então, terá uma diferença 
na expressão gênica e a epigenética irá 
regular a expressão gênica e ela se baseia 
em alterações bioquímicas que ocorrem na 
molécula do DNA sem alterar a sequência. 
 
 
A imagem acima retrata uma representação 
esquemática da cromatina e os três principais 
mecanismos epigenéticos: a metilação do 
DNA em dinucleotídeos CpG, associada à 
repressão gênica; várias modificações nas 
caudas das histonas, associadas tanto com a 
expressão quanto com a repressão gênica; e 
diversas variantes de histonas que marcam as 
regiões específicas do genoma, associadas a 
funções específicas necessárias para a 
estabilidade cromossômica ou integridade 
do genoma. 
 
 
 
Ao analisar esta imagem, pode-se inferir que: 
o Na primeira situação, em que você pensa 
em uma célula tronco embrionária, já se 
sabe que ela vai ter que se diferenciar em 
algum momento. O que faz ela se 
diferenciar é a expressão gênica; 
dependendo da necessidade da célula, 
terá uma ativação ou inativação de 
determinados genes. Essa ativação e 
inativação de genes irá depender do 
caminho que a célula seguir, nesse 
caminho ela será sinalizada por 
determinadas moléculas e essas 
moléculas estimulará ela a se diferenciar 
em determinada célula, e a mesma coisa 
irá acontecer em um outro caminho que 
a célula percorrer, o que fará ela se 
diferenciar em um outro tipo celular, e 
assim sucessivamente. Vale salientar, 
também, que não houve mutação para 
que isso ocorresse, mas sim uma ativação 
gênica, que é modulada através de 
mecanismos epigenéticos; 
o Na segunda situação, pensando em um 
indivíduo que tem uma predisposição, por 
exemplo, ao desenvolvimento de artrite 
reumatoide, dependendo da influência 
que ele sofra no meio, ele pode ter uma 
modulação de expressão gênica em 
cada um dos caminhos. Isso pode fazer 
com que ele, apesar da predisposição, 
seja um indivíduo saudável, pode fazer 
com que ele tenha uma doença mais 
persistente, uma doença precoce, etc. 
nota-se, então, que são vários caminhos 
distintos que podem acabar, por conta da 
exposição específica nesses caminhos, 
determinar exatamente o que o indivíduo 
irá apresentar fenotipicamente. 
 
 
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EPIGENÉTICA E EPIGENOMA: 
o Epigenética: refere-se ao estudo dos 
fatores herdados que modificam a 
expressão dos genes sem alterar a 
sequência de DNA; 
o 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. 
 
O epigenoma está muito ligado com o 
transcriptoma (conjunto de RNA mensageiro). 
 
A INFORMAÇÃO GENÉTICA: 
o Nem todos os genes são necessariamente 
expressos em todas as células de um 
organismo. A maioria está programada 
para permanecer reprimida. 
 
o Modificações epigenéticas são 
mecanismos moleculares que permitem 
preservar o estado inativo (cromatina 
fechada, condensada) por regenerar a 
estrutura repressiva da cromatina a cada 
rodada de replicação do DNA. Só serão 
mantidas relaxadas aquelas regiões da 
cromatina que contêm a informação 
genética dos genes que será preciso 
transcrever e traduzir daquela célula 
especificamente. Essas modificações 
bioquímicas são repassadas por geração; 
o A maior parte da cromatina estará 
fechada, compactada e, portanto, 
inativa. Para manter isso serão utilizados os 
mecanismos epigenéticos. 
 
o Essa imagem mostra o processo de 
diferenciação celular associado com a 
ativação e inativação de genes. De azul, 
tem os genes que são ativados em células 
indiferenciadas, e geralmente, quando 
uma célula ainda é indiferenciada, tem-se 
a expressão elevada desses genes. Mas 
observe que, no ponto que a célula de 
compromete com alguma linhagem 
específica (em verde), o nível de 
expressão desses genes (linha azul) 
começa a cair; isso porque são genes que 
se expressam mais em células 
indiferenciadas; 
o Se pensar nos genes da linha verde, esses 
genes são associados com a expressão 
das células que já se diferenciaram, então 
eles estão pouco expressos no início e 
quando a célula se compromete com 
uma linhagem, eles começam a 
aumentar a expressão; 
o Na linha vermelha, tem genes que são 
poucos expressos e tendem a diminuir a 
sua expressão a partirdo momento que 
ela se diferencia. Então, esses genes 
alternativos estão muito associados com 
mecanismos de bloqueio no nosso 
material genético; 
o E para que se consiga aumentar a 
expressão desses genes específicos, é 
preciso diminuir os genes de bloqueio (em 
vermelho). 
 
MECANISMOS EPIGENÉTICOS: 
 
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 Metilação de citosinas: 
o Modificação covalente do DNA: 
substituição do H5 de citosinas por um 
grupo metil (doador: S-adenosilmetionina 
– SAM); 
o Essa doação é feita por enzimas 
específicas conhecidas como DNA 
metiltransferases em mamíferos: DNMT1, 
DNMT2, DNMT3A). 
 Tipos: 
 De manutenção; 
 De novo. 
 
Observa-se na imagem que, apesar de a 
segunda sequência de DNA ter sofrido 
metilação, as duas sequências continuam 
iguais, não houve alteração. Porém, a 
metilação que ocorreu na citosina, pode 
mudar a forma na qual o gene se expressa 
(pode aumentar ou diminuir a expressão 
gênica). 
 
METILAÇÃO DE CITOSINAS NO DNA: 
 Essa metilação de citosinas ocorre em 
pontos específos do DNA, que são as 
regiões conhecidas como ilhas CpG 
(regiões do material genético ricas em 
citosinas e guaninas) e inibe a expressão 
gênica pelo recrutamento de proteínas 
específicas de ligação a metil‑CpG, que, 
por sua vez, recrutam enzimas de 
modificação da cromatina para silenciar 
a transcrição; 
 Ocorre nas sequências CpG in tandem, 
em ambas as fitas de DNA; 
o Ilhas CpG (geralmente encontradas nos 
promotores e nas regiões intergênicas 
{regiões com papeis regulatórios – 
íntrons}); 
o Em mamíferos, 60% - 90% de todas as CpGs 
estão metiladas. 
Mas afinal, o que essa metilação faz? 
A resposta é: depende. 
 
 Não interfere no pareamento das bases 
nitrogenadas, mas adiciona informações: 
o Grupo metil posicionado no sulco maior 
do DNA (na parte externa; e por isso não 
interfere no seu pareamento); 
o Controle da ligação de proteínas ao DNA; 
o Organização da cromatina e expressão 
gênica (frequentemente silenciamento 
gênico). 
 
Sendo assim, pode-se afirmar que, se a 
maioria dos nossos promotores gênicos estão 
inativos nas nossas células, é correto dizer que 
a maioria dos promotores gênicos de nossas 
células estão metilados. Então, o mecanismo 
epigenético de metilação é fundamental 
para mantermos o estado inativo dos nossos 
genes nas células que não necessitam deles. 
 
Essas metilações mantêm normalmente os 
genes inativos, pois são mecanismos 
epigenéticos fundamentais para mantermos 
o estado de inativação dos promotores 
gênicos e fazer com que eles não se 
expressem desnecessariamente nas nossas 
células. 
 
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ALTERAÇÕES NO PADRÃO DE METILAÇÃO E A 
CARCINOGÊNESE: 
 
o Alterações neste equilíbrio podem 
comprometer a expressão de genes 
críticos (oncogenes e genes supressores 
tumorais), 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. 
 
Percebe-se, na imagem, que onde tem o 
processo tumoral estabelecido (câncer), 
abaixo da sequência normal, houve uma 
modificação no perfil de metilação se 
comparado com a sequência normal. 
Consequentemente, houve um bloqueio da 
expressão gênica, pois agora a cromatina 
encontra-se condensada (cromatina 
fechada não tem como fazer a leitura, sendo 
assim não gera RNAm e não gera expressão 
gênica). Os genes que precisam ser 
bloqueados para o estabelecimento do 
câncer são os genes supressores tumorais e os 
genes de reparo, os quais vão apresentar 
uma hipermetilação de ilhas CpG e, 
consequentemente, um bloqueio do 
processo transcricional, e esses genes 
bloqueados vão proporcionar o 
estabelecimento do tumor. 
 
Essa imagem aborda o mecanismo de 
metilação acontecendo e também sobre 
como os fatores ambientais podem modular 
essa resposta ao processo de metilação ou 
como os processos ambientais podem gerar 
a metilação. 
Observa-se, então, dois camundongos, e na 
região promotora de um deles (o marrom) 
tem a metilação, já no outro a região 
promotora não está metilada. Sabe-se que 
normalmente, na maior parte das situações, 
quando o gene está metilado, ele fica inativo, 
e é por isso que pode-se perceber que o gene 
do camundongo marrom está produzindo 
pouco RNAm, já no camundongo amarelo 
(em que não tem metilação), há uma 
produção maior de RNAm desse mesmo 
gene. 
Quando o gene não está metilado: 
o Camundongo com a pelagem amarela e 
com predisposição ao aparecimento de 
tumores e obesidade; 
Quando o gene está metilado: 
o Camundongo saudável e com pelagem 
marrom. 
E aí percebeu-se que, mudando a dieta 
desses camundongos durante a gestação 
(antes do nascimento) com suplementação 
específica, fez com que uma boa parte deles 
nascessem saudáveis. Eles nasceram 
saudáveis e marrons porque, aquilo que foi 
ingerido na gestação, foi capaz de gerar a 
metilação que eles não tinham 
anteriormente. Logo, percebe-se que aquilo 
que se ingere ou que se está exposto estão 
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associados com os mecanismos de metilação 
do DNA. E aí observa-se na imagem que os 
camundongos que não fizeram 
suplementação dietética durante a 
gestação, a maior parte nasceu com 
problemas, como tumoração e obesidade. 
Então, existe uma associação muito grande 
dos fatores ambientais com os mecanismos 
epigenéticos. 
 
“MEMÓRIA EPIGENÉTICA”: 
o A metilação em ambas as fitas permite 
reproduzir o padrão após a replicação do 
DNA -> as metilações podem ser herdadas 
de geração em geração; 
o Metilases de manutenção reconhecem 
fitas hemimetiladas (híbridas: fitas mães 
metiladas e fitas filhas não metiladas) e 
adicionam grupos metil às citosinas 
correspondentes; 
o Importância da hemimetilação para o 
reconhecimento de pareamentos errados 
durante a replicação. 
 
 
 Modificação de histonas: 
o Sabe-se que as histonas são proteínas 
básicas que enovelam o material 
genético. Para que o material seja 
transcrito é preciso modificar as histonas 
covalentemente e isso vai alterar a 
expressão gênica (alterações: acetilação, 
metilação, fosforilação, ubiquitinação); 
o Uma segunda classe de sinais 
epigenéticos consiste em uma lista 
extensa de modificações em qualquer 
dos tipos principais de histonas, H2A, H2B, 
H3 e H4. Essas modificações incluem a 
metilação, a fosforilação, a acetilação 
das histonas e outros, ocorrendo em 
resíduos de aminoácidos específicos, 
localizados principalmente nas “caudas” 
N‑terminais de histonas, que se estendem 
para fora a partir do centro do 
nucleossomo; 
o Acredita‑se que essas modificações 
epigenéticas influenciem a expressão 
gênica, afetando a compactação da 
cromatina ou sua acessibilidade e 
sinalizando complexos de proteínas que, 
dependendo da natureza do sinal, ativam 
ou silenciam a expressão gênica naquele 
local. 
 
 
ACETILAÇÃO DE HISTONAS: 
o É feita pela proteína HAT e nada mais é do 
que a adição do radical acetil aos 
aminoácidos lisina das histonas; 
o Quando faz essa acetilação o material 
genético fica ativo e aí nessas regiões será 
possível fazer a transcrição. Quando não é 
mais necessário, as proteínasHDAC vão 
desacetilar essas histonas e aí, essas 
cromatinas que estavam soltas, voltam a 
se enovelar, inativando-as. 
 
 
 
 
 
 Fernanda Carvalho, 4º semestre - TUT 04 7 Genética 
METILAÇÃO DE HISTONAS: 
o A metilação de histonas ocorre em 
resíduos de lisina; 
o 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). 
 
“MEMÓRIA GENÉTICA”: 
o Uma característica importante da 
estrutura da cromatina é que ela pode ser 
herdada. Essa forma de herança recebe 
uma denominação herança epigenética 
e é definida operacionalmente como a 
herança dos estados da cromatina de 
uma geração celular para a próxima; 
o O que essa herança significa é que, na 
replicação do DNA, tanto a sequência do 
DNA quanto a estrutura da cromatina são 
fielmente transmitidas para a próxima 
geração celular. Entretanto, 
contrariamente à sequência de DNA, a 
estrutura da cromatina pode ser alterada 
no curso do ciclo celular e durante 
gerações sucessivas de divisão celular; 
o 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; 
o Parte do octâmero de histonas vai ser 
passado para as fitas que vão ser 
formadas, então a pessoa acaba 
herdando o perfil das histonas dos seus 
pais; 
o As modificações carregadas pelas 
histonas antigas são responsáveis em 
parte pela herança epigenética. Como 
tal, essas antigas modificações são 
denominadas marcas epigenéticas, 
tendo em vista que orientam a 
modificação das novas histonas. 
 
 
 
INFLUÊNCIAS AMBIENTAIS: 
 
o Os mecanismos genéticos estão muito 
atrelados aos fatores ambientais; 
o Se o indivíduo estiver exposto a 
determinados fatores, pode haver a 
metilação, por exemplo; 
o Pode-se afirmar, então, que a epigenética 
é fruto da exposição ambiental dos 
indivíduos; 
o Isso vai provocar mudanças fenotípicas 
nos indivíduos, como comportamento, 
sobrevida, suscetibilidade a doenças, etc. 
 Fernanda Carvalho, 4º semestre - TUT 04 8 Genética 
EPIGENÉTICA E NUTRIÇÃO: 
o Determinados componentes bioativos de 
alimentos podem alterar a expressão 
gênica via alterações na metilação do 
DNA e modificações de histonas; 
o 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, colina e 
aminoácidos – consumo crônico de álcool 
pode alterar a disponibilidade de SAM 
através do desperdício de metionina e 
colina ou por diminuir a disponibilidade de 
vitamina B; 
o EGCG (polifenol – chá verde): pode 
diminuir a metilação global do DNA, em 
linhagens celulares de câncer, pela 
inibição competitiva DNMT; também 
aumenta o nível de miR-210 – diminuição 
da proliferação celular; 
o 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: 
o 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 H3K27me) – 
possivelmente devido ao aumento na 
expressão de HMT (histonas 
metiltransferases); 
 Dieta rica ou pobre em proteínas, em 
porcas, pode alterar a matilação global 
do gene na prole, através de mudanças 
na expressão das DNMTs. 
 
 
EPIGENÉTICA E ENVELHECIMENTO: 
 
 
EPIGENÉTICA E DOENÇAS: