O DNA e a cromatina

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O DNA e a cromatina

• Prof. Dr. Francisco Prosdocimi

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O dogma central

• Mas como o DNAestá compactado nonúcleo?
• Como acontecem osprocessos de transcriçãoe
  tradução?
• Como a estrutura física dosprocessos funciona,
  minuciosamente?

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Descoberta do DNA

• Surdo, não conseguia clinicar bem, passou a
  estudar química fisiológica
• Interessado em estudar a química do núcleo,
  conseguiu isolar núcleo do citoplasma
• Encontrou compostos ricos em fósforo e
  nitrogênio, mas sem enxofre
• Chamou-o de nucleína (DNA)

Johannes Miescher1844-1895 (Sec. XIX) Médico e
biólogo Suiço
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Descoberta da CROMATINA

• Descobriu uma estrutura celular que era altamente
  afim a corantes básicos
• Chamou-a de cromatina
• Essas estruturas poderiam ser vistas no núcleo em
  pedaços
• Cromossomos (corpos corados)
• Estudou a divisão celular em salamandras (mitose)

Walther Flemming 18431905 Médico e Biólogo
alemão, fundador da citogenética
Descoberta e publicação da mitose (1888)
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Teoria cromossômica

• Sutton (1902-3) mostrou, através de estudos em
  células germinativas de gafanhotos, que os
  cromossomos eram responsáveis pela base física da
  herança mendeliana
• Boveri descobri que os ouriços do mar precisavam
  ter todos os cromossomos em ordem para que seu
  desenvolvimento embrionário ocorresse de forma
  perfeita
• Descobriu também que no câncer havia alteração
  cromossômica e que isso leva à reprodução
  descontrolada
• 1915 O mecanismo da herança mendeliana (Teoria
  cromossômica da herança), Morgan et al.
• Ligou os cromossomos diretamente a Mendel

Walter Sutton1877 - 1916
Thomas Morgan 1866 1945
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Eucromatina e Heterocromatina

• Emil Heitz, 1928
• A heterocromatina do musgo
• Eucromatina menos corada, cromossomos menos
  condensados, representa os genes ativos
• Heterocromatina mais corada, cromossomos mais
  condensados, representa os genes inativos
• Fez estudos citológicos em 115 espécies de
  plantas, além de drosófilas e outros dípteros

Emil Heitz1892 - 1965
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Cromossomos

• Anatomia cromossomal

Telômeros
Braço curto
Centrômero
Braço longo
Cromátides
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Cromatina
Linfócito humano
Linfócito de rato

• Cooper, 1959
• Heterocromatina e cromatina são diferentes
  biofisicamente, mas teem um mesmo arranjo básico
  estrutural como DNA

Cromatina Regiões mais coradas
heterocromatina Regiões menos coradas -
eucromatina
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Inativação do cromossomo X

• 1960 Uma das duas cópias do cromossomo X de
  fêmeas de mamíferos é inativada
• O cromossomo X extra fica em estado de
  heterocromatina
• Compensação de dose
• Escolha aleatória mas continua por toda a
  vida(em marsupiais é sempre o X paterno
  inativado)
• Alguns genes podem fugir à inativação

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Empacotamento do DNA
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Cromatina, cromossomos e meiose
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Mecanismo molecular para formar a eucromatina X
heterocromatina

• Histonas
• Descobertas por Kossel ainda no século XIX (1884)
• Proteínas mais conservadas entre os organismos
• Carregadas positivamente (Lys Arg)
• DNA dá 1,7 voltas no octâmero

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Descoberta do Nucleossomo

• Kornberg, R.D. (1974) Chromatin structure a
  repeating unit of histones and DNA. Science 184,
  868-871.
• Descoberta dos nucleossomos
• Produziu estruturas cristalográficas relacionadas
  ao mecanismos de transcrição (produção do RNA)
• Prêmio Nobel em 2006

Roger David Kornberg Bioquímico americano(1947-)
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Octâmero de Histonas, o nucleossomo

• Formado por 146 bp
• Ligado a outro nucleossomo por uma região
  ligadora (linker), contendo entre 10 e 80 bp

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Estrutura da cromatina eucariótica
Empacotamento de nucleossomos como um octâmero de
histonas 2X H2A H3 H2B H4 H1
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Modificações pós-traducionais

• Uma vez que as proteínas são traduzidas nos
  ribossomos, muitas delas podem ser modificadas
  para ajustar suas funções em tempo real
• Fosforilação de proteínas
• Proteínas quinases e fosfatases
• Diversas outras modificações podem acontecer em
  proteínas... As histonas são alvos de várias
  delas

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Estrutura e função da cromatina

• Papel estrutural empacotamento do DNA
• Papel regulatório controle do acesso da
  maquinaria de transcrição
• Exemplo
• histonas acetilases
• histonas desacetilases
• Ligação de fatoresde transcrição e acetilação
  de histonas
• desempacotamento da cromatina
• ativação da expressão gênica

Histonas desacetiladas ? cromatina fechada ?
expressão gênica inativa
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Modificações que diminuem a carga positiva das
proteínas abrem a cromatina
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Modificações pós-traducionais nas histonas
influenciam a expressão gênica
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(No Transcript)
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Compactação do DNA

• É compreendida hoje a relação das histonas com o
  DNA
• Entretanto há uma série de proteínas que formam
  as fibras da cromatina cuja ação não é bem
  compreendida

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Remodelamento da cromatina

• Vários estudos modernos são feitos com relação ao
  remodelamento dinâmico da cromatina em células
  interfásicas
• Estudos recentes (2007) parecem mostrar não haver
  estrutura de nucleossomos em regiões de
  promotores e origens de replicação
• Nucleossomos são removidos em condições de
  estresse, permitindo transcrição

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O código das histonas

• Estudos que almejam identificar a relação entre
• Código de modificações pós-traducionais em
  histonas
• Expressão gênica (Transcrição)

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Conclusões

• O DNA das células está empacotado no núcleo
• Este empacotamento se dá através da associação do
  DNA (-) com proteínas chamadas histonas ()
• As histonas permitem a regulação da expressão
  gênica ao abrirem ou fecharem a cromatina,
  permitindo o acesso ao DNA por outras proteínas
  (fatores de transcrição)

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Adendo Epigenômica

• Prof. Francisco Prosdocimi

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Epigenética

• Mudanças no fenótipo ou na expressão gênica
  causadas por mudanças não-mutacionais
• Holliday, 1990
• The study of the mechanisms of temporal and
  spatial control of gene activity during the
  development of complex organisms
• O epigenoma...
• Metilação do DNA
• Remodelamento de cromatina
• O código das histonas

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Modificações epigenéticas

• Permitem uma regulação fina da transcrição em
  determinados locos
• Determina quais regiões da cromatina estão mais
  ou menos abertas para o acesso da maquinaria de
  transcrição
• Acredita-se hoje que os mecanismos epigenéticos
  sejam responsáveis pela diferença de expressão
  gênica entre tecidos
• 1 genoma X 250 epigenomas

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Metilação do DNA

• Ilhas CpG
• Cs antes de G no genoma são muitas vezes mutados
  para T
• A quantidade de CpG no genoma é menor do que
  seria de se esperar pelo acaso
• Código selecionado evolutivamente
• Presentes em regiões promotoras de organismos
  eucarióticos!
• Mecanismo herdável

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Tratamento com bissulfito

• Permite a identificação em larga-escala das
  citosinas metiladas
• É importante que o DNA esteja em fita simples
  para que não haja modificação parcial das
  citosinas
• Tratamento bioinformático posterior para
  identificação das regiões metiladas
• Acesso diferenciado pela maquinaria de transcrição

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A cromatina

• Estrutura de empacotamentodo DNA nuclear
• Nucleossomos
• Histonas
• Carga positiva

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Acetilação de histonas
Histonas desacetiladas ? cromatina fechada ?
expressão gênica inativa
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Modificações pós-traducionais nas histonas
influenciam a expressão gênica
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Imunoprecipitação da cromatina

• ChIP
• Chromatin Immunoprecipitation
• Liga-se o nucleossomo a anticorpos específicos
  para histonas modificadas
• Libera-se o DNA e sequencia-se
• Permite reconhecer as regiões do DNA ligadas em
  histonas com determinadas modificações
  pós-traducionais

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O código das histonas

• Estudos que almejam identificar a relação entre
• Código de modificações pós-traducionais em
  histonas
• Expressão gênica

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Conclusão epigenômica

• Os mecanismos de modificações pós-traducionais em
  histonas e de metilação do DNA interferem na
  expressão gênica e podem ser quantificados
• Existe uma ordem neste processo?
• Existirão realmente epigenomas específicos para
  cada tipo celular?