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O DNA e a cromatina Prof. Dr. Francisco Prosdocimi.

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1 O DNA e a cromatina Prof. Dr. Francisco Prosdocimi

2 O dogma central Mas como o DNA está compactado no núcleo? Como acontecem os processos de transcrição e tradução? Como a estrutura física dos processos funciona, minuciosamente?

3 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 Miescher (Sec. XIX) Médico e biólogo Suiço

4 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 1843–1905 Médico e Biólogo alemão, fundador da citogenética Descoberta e publicação da mitose (1888)

5 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 Sutton Thomas Morgan 1866 –1945

6 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 Heitz

7 Cromossomos Anatomia cromossomal Centrômero Telômeros Braço longo Braço curto Cromátides

8 Cromatina Linfócito humanoLinfócito de rato Cromatina Regiões mais coradas – heterocromatina Regiões menos coradas - eucromatina Cooper, 1959 – Heterocromatina e cromatina são diferentes biofisicamente, mas teem um mesmo arranjo básico estrutural como DNA

9 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

10 Empacotamento do DNA HU proteins eucariotos Histonas

11 Cromatina, cromossomos e meiose

12 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

13 Descoberta do Nucleossomo Kornberg, R.D. (1974) Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA. Science 184, – Descoberta dos nucleossomos Produziu estruturas cristalográficas relacionadas ao mecanismos de transcrição (produção do RNA) Prêmio Nobel em 2006 Roger David Kornberg Bioquímico americano (1947-)

14 Octâmero de Histonas, o nucleossomo Formado por 146 bp Ligado a outro nucleossomo por uma região ligadora (linker), contendo entre 10 e 80 bp

15 Estrutura da cromatina eucariótica Empacotamento de nucleossomos como um octâmero de histonas: 2XH2AH3 H2BH4 H1

16 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

17 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 fatores de transcrição e acetilação de histonas – desempacotamento da cromatina – ativação da expressão gênica Histonas desacetiladas cromatina fechada expressão gênica inativa

18 Modificações que diminuem a carga positiva das proteínas abrem a cromatina Menor interação DNA-histona Ativação do gene

19 Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica

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21 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

22 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

23 O código das histonas Estudos que almejam identificar a relação entre – Código de modificações pós-traducionais em histonas – Expressão gênica (Transcrição)

24 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)

25 Adendo: Epigenômica Prof. Francisco Prosdocimi

26 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

27 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

28 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

29 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

30 A cromatina Estrutura de empacotamento do DNA nuclear Nucleossomos Histonas – Carga positiva

31 Acetilação de histonas Histonas desacetiladas cromatina fechada expressão gênica inativa

32 Modificações pós-traducionais nas histonas influenciam a expressão gênica

33 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

34 O código das histonas Estudos que almejam identificar a relação entre – Código de modificações pós-traducionais em histonas – Expressão gênica

35 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?


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