Regulação Epigenética

Descrição Geral

Definição

As modificações epigenéticas são modificações no DNA ou no “empacotamento” do DNA que afetam a expressão do gene sem alterar o próprio código genético (ou seja, a sequência do DNA).

Estas modificações:

• Controlar quais regiões do DNA estão disponíveis para transcrição
• Normalmente são reversíveis
• Pode ser influenciadas por fatores ambientais
• São hereditárias (ou seja, os padrões epigenéticos são preservados durante a divisão celular)

Descrição geral da regulação epigenética

• Fatores epigenéticos:
  • Mudam o fenótipo sem mudar o genótipo
  • Podem influenciar como os genes são expressos em diferentes idades
  • Contribuem significativamente para a expressão génica diferencial em diferentes tecidos
• As modificações epigenéticas incluem modificações:
  • Diretamente para o DNA (por exemplo, metilação do DNA)
  • Para as proteínas de ligação do DNA (por exemplo, modificação de histonas)
  • Para estruturas de cromatina de ordem superior
• A regulação epigenética desempenha um papel na:
  • Diferenciação celular
  • Inativação do cromossoma X em mulheres
  • Processos de doença:
    • Doenças com imprinting: síndrome de Prader-Willi (SPW), síndrome de Angelman (SA)
    • Cancro
  • Adaptações ao meio ambiente, incluindo:
    • Stress
    • Fome ou obesidade
    • Exposições a toxinas, poluição e/ou produtos químicos desreguladores endócrinos

Revisão do “empacotamento” de DNA na cromatina

A unidade básica de “empacotamento” do DNA é o nucleossoma. O DNA envolve 2¼ vezes em torno de um núcleo de 8 proteínas histonas, formando um nucleossoma.

• Nucleossomas:
  • O núcleo de histonas é composto por 2 de cada uma das seguintes histonas: H2A, H2B, H3 e H4.
  • H1 é a 9ª histona e fica do lado de fora do nucleossoma.
  • Existem aproximadamente 146 pares de bases de DNA associados a cada nucleossoma.
  • Existem aproximadamente 20-60 pares de bases de DNA livre entre os nucleossomas.
  • Os nucleossomas aparecem como contas numa corda de DNA.
• Estrutura secundária da cromatina:
  • Modelo de solenoide: uma configuração em espiral de nucleossomas com 6 nucleossomas em cada volta
  • Modelo em ziguezague: uma configuração mais irregular de nucleossomas compactados
• Compactação adicional da cromatina:
  • As estruturas secundárias enrolam e estas bobinas sobreenrolam.
  • A cromatina condensa nos cromossomas completos durante a divisão celular.
• Eucromatina versus heterocromatina:
  • Eucromatina: cromatina que está disponível para transcrição (DNA desenrolado ou enrolado de forma laxa)
  • Heterocromatina: cromatina que não está disponível para transcrição porque está muito enrolada

Modificações Epigenéticas

As formas mais importantes de modificação epigenética incluem metilação direta do DNA, modificações nas proteínas das histonas e outras modificações na cromatina.

Metilação do DNA

• Grupos metil podem ser adicionados e removidos do DNA.
• A metilação geralmente ocorre:
  • Em bases de citosina no DNA
  • Em regiões promotoras e potenciadoras de um gene
• A metilação normalmente impede a transcrição de um gene:
  • Proteínas reguladoras ligam-se às citosinas metiladas → impedem o acesso da maquinaria de transcrição ao DNA → silenciam a expressão génica
  • A remoção de grupos metil → permite a transcrição → ativa a expressão génica
• Enzimas envolvidas na metilação:
  • DNA metiltransferases: enzimas que metilam o DNA
  • Metilcitosina dioxigenases: enzimas que removem grupos metil do DNA

Modificações de histonas

• Como o DNA está envolvido em proteínas das histonas afeta quais os genes que podem ser traduzidos:
  • O DNA firmemente enrolado é inacessível à maquinaria de transcrição.
  • Alterar a forma como os genes são envolvidos torna certos segmentos de DNA mais ou menos acessíveis à maquinaria de transcrição.
• Modificando as histonas:
  • Altera a afinidade das proteínas das histonas pelo DNA
  • Pode recrutar outras proteínas que afetam a estrutura da cromatina
• O efeito das modificações de histonas (por exemplo, aumentar ou suprimir a transcrição) depende da combinação específica de:
  • Quais subunidades de histonas foram modificadas
  • Quais aminoácidos dentro dessas subunidades foram modificados
  • Quais foram as modificações (por exemplo, metilação versus acetilação)
• As modificações de histonas são um tipo de modificação pós-traducional das proteínas histonas.

Tipos de modificações de histonas

• Metilação:
  • Em geral, a metilação está associada ao DNA inativo (ou seja, não transcrito).
  • As histonas metiltransferases adicionam grupos metil às lisinas na cauda da histona.
  • As histonas demetilases removem os grupos metil.
• Acetilação:
  • Em geral, a acetilação “desempacota” o DNA, permitindo a transcrição.
  • As histonas acetiltransferases (HATs) podem adicionar grupos acetil a lisinas na proteína histona.
  • As histonas deacetilases (HDACs) removem os grupos acetil.
  • Essas enzimas normalmente contêm zinco.
• Outros tipos de modificações de histonas:
  • Ubiquitilação
  • Fosforilação
  • Isomerização da prolina
  • ADP-ribosilação de ácidos glutâmicos

Remodelação da cromatina

A remodelação da cromatina e/ou nucleossomas é outra maneira pela qual a célula pode regular a expressão génica a nível epigenético. A remodelação da cromatina normalmente requer energia. Os tipos de remodelação da cromatina incluem:

• Mover ou deslizar o nucleossoma pela cadeia de DNA
• Remodelar a forma do nucleossoma
• Remoção temporária do nucleossoma
• Substituição das histonas

Imprinting

Descrição geral

O imprinting compreende as modificações epigenéticas específicas que ocorrem nos gâmetas sexo-específicos (ou seja, as modificações ocorrem apenas em espermatozoides ou óvulos).

• Alguns genes são transcritos dos cromossomas de um dos pais, mas não do outro.
• Esta transcrição é devido à hipermetilação do DNA (silenciamento epigenético) desse mesmo gene no progenitor oposto.
• Implicação clínica: deleções de genes nestas áreas causam diferentes fenótipos na descendência, dependendo se a mutação foi herdada da mãe ou do pai.
• O gene “impresso” é o gene hipermetilado e silenciado.
• Exemplos clássicos de condições relacionadas a genes impressos:
  • SPW
  • SA
• Os genes associados a SPW e SA estão localizados no cromossoma 15q11-13, mas não são exatamente os mesmos genes.

Síndrome de Prader-Willi

• A região genética Prader-Willi é:
  • Transcrita apenas do cromossoma paterno
  • Hipermetilado (ou seja, silenciado) no cromossoma materno
• Deleções paternas nesta região resultam em SPW.
• Apresentação Clínica:
  • Hiperfagia com obesidade precoce
  • Hipogonadismo
  • Atraso leve no desenvolvimento
  • Características faciais anormais
  • Baixa estatura com mãos e pés geralmente pequenos

Síndrome de Angelman

• A região genética Angelman é:
  • Transcrita apenas do cromossoma materno
  • Hipermetilado (ou seja, silenciado) no cromossoma paterno
• Deleções maternas nesta região resultam em SA.
• Apresentação clínica: “o fantoche feliz”:
  • Microcefalia com convulsões
  • Atrasos graves no desenvolvimento
  • Discurso mínimo

Relevância Clínica

• Cancro: Todos os cancros têm anomalias na sua regulação epigenética. Além disso, algumas “assinaturas” epigenéticas comuns foram descobertas em certos tipos de cancros. Exemplos destas assinaturas incluem hipometilação global que leva à ativação de oncogenes (por exemplo, RAS) e metilação de DNA em sequências promotoras que silenciam genes supressores de tumor. Além disso, as mutações também podem afetar outras modificações de histonas.
• Inibidores da histona desacetilase: a acetilação da histona ativa a expressão génica e as HDACs removem os grupos acetil; portanto, os inibidores de HDAC acabam por aumentar a expressão génica. Alguns exemplos incluem romidepsina, panobinostat e vorinostat, usados no tratamento de linfomas de células T. Além disso, o ácido valpróico (fármaco antiepilético) também demonstra atividade inibidora de HDAC e está a ser explorado para aplicações além do controlo de convulsões relacionadas com a atividade inibidora de HDAC.
• Doença de Alzheimer: doença neurodegenerativa que resulta em demência. Acredita-se que a doença de Alzheimer seja o resultado de proteínas mal “dobradas” e/ou anormalmente modificadas, incluindo o peptídeo β-amilóide e as proteínas tau. Também estão implicados na sua patogénese fatores ambientais e epigenéticos, embora os mecanismos exatos ainda sejam desconhecidos. Os doentes apresentam demência progressiva.
• Síndrome de progeria de Hutchinson-Gilford (HGPS, pela sigla em inglês): síndrome de envelhecimento prematuro relacionada com um defeito genético raro na laminina A, fundamental na estabilização da membrana nuclear. Sem laminina A normal e funcional, a heterocromatina torna-se muito desorganizada e instável, e a transcrição do gene está desregulada. Os doentes com HGPS manifestam-se com múltiplos sintomas de progeroides aos 2 anos de idade, incluindo má progressão estatuto-ponderal e anomalias dermatológicas, musculoesqueléticas, neurológicas, auditivas, oftalmológicas e cardiovasculares limitantes para a vida.