Aula_8_Regulacao_da_expressao_genica_eucariotas.pdf

# Estrutura da cromatina e regulação génica A estrutura da cromatina organiza o DNA em eucariotas, desde o enrolamento em histonas até a formação de nucleossomas e estruturas superiores, influenciando o acesso ao DNA e a regulação da expressão génica [5](#page=5). ### 1.1 Organização do DNA em nucleossomas O primeiro nível de organização do DNA em eucariotas envolve o enrolamento das fitas de DNA em torno de proteínas chamadas histonas. As histonas empacotam e organizam o DNA em unidades estruturais básicas conhecidas como nucleossomas. Estes nucleossomas têm a capacidade de controlar o acesso de proteínas a regiões específicas do DNA, o que é crucial para iniciar a transcrição génica [5](#page=5). #### 1.1.1 Composição e estrutura do nucleossoma Um nucleossoma é a unidade primária de compactação do DNA. É composto por aproximadamente 180 pares de bases (pb) de DNA e um conjunto central de histonas, constituído por duas cópias de cada uma das histonas H2A, H2B, H3 e H4. Adicionalmente, uma histona de ligação, a H1, está presente [6](#page=6). As histonas centrais formam um octâmero proteico, no qual estão presentes dois dímeros H2A–H2B e um tetrâmero H3–H4. Em torno deste octâmero, cerca de 146 pb de DNA estão enrolados [6](#page=6). Os nucleossomas adjacentes são unidos por um fragmento de DNA de ligação, que varia em tamanho dependendo da espécie (geralmente entre 20 e 60 pb). A histona H1 está localizada nos pontos de entrada e saída do DNA no nucleossoma, ajudando a ligar os nucleossomas adjacentes e a compactar ainda mais a estrutura [6](#page=6). > **Tip:** O tamanho do DNA de ligação entre nucleossomas pode variar entre espécies, sendo um fator na compactação global da cromatina. ### 1.2 Estruturas de ordem superior da cromatina As estruturas secundárias da cromatina emergem das interações entre os nucleossomas. As estruturas terciárias resultam de interações adicionais entre estas estruturas secundárias [7](#page=7). A estabilidade destas estruturas de ordem superior (secundária e terciária) é mantida por uma variedade de proteínas arquitetónicas. Estas incluem, mas não se limitam a, a histona de ligação H1, a proteína de ligação ao metil-CpG 2 (MeCP2), a proteína da heterocromatina 1 (HP1), as proteínas do grupo de alta mobilidade (HMG), a polimerase 1 de poli(ADP-ribose) (PARP1), a proteína específica do estágio de terminação nuclear mieloide e eritroide (MENT) e os grupos de proteínas Polycomb [7](#page=7). ### 1.3 Processos de regulação da cromatina A regulação da expressão génica está intrinsecamente ligada à estrutura da cromatina. A forma como o DNA está compactado pode determinar a acessibilidade dos fatores de transcrição e outras proteínas reguladoras, influenciando se um gene será expresso ou silenciado [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.3.1 Eucromatina e heterocromatina Genes que estão ativamente a ser transcritos estão geralmente associados à **eucromatina**, uma forma mais descondensada da cromatina. A eucromatina é caracterizada pela acetilação das histonas H3 e H4 (H3/H4Kac) e pela tri-metilação da lisina 4 da histona H3 (H3K4me3) nos promotores dos genes. Ao longo do corpo do gene, a tri-metilação da lisina 36 da histona H3 (H3K36me3) também está associada à transcrição ativa. A posição dos nucleossomas nos promotores de genes ativos é frequentemente regulada por complexos remodeladores de cromatina dependentes de ATP, como os do tipo SWI/SNF [10](#page=10). Em contraste, genes silenciados estão associados à **heterocromatina**, que é uma forma densamente compactada da cromatina. A heterocromatina é marcada pela metilação do DNA (5mC) e pela tri-metilação da lisina 9 da histona H3 (H3K9me3). Outros domínios silenciados podem ser marcados pela tri-metilação da lisina 27 da histona H3 (H3K27me3) [10](#page=10). > **Tip:** A transição entre eucromatina e heterocromatina é um mecanismo fundamental para o controlo da expressão génica. #### 1.3.2 Modificações de histonas e DNA As modificações químicas nas histonas e no DNA são cruciais para determinar o estado da cromatina e a acessibilidade do DNA [10](#page=10). * **Metilação do DNA e das histonas:** A metilação do DNA e das histonas tende a compactar os nucleossomas, tornando o DNA inacessível e levando ao silenciamento génico (genes inativos) [11](#page=11). * **Acetilação de histonas:** A acetilação das histonas resulta num menor empacotamento dos nucleossomas. Isto permite que os fatores de transcrição se liguem mais facilmente ao DNA, promovendo a expressão génica (genes ativos) [11](#page=11). Estas modificações são realizadas por enzimas específicas, conhecidas como enzimas modificadoras da cromatina. Estas incluem [10](#page=10): * **DNA metiltransferases (DNMTs):** Enzimas que adicionam grupos metil ao DNA [10](#page=10). * **Acetiltransferases de histonas (HATs):** Enzimas que adicionam grupos acetil às histonas [10](#page=10). * **Metiltransferases de histonas (KMTs):** Enzimas que adicionam grupos metil a resíduos de lisina nas histonas [10](#page=10). A remoção destas modificações é realizada por enzimas como as desacetilases de histonas (HDACs) e as desmetilases de histonas (KDMs) [10](#page=10). > **Example:** A acetilação de resíduos de lisina nas caudas das histonas H3 e H4 (H3Kac, H4Kac) neutraliza a carga positiva destes resíduos, diminuindo a afinidade entre as histonas e o DNA, o que leva à descondensação da cromatina e facilita a ligação de fatores de transcrição [11](#page=11). #### 1.3.3 Papel dos remodeladores de cromatina Os remodeladores de cromatina, que muitas vezes dependem de ATP, desempenham um papel fundamental na regulação da estrutura da cromatina. Complexos como os do tipo CHD (Chromodomain Helicase DNA-Binding) atuam como remodeladores, modificando a estrutura da cromatina. Esta remodelação regula o acesso ao DNA e, consequentemente, afeta diretamente a expressão génica [17](#page=17). > **Tip:** Entender as interações entre modificações de histonas, metilação do DNA e a ação de remodeladores de cromatina é essencial para compreender a regulação génica. ### 1.4 Proteínas arquitetónicas e regulação Proteínas como as do grupo CHD são exemplos de componentes que, ao remodelarem a cromatina, influenciam a acessibilidade do DNA e a regulação génica. Mutações em genes que codificam para estas proteínas, como o gene CHD8, podem estar associadas a síndromes com manifestações clínicas específicas, como macrocefalia, características faciais distintas e queixas gastrointestinais [17](#page=17) [19](#page=19). --- # Modificações epigenéticas da cromatina As modificações epigenéticas da cromatina são processos moleculares que alteram a estrutura da cromatina, influenciando a expressão génica sem alterar a sequência de DNA [10](#page=10). ### 2.1 Mecanismos moleculares de modificação da cromatina A cromatina é composta por DNA e proteínas histonas, e as suas modificações desempenham um papel crucial na regulação da expressão génica [10](#page=10). #### 2.1.1 Acetilação e metilação das histonas * **Acetilação de histonas:** A adição de grupos acetil às histonas, especialmente nas lisinas H3 e H4 (H3/H4Kac), está associada à eucromatina e à ativação de genes. A acetilação das histonas resulta num menor empacotamento dos nucleossomas, permitindo que fatores de transcrição se liguem ao DNA e expressem os genes. As enzimas responsáveis por esta modificação são as acetiltransferases de histonas (HATs) [10](#page=10) [11](#page=11). * **Metilação de histonas:** A metilação pode ocorrer em várias lisinas das histonas, com diferentes implicações na expressão génica. * **Tri-metilação da lisina 4 da histona H3 (H3K4me3):** Associada aos promotores de genes ativamente transcritos [10](#page=10). * **Tri-metilação da lisina 36 da histona H3 (H3K36me3):** Encontrada ao longo do corpo do gene ativo [10](#page=10). * **Tri-metilação da lisina 9 da histona H3 (H3K9me3):** Marcador de heterocromatina densamente compactada e de genes silenciados [10](#page=10). * **Tri-metilação da lisina 27 da histona H3 (H3K27me3):** Associada a domínios silenciados [10](#page=10). As enzimas responsáveis pela metilação das histonas são as metiltransferases de histonas (KMTs) [10](#page=10). #### 2.1.2 Metilação do DNA * A principal forma de modificação do DNA é a metilação da citosina em dinucleotídeos CpG [12](#page=12) [14](#page=14). * Esta modificação é catalisada pelas DNA metiltransferases (DNMTs), que transferem um grupo metil da S-adenosil metionina para o DNA [12](#page=12) [14](#page=14). * A metilação dos locais CpG reprime a ligação de proteínas de transcrição e recruta proteínas que contêm domínios de ligação ao metil-CpG (MBD), como a proteína MECP2 [12](#page=12) [14](#page=14). * A metilação do DNA, assim como a metilação das histonas, leva a um empacotamento mais apertado da cromatina, tornando o DNA inacessível para expressão génica (inativação) [11](#page=11). #### 2.1.3 Proteína de ligação ao metil-CpG 2 (MECP2) * A MECP2 é uma proteína que contém um domínio de ligação ao metil-CpG (MBD) e um domínio de repressão transcricional (TRD) [14](#page=14). * O MBD liga-se a um único local CpG metilado e é responsável por direcionar a proteína para a cromatina [14](#page=14). ### 2.2 Enzimas modificadoras e reguladoras da cromatina As modificações epigenéticas são realizadas e revertidas por um conjunto de enzimas [10](#page=10): * **DNA metiltransferases (DNMTs):** Enzimas que adicionam grupos metil ao DNA [10](#page=10). * **Acetiltransferases de histonas (HATs):** Enzimas que adicionam grupos acetil às histonas [10](#page=10). * **Metiltransferases de histonas (KMTs):** Enzimas que adicionam grupos metil às histonas [10](#page=10). * **Desacetilases de histonas (HDACs):** Enzimas que removem grupos acetil das histonas [10](#page=10). * **Desmetilases de histonas (KDMs):** Enzimas que removem grupos metil das histonas [10](#page=10). ### 2.3 Efeitos na organização da cromatina e expressão génica * **Genes ativamente transcritos:** Associados à eucromatina, com acetilação de histonas (H3/H4Kac) e metilação em posições específicas (H3K4me3 nos promotores, H3K36me3 no corpo do gene) [10](#page=10). * **Genes silenciados:** Associados à heterocromatina densamente compactada, com metilação do DNA (5mC) e metilação de histonas (H3K9me3 ou H3K27me3) [10](#page=10). > **Tip:** A posição dos nucleossomas nos promotores é regulada por remodeladores de cromatina dependentes de ATP (como o complexo SWI/SNF) [10](#page=10). > **Exemplo:** A acetilação das histonas diminui a carga positiva das histonas, enfraquecendo a sua interação com o DNA negativamente carregado, levando a uma estrutura de cromatina mais aberta e acessível. Por outro lado, a metilação do DNA e das histonas promove um empacotamento mais denso, dificultando o acesso dos fatores de transcrição [11](#page=11). --- # Paradoxo do valor C e complexidade do genoma O paradoxo do valor C descreve a aparente falta de correlação direta entre o tamanho do genoma de um organismo e a sua complexidade [2](#page=2). ### 3.1 O paradoxo do valor C O paradoxo do valor C, também conhecido como paradoxo do tamanho do genoma, refere-se à observação de que o número de pares de bases no genoma de um organismo (valor C) não se correlaciona consistentemente com a sua complexidade biológica percebida [2](#page=2). #### 3.1.1 Definição e implicações Essencialmente, o paradoxo aponta para o facto de que organismos com genomas significativamente maiores podem exibir níveis de complexidade semelhantes ou até inferiores aos de organismos com genomas menores. Isto desafia a intuição de que um genoma maior implicaria, necessariamente, um organismo mais complexo em termos de número de genes, regulação gênica ou desenvolvimento [2](#page=2). #### 3.1.2 Exemplos ilustrativos Um exemplo notório que ilustra este paradoxo são os protistas unicelulares. Alguns destes organismos podem possuir genomas consideravelmente maiores do que o genoma humano. A alga verde *Euglena gracilis*, por exemplo, é citada em contexto de genomas extensos que desafiam a correlação simples com a complexidade [2](#page=2). > **Tip:** Ao estudar a evolução e a biologia comparativa, é crucial lembrar que o tamanho do genoma é apenas um dos muitos fatores que influenciam a complexidade de um organismo. Outros aspetos, como a regulação gênica, a estrutura da cromatina e a plasticidade fenotípica, desempenham papéis igualmente importantes. ### 3.2 Complexidade vs. Tamanho do genoma A relação entre a complexidade de um organismo e o tamanho do seu genoma é complexa e não linear [2](#page=2). #### 3.2.1 Variação do tamanho do genoma Estudos demonstram uma variação extensiva no tamanho do genoma dentro e entre espécies. Esta variação pode ser atribuída a diversos fatores evolutivos, incluindo a duplicação de genes, a acumulação de elementos genéticos repetitivos e a perda de DNA ao longo do tempo. A existência de genomas maiores em organismos aparentemente menos complexos sugere que grandes porções do DNA genômico podem não codificar diretamente para proteínas ou ter funções regulatórias óbvias, sendo muitas vezes referidas como "DNA não codificante" ou "DNA lixo" [2](#page=2). > **Exemplo:** A comparação entre o genoma humano (aproximadamente 3,2 mil milhões de pares de bases) e o de certos anfíbios ou plantas, que podem ter genomas várias vezes maiores, realça o paradoxo do valor C. Estes organismos, apesar de terem genomas mais volumosos, não são necessariamente mais complexos em termos de estrutura corporal ou sistema nervoso do que os humanos. --- # Proteínas importantes na regulação génica O controlo preciso da expressão génica é um processo complexo mediado por uma variedade de proteínas que interagem com o DNA e a estrutura da cromatina [7](#page=7). ### 4.1 Mecanismos de regulação da expressão génica mediados por proteínas A regulação da expressão génica envolve a capacidade das células de aumentar ou diminuir a produção de proteínas específicas. Diversas proteínas desempenham papéis cruciais neste processo, atuando em diferentes níveis, desde a modificação do DNA até à remodelação da cromatina [14](#page=14) [17](#page=17) [7](#page=7). #### 4.1.1 Metilação do DNA e proteínas de ligação ao metil-CpG Uma forma primária de modificação do DNA que afeta a regulação génica é a metilação da citosina em dinucleotídeos CpG. Este processo é catalisado pelas DNA metiltransferases (DNMTs), que adicionam um grupo metil proveniente da S-adenosil metionina ao DNA. A metilação em locais CpG tende a reprimir a ligação de proteínas de ligação ao DNA, como fatores de transcrição, e recruta proteínas que possuem domínios de ligação ao metil-CpG (MBDs) [14](#page=14). ##### 4.1.1.1 Proteína de ligação ao metil-CpG 2 (MeCP2) A proteína de ligação ao metil-CpG 2 (MeCP2) é um exemplo proeminente de uma proteína que interage com o DNA metilado. A MeCP2 é um polipeptídeo que contém tanto um domínio de ligação ao metil-CpG (MBD) quanto um domínio de repressão transcripcional (TRD). O MBD liga-se especificamente a um único local CpG metilado, direcionando a proteína para a cromatina. A MeCP2 desempenha um papel fundamental na repressão transcripcional, muitas vezes através do recrutamento de complexos correpressores [14](#page=14) [7](#page=7). > **Tip:** A MeCP2 é um exemplo de como a modificação epigenética do DNA (metilação) é interpretada por proteínas específicas para modular a expressão génica. ###### 4.1.1.1.1 Mutações em MECP2 Mutações no gene MECP2 estão associadas a diversas condições neurológicas, incluindo a Síndrome de Rett. Estas mutações podem levar à perda de função da MeCP2, resultando em defeitos no desenvolvimento neuronal e na manutenção da função sináptica [16](#page=16). #### 4.1.2 Proteínas remodeladoras de cromatina dependentes de ATP Outra classe crucial de proteínas envolvidas na regulação génica são os complexos remodeladores de cromatina dependentes de ATP. Estes complexos são essenciais para alterar a estrutura da cromatina, regulando o acesso do maquinário de transcrição ao DNA [17](#page=17). ##### 4.1.2.1 Proteínas CHD (Chromodomain Helicase DNA-Binding) Dentro desta categoria, as proteínas CHD (Chromodomain Helicase DNA-Binding) destacam-se pela sua função como remodeladoras da cromatina. Elas utilizam a energia da hidrólise de ATP para deslocar, ejetar ou reestruturar nucleossomas, alterando a acessibilidade do DNA e, consequentemente, a expressão génica. As proteínas CHD são fundamentais para estabelecer e manter padrões de expressão génica específicos em diferentes tipos celulares e estágios de desenvolvimento [17](#page=17) [18](#page=18). ###### 4.1.2.1.1 Mutações em CHD8 Mutações em genes que codificam proteínas CHD, como o CHD8, estão ligadas a distúrbios do neurodesenvolvimento. Por exemplo, mutações em CHD8 têm sido associadas a características como macrocefalia, faces distintas e queixas gastrointestinais, indicando o seu papel crítico na neurogénese e no desenvolvimento craniofacial [19](#page=19). > **Tip:** A complexa interação entre proteínas de ligação ao DNA, modificações epigenéticas e maquinário de remodelação da cromatina sublinha a natureza multifacetada da regulação génica. > **Example:** A metilação do DNA em regiões promotoras de um gene, mediada pela MeCP2, pode silenciar permanentemente a expressão desse gene em certos tecidos, enquanto a ação de complexos CHD pode permitir um silenciamento temporário ou a ativação de genes através da exposição da hélice de DNA. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Term | Definition | |------|------------| | Genoma | Conjunto completo de material genético de um organismo, incluindo todos os seus genes. Contém a informação necessária para o desenvolvimento e funcionamento do organismo. | | Paradoxo do valor C (C-value paradox) | Fenómeno biológico que descreve a ausência de correlação direta entre o tamanho do genoma de um organismo e a sua complexidade aparente ou número de genes. | | Cromatina | Complexo de DNA e proteínas (principalmente histonas) que compõem os cromossomas em células eucarióticas. A sua estrutura é dinâmica e regula o acesso ao material genético. | | Histonas | Proteínas básicas que se associam ao DNA para formar nucleossomas, a unidade fundamental da cromatina. Desempenham um papel crucial no empacotamento do DNA e na regulação da expressão génica. | | Nucleossoma | Unidade estrutural primária da cromatina, composta por cerca de 146 pares de bases de DNA enrolados em torno de um octâmero de histonas (duas cópias de H2A, H2B, H3 e H4). | | Eucromatina | Forma de cromatina menos condensada, geralmente associada a genes ativos e metabolicamente ativos. Permite o acesso de fatores de transcrição ao DNA. | | Heterocromatina | Forma de cromatina altamente condensada e compactada, geralmente associada a genes silenciados e sequências repetitivas. O acesso ao DNA é limitado. | | Metilação do DNA | Modificação epigenética que envolve a adição de um grupo metil à citosina, tipicamente em dinucleotídeos CpG. Frequentemente associada ao silenciamento génico. | | Acetilação de histonas | Modificação epigenética que envolve a adição de um grupo acetil aos resíduos de lisina nas caudas das histonas. Geralmente desestabiliza a estrutura da cromatina, promovendo a transcrição génica. | | Metilação de histonas | Modificação epigenética que envolve a adição de um ou mais grupos metil aos resíduos de lisina ou arginina nas caudas das histonas. Pode levar à ativação ou repressão génica, dependendo do resíduo metilado e do grau de metilação. | | DNA metiltransferases (DNMTs) | Enzimas responsáveis pela adição de grupos metil ao DNA, um processo crucial na regulação epigenética, particularmente na metilação de citosinas em dinucleotídeos CpG. | | Acetiltransferases de histonas (HATs) | Enzimas que catalisam a transferência de grupos acetil para os resíduos de lisina das histonas, geralmente resultando na ativação da transcrição génica ao relaxar a estrutura da cromatina. | | Metiltransferases de histonas (KMTs) | Enzimas que adicionam grupos metil a resíduos de lisina ou arginina nas histonas. O seu efeito na expressão génica depende do local e do nível de metilação. | | Desacetilases de histonas (HDACs) | Enzimas que removem grupos acetil das histonas, levando a um empacotamento mais compacto da cromatina e, frequentemente, à repressão da transcrição génica. | | Methyl-CpG Binding Protein 2 (MeCP2) | Proteína que reconhece e liga-se a sequências de DNA metiladas em sítios CpG. Desempenha um papel importante na repressão da transcrição e no desenvolvimento neurológico. | | Remodeladores de cromatina | Complexos proteicos que utilizam a energia da hidrólise de ATP para alterar a estrutura da cromatina, movendo ou ejetando nucleossomas, o que pode facilitar ou inibir o acesso de fatores de transcrição. |