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Regulação da expressão gênica e epigenética

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Cada célula liga só os genes de que precisa, e nos eucariotos esse controle passa por vários níveis.

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Cada célula liga só os genes de que precisa, e nos eucariotos esse controle passa por vários níveis. A unidade percorre as marcas na cromatina (acetilação de histonas e metilação de CpG) que abrem ou fecham o gene sem mudar a sequência, o papel dos fatores de transcrição e dos enhancers, o miRNA como controle pós-transcricional, e o que o imprinting (síndrome de Prader-Willi) e o silenciamento epigenético no câncer mostram na clínica.

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Essential

  1. As histonas empacotam o DNA em nucleossomos, que controlam o acesso das proteínas às regiões do DNA.
  2. Grupos químicos (fosfato, metil, acetil) são acrescentados às caudas das histonas, e citosinas em ilhas CpG dos promotores podem ser metiladas; nada disso altera a sequência de bases do DNA.
  3. Essas marcas mudam a carga da histona e o espaçamento dos nucleossomos, e portanto o quão enrolado o DNA fica: a acetilação deixa a carga menos positiva e relaxa a ligação do DNA à histona.
  4. Com DNA hipermetilado e histonas desacetiladas, a região fica enovelada e inativa: RNA polimerase e fatores de transcrição não alcançam o DNA e o gene é silenciado.
  5. Com as marcas do outro tipo, a região do promotor se abre e a RNA polimerase e os fatores de transcrição se ligam e iniciam a transcrição.
  1. No núcleo, os miRNAs são feitos como pré-miRNAs mais longos.
  2. A proteína Dicer corta os pré-miRNAs em miRNAs maduros, de 21 a 24 nucleotídeos.
  3. O miRNA maduro se associa ao complexo RISC, cujo componente de RNA pareia com sequências complementares do mRNA-alvo.
  4. O mRNA é degradado ou tem a tradução impedida.
  5. Cai a quantidade de mRNA disponível para tradução, e com ela a de proteína, sem qualquer mudança no DNA.

Genes silenciados durante a formação dos gametas de um dos pais são transmitidos à prole já silenciados; diz-se que têm imprinting. Em termos de expressão, os alelos materno e paterno são expressos de modo específico da origem parental. Na região 15q11-q13 há genes (como MKRN3, MAGEL2, NDN e SNURF-SNRPN) com expressão só do alelo paterno.

Num gene com imprinting, os dois alelos não são equivalentes: a origem parental decide qual deles é lido. Assim, uma deleção do segmento paterno de 15q11-q13 elimina justamente o alelo que estava sendo expresso.

O silenciamento de genes por mecanismos epigenéticos é muito comum em células de câncer: o promotor do gene silenciado tem citosinas metiladas em ilhas CpG e as histonas ao redor perdem a acetilação que existe quando o gene é expresso em células normais.

A metilação do DNA somada à desacetilação das histonas leva à cromatina fechada, na qual a RNA polimerase e os fatores de transcrição não alcançam o DNA; sem transcrição, o gene é silenciado sem que a sequência tenha mudado. Como as marcas são temporárias e reversíveis, a enzima que remove acetil (desacetilase de histona) e as que acrescentam metil (DNA metiltransferases) viram alvos possíveis.

In the clinic

A síndrome de Prader-Willi é reconhecida como doença de imprinting genômico, causada por perda de expressão de genes paternos de 15q11-q13. Há mais de um mecanismo genético possível, o mais frequente sendo a deleção paterna, e a síndrome é a causa sindrômica mais comum de obesidade com risco de vida.

O câncer pode ser descrito como doença de expressão gênica alterada, em que a alteração pode vir de mutação ou de mudança na regulação. Como o silenciamento epigenético é reversível, é possível desenhar fármacos e terapias que o desfaçam; pesquisadores testam como religar um gene silenciado para restabelecer o crescimento normal.

Test yourself before moving on

Todas as células do corpo têm o mesmo DNA. Por que cada célula não expressa todos os genes o tempo todo?

The answer stays in Assessment, with no spoiler here.

Answer in Assessment
Sources (5)
  1. Clark MA, Douglas M, Choi J. Biology 2e. Houston: OpenStax; 2018. Chapter 16, Gene Expression, section 16.3.
    Histones package and order DNA into structural units called nucleosome complexes, which can control the access of proteins to the DNA regions
  2. Clark MA, Douglas M, Choi J. Biology 2e. Houston: OpenStax; 2018. Chapter 16, Gene Expression, section 16.5.
    The miRNAs are made in the nucleus as longer pre-miRNAs. These pre-miRNAs are chopped into mature miRNAs by a protein called Dicer .
  3. Jin Z, Liu Y. DNA methylation in human diseases. Genes Dis. 2018;5(1):1-8.
    Genetic imprinting is an epigenetic phenomenon in which the maternal and paternal alleles are expressed in a parent-of-origin-specific manner.
  4. Angulo MA, Butler MG, Cataletto ME. Prader-Willi syndrome: a review of clinical, genetic, and endocrine findings. J Endocrinol Invest. 2015;38(12):1249-1263.
    now recognized as a genomic imprinting disorder whereby differential expression of genes depending on the parent of origin contributes to the imprinting process.
  5. Clark MA, Douglas M, Choi J. Biology 2e. Houston: OpenStax; 2018. Chapter 16, Gene Expression, section 16.7.
    Cancer can be described as a disease of altered gene expression. There are many proteins that are turned on or off (gene activation or gene silencing) that dramatically alter the overall activity of the cell.

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