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Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE
PLANTAS
Fernanda SalvatoDr. Carlos Alberto Labate
LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE
PLANTAS
Fernanda SalvatoDr. Carlos Alberto Labate
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 -http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
“EPIGENÉTICA”
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Expressão Gênica
• Todas as células possuem o mesmo genoma
• Diferentes células expressam diferentes proteínas
• Projeto Genoma Humano:
~33 mil genes
~ 200 mil proteínas ???
Não basta conhecer quais genes estão presentes ...Não basta conhecer quais genes estão presentes ...
Mas, sim como estão sendo regulados!!!Mas, sim como estão sendo regulados!!!
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Expressão Gênica
• Mosca das frutas
Genoma: 140Mb – 17.000 genes
• Homem
Genoma: 3.000Mb – 33.000 genes
ComplexoComplexo
ComplexidadeComplexidade
Como estes genes são usados???
Nº genes
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DNADNA
Genes codificadoresde proteínas
Região não codificadora
Informação ocultafora da seqüência
de DNA
Pequenos RNAs
Não codificadores
< 2% do DNA totalControle
Epigenético
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Variação Fenotípica...
Qual é a base desta variação???
Origem de diferentes genitores?
Ou resultado de mutação no gene para pigmentação?
??????
Todos os ratos são GENETICAMENTE
idênticos!!
Mas, EPIGENETICAMENTE
diferentes!!
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O que é Epigenética??
Conjunto das modificações nucleares herdadas e que Conjunto das modificações nucleares herdadas e que
modulam a expressão gênica, mas não envolvem modulam a expressão gênica, mas não envolvem
modificações da seqüência de DNA.modificações da seqüência de DNA.
Questões:
• Como os padrões de expressão são passados de uma célula para seus descendentes?
• Como ocorre a expressão tecido-específica?
• Como fatores ambientais podem mudar a maneira como os genes são expressos?
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O que é Epigenética??
• É transmitida para a geração subseqüente através da mitose e meiose
• São Reversíveis
• Mudanças Epigenéticas são mais freqüentes que as Genéticas
• Ocorrem em resposta a sinais ambientais, comportamentais, fisiológicos e patológicos
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GENOMA
PROTEOMA & TRANSCRITOMA
EPIGENOMAS
VARIAÇÃO FENOTÍPICA
SINAIS
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Como a Como a EpigenéticaEpigenética controla a transcrição??controla a transcrição??
Há 3 principais mecanismos...Há 3 principais mecanismos...
• Metilação do DNA
• Modificações de Histonas
• RNAs não codificadores (siRNA, miRNA)
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Metilação do DNA
• Ligação covalente de grupos Metil na citosina• Enzima: DNA metiltransferase
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CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
ManutençãoDNA metiltransferase
Replicação do DNACH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
De novo metiltransferaseDemetilase
CH3 CH
Reações de Metilação de DNA
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Metilação do DNA
• Local: ilhas CpG• Ilhas CpG próximos aos promotores• CpGs metilados estão associados com DNA silenciados
(transposons, genes imprintados)• CpGs não metilados estão associados a genes ativos
(genes housekeepings, genes tecido-específicos)
OFFON
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Como a Metilação afeta a Transcrição??
Promotor não metilado (ou
hipometilado) permite
transcrição gênica
Metilação CpGs bloqueia
ligação dos TFs; impedindo
a transcrição
Proteínas de ligação Me-CpG
também impedem a ligação de
TFs aos promotores
Par CpG Metilação Fator de Transcrição Proteínas de Ligação Me-CpG
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... Metilação é sempre repressão?
• Metilação silenciamento (20 anos!!!)
- silenciamento de transposons (DEFESA GENÔMICA)- silenciamento/regulação de genes endogênicos
• A metilação é substrato tanto de proteínas repressoras como ativadoras da transcrição!!! (observado em insetos)
0 -10% em insetos
5% em mamíferos
10% em anfíbios e peixes
> 30% em plantas
% citosinas metiladas
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...a cópia ativa do cromossomo X humano possui maiores proporções de metilações que a cópia inativa....
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Memória Epigenética
• Padrões de metilação são herdáveis em uma das fitas-filhas depois da replicação do DNA
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Replicação do DNA
DNA Metiltransferase
Manutenção do padrão
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Como a Como a EpigenéticaEpigenética controla a transcrição??controla a transcrição??
Há 3 principais mecanismos...Há 3 principais mecanismos...
• Metilação do DNA
• Modificações de Histonas
• RNAs não codificadores (siRNA, miRNA)
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Organização do Genoma
• Se o genoma não é acessível à maquinaria de transcrição da célula, o genoma não poderá ser funcional!
• A utilização da informação biológica contida no genoma depende da organização estrutural da cromatina!
Eucromatina
Heterocromatina
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Modificações de Histonas
• As modificações de histonas modulam a estrutura da cromatina
• A cauda N-terminal de histonas pode ser pós-traducionalmente modificadas:
• Acetilações
• Metilações
• Fosforilações
• Ubiquitinações• Ribosilações
N HISTONA
Código das Histonas
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Modificações de histonas
Acetilações
• Ativa a cromatina, permite o acesso de outras proteínas ao DNA
Metilações
• Efeito depende da histona e do aminoácido metilados:
- H 3 na lisina 9 facilitam a metilação do DNA e silenciamento de genes- H 3 na lisina 4 abre a cromatina, ativando a transcrição.
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GeneIlhas CpG
CpGmetilado
Deacetilaseliga-se via Metilações
Cromatina condensada
Metilações de DNA & Modificações na Cromatina
MetilaçãoHistonas H3-K9
DeacetilaçãoHistonas
Metilação do DNA
Ciclo repressivo
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AcetilaçãoTranscrição
5-metil-C
Proteínas Metil-CpGe co-repressores associados
DNA metiltransferase
Cromatina compactada
Silenciamento transcricional
Transcrição Deacetilação
Proteínas Metil-CpGe co-repressores associados
Deacetilase de histona
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Como a Como a EpigenéticaEpigenética controla a transcrição??controla a transcrição??
Há 3 principais mecanismos...Há 3 principais mecanismos...
• Metilação do DNA
• Modificações de Histonas
• RNAs não codificadores (siRNA, miRNA)
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RNAs não codificadores (RNAi e miRNA)
siRNA (Short Interfering RNA)
miRNA (Micro RNA)
dsRNA (Double-strand RNA)
shRNA (Short Heterochromatic RNA)
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RNAs não codificadores (RNAi e miRNA)
• Silenciamento gênico transcricional e pós transcricional;Controle do desenvolvimento, resposta imune, expressão tecido-específico
• Inicia e/ou mantém heterocromatização de regiões gênicasMetilações de DNA/histonas
• 460 miRNAs em Humanos
• + de 75.000 seqüências de sRNAs em Arabidopsis
2% genes são 2% genes são controlados por controlados por miRNAsmiRNAs
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RNAs não codificadores (RNAi e miRNA)
Complexos importantes:
• DICER: reconhece e cliva a dsRNA em sRNAs
• RISC: clivagem do RNAm “alvo”
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DicerDicer
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siRNAsiRNA
5’5’
3’3’ 5’5’
3’3’
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Bloqueio da Bloqueio da TraduçãoTradução
Complementariedade Total:
(miRNAs)
DegradaçãoDegradaçãomRNAmRNA
Complexo RISCComplexo RISC
Complementariedade Parcial
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Degradação do mRNA
Bloqueio da TraduçãoRISC
Fita “guia” siRNA
Fita siRNA“aberta”
siRNAs
Dicer cliva dsRNA
Dicer
Dicer
Precursor de miRNA
Fita dupla de RNA genes anormais,
transposons
Núcleo citoplasma
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dsRNA
RISC
5’ 3’
Degradação mRNA
Bloqueio da Tradução
5’ 3’ mRNADNA
Dicer
RNAi/PTGSTGS
DNA/metilação de histonas
RdRPAmplificação
miRNAsiRNAs
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Epigenética...Ambiente
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Epigenética...Ambiente
Nature 401:60-63
Clones de Daphnia
Ausência de predadores
Presença de predadores
• Daphinia desenvolve espinhos, que evitam a predação, somente na presença dos predadores ...
• Uma vez que isto acontece, é transmitido para as células ovo!
• Provavelmente devido à ativação diferencial de genes
O ambiente exerce forte influência no desenvolvimento O ambiente exerce forte influência no desenvolvimento
Plasticidade do DesenvolvimentoPlasticidade do Desenvolvimento
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Epigenética...Ambiente
VERNALIZAÇÃOVERNALIZAÇÃO
• Aquisição ou aceleração da
habilidade para florescer através do tratamento de frio.
• Plantas bianuais
• Arabidopsis, trigo, cevada, canola (cereais), cenoura...
• Vernalização & Fotoperíodo
Plântula
Planta Adulta
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http://www.bio.indiana.edu/facultyresearch/faculty/Michaels.html
Vernalização: ciclo de vida
Outono
Inverno
Primavera
Verão
vernalização
meiose
mitose
Plantas bianuais
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Qual é o mecanismo??
http://www.jic.bbsrc.ac.uk/staff/caroline-dean/vernalization.htm
Repressão
Tratamento de frio
• FLC: gene repressor do florescimento
• Vernalização promove deacetilação e metilação de histonas
• Formação de heterocromatina
• Silenciamento do repressor FLC
FLC
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Imprinting Genômico
• Certos genes apresentam expressão diferencial quanto a sua origem, materna ou paterna
• Se ativos no cromossomo materno, desativos no paterno
• Apenas um alelo é ativo, materno ou paterno
• 60 genes imprintados em Humanos (estima-se + de 200)
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Imprinting Genômico
• Funcionalmente estes genes são haplóides
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Imprinting Genômico
•• Desenvolvimento da sementeDesenvolvimento da semente
Embrião endosperma
Manutenção da metilação do
DNA
Dupla Fertilização
Dois gametas masculinos
Dois gametas femininos
Célula ovo Célula central
Estabelecimento da expressão FWA no endosperma
FWA silenciado
Fase Vegetativa
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Epigenética & Evolução
Última gargalhada de Lamarck???
• “Herança das características adquiridas” (?)
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Epigenética & Evolução
Variação Epigenética é estimulada por stress
Possibilidade para rápida mudança evolutiva!?
hibridação / poliploidização
Novos ambientes
A plasticidade A plasticidade FenotípicaFenotípica pode resultar dos efeitos pode resultar dos efeitos epigenéticosepigenéticos que regulam o DNA.que regulam o DNA.
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Tem
po
Tem
po
Tem
po
Tem
po
Genótipos
Genótipos
Fenótipos
Fenótipos
Visão Genética
Visão Epigenética
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Fenômeno Fenômeno EpigenéticoEpigenético Novos FenótiposNovos Fenótipos ResultadosResultados
Est
ress
e G
enô
mic
o
Sel
eção
Nat
ura
l
Novos estados morfológicos
Reorganização da cromatina
Metilaçãode DNA
Modificações de histonas
Liberação de Transposons
Novas transcrições
Diferenciação de populações com diferentes estados de expressão
Poliploidia
Hibridização
Efeito Fundador
Desastre
ProcessoProcesso
Novas interações entre fatores de transcrição
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Epigenética & Evolução
•• Como os poliplóides criam novas variações?Como os poliplóides criam novas variações?
Poliploidização
Novas variaçõesMudanças genéticas
Mudanças epigenéticas
Interação regulatória alterada
variação dosagem gênica
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Epigenética & Heterose
• Heterose ou vigor de Híbrido• Combinações únicas de informações genéticas e epigenéticas
passadas de cada parental!
Híbridos: alta variação de seqüência e níveis de expressão dos alelos parentais
Milho + 2/3 do genoma constituído de transposons
Transposons: regulação epigenética da expressão dos alelos parentais no híbrido
Q. Sun et al. / Plant Science 166 (2004) 651–657
Ex:
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Considerações FinaisConsiderações Finais
• Pesquisa Epigenética
• Pesquisa com plantas têm facilitado os estudos
• Ambiente: fator modificador dos padrões epigenéticos
(estudo crescente da resposta epigenética aos estresses ambientais)
Excelente interligação entre
grupos de pesquisa
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Obrigada!!