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ROTEIRO DO LABORATÓRIO MORFOFUNCIONAL CURSO DE MEDICINA Orientadores: Profª Arannadia Barbosa Prof. Matheus Alves Profª Maiara Marques Profª Roberta Carvalho Expressão e regulação genica OBJETIVO(S): 1. DEFINIR EXPRESSÃO GÊNICA. 2. EXPLICAR MECANISMO DE REGULAÇÃO GÊNICA. 3. EXPLICAR MECANISMO DE REGULAÇÃO NÃO-GÊNICA. INTRODUÇÃO Os diferentes tipos celulares em um organismo multicelular diferem dramaticamente tanto em estrutura como em função. Se compararmos um neurônio de mamíferos com um linfócito, por exemplo, as diferenças são tão extremas que é difícil imaginar que as duas células contêm o mesmo genoma. Por essa razão, e porque a diferenciação celular frequentemente é irreversível, os biólogos originalmente suspeitaram que genes deveriam ser seletivamente perdidos quando uma célula se diferencia. Agora sabemos, entretanto, que a diferenciação celular geralmente depende de mudanças na expressão gênica ao invés de quaisquer alterações na sequência de nucleotídeos do genoma da célula. 01) COM O AUXÍLIO DOS LIVROS DE BIOLOGIA MOLECULAR E GENÉTICA, LISTE E DESCREVA OS DIFERENTES TIPOS DE POLIMERASES DE DNA, DETALHANDO SUAS FUNÇÕES ESPECÍFICAS. POLIMERASES DE DNA EM PROCARIONTES (EXEMPLO: E. COLI) DNA Polimerase I: Envolvida na remoção do primer de RNA e preenchimento das lacunas de DNA na fita descontínua (lagging strand) durante a replicação. Possui atividade exonuclease 5’→3’ e 3’→5’ para correção de erros e reparo. Também participa de recombinação e reparo do DNA. DNA Polimerase II: Atua principalmente em reparo do DNA e como um backup da DNA Polimerase III. Tem atividade exonuclease 3’→5’ para proofreading. DNA Polimerase III: Principal enzima responsável pela replicação do DNA, realizando a síntese da maior parte da fita nova. Possui alta processividade e atividade de proofreading (3’→5’ exonuclease). É composta por múltiplas subunidades formando complexos que aumentam sua eficiência. DNA Polimerase IV e V: Envolvidas principalmente em reparo e síntese translesão durante a resposta SOS a danos extensos no DNA, permitindo assim a continuidade da replicação apesar da presença de danos. POLIMERASES DE DNA EM EUCARIONTES DNA Polimerase α (alfa) Função: Inicia a síntese da nova fita de DNA associando-se à primase para sintetizar um primer híbrido de RNA-DNA. É responsável pelo início da replicação. Localização: Encontrada no núcleo celular, associada ao complexo primossomo. Detalhe: A Pol α não possui função proofreading, sua principal tarefa é lançar a cadeia iniciante para as polimerases δ e ε continuarem a replicação. DNA Polimerase δ (delta) Função: Principalmente responsável pela síntese da fita descontínua (lagging strand) durante a replicação. Possui atividade exonuclease 3’→5’ para correção de erros (proofreading). Localização: Núcleo celular, se associa ao fator de alongamento PCNA (proliferating cell nuclear antigen) para alta processividade. Detalhe: Além da replicação, a Pol δ participa de diversas vias de reparo do DNA. DNA Polimerase ε (epsilon) Função: Principal enzima para a síntese da fita líder (leading strand) durante a replicação do DNA. Também possui proofreading para garantir fidelidade. Localização: Núcleo celular, também interage com PCNA para eficiência. Detalhe: Participa ainda no reparo da fita líder e possível reparo de lesões no DNA. DNA Polimerase β (beta) Função: Envolvida principalmente no reparo do DNA através da via de reparo de excisão de base (BER). Não está envolvida na replicação. Localização: Núcleo, atuando em processos de manutenção da integridade genômica. Detalhe: Possui atividade de síntese de DNA com baixa processividade, adequada para preenchimento de pequenas lacunas. DNA Polimerase γ (gama) Função: A única DNA polimerase responsável pela replicação e reparo do DNA mitocondrial. Localização: Mitocôndrias. Detalhe: Tem atividade proofreading para manter a integridade do genoma mitocondrial, que é crítico para a função celular energética. OUTRAS POLIMERASES ESPECIALIZADAS As polimerases especializadas em eucariotos, pertencentes à família Y, são principalmente envolvidas na síntese translesão (TLS), que permite a progressão da replicação apesar da presença de danos no DNA que bloqueiam as polimerases replicativas comuns. As mais estudadas são: DNA Polimerase η (eta) Especializada em ultrapassar dímeros de pirimidina (lesões causadas por radiação UV) com alta fidelidade. Atua diretamente nas regiões do DNA onde há dano por radiação, permitindo que a replicação continue mesmo com esses bloqueios. Tem papel importante na proteção contra mutações induzidas por radiação UV, e sua deficiência está associada a xeroderma pigmentoso variante (XPV). DNA Polimerase ι (iota) Possui uma fidelidade relativamente baixa e pode incorporar nucleotídeos incorretos. Sua função exata não é tão bem caracterizada, mas participa da síntese translesão em lesões específicas no DNA, contribuindo para a tolerância a danos que bloqueiam a replicação. Atua em conjunto com outras polimerases TLS para aumentar a diversidade de danos que podem ser tolerados. DNA Polimerase κ (kappa) Tem capacidade de ultrapassar várias lesões no DNA, como danos causados por agentes alquilantes e lesões volumosas. É uma polimerase TLS que tem uma fidelidade maior que a Pol ι, mas ainda menor do que as polimerases replicativas convencionais. Participa no bypass de danos no DNA e pode ajudar na prevenção da parada da replicação e colapsos do garfo replicativo. Mecanismo geral e importância Essas polimerases TLS são menos processivas e menos fiéis que as DNA polimerases replicativas tradicionais (α, δ, ε), mas permitem que a replicação prossiga mesmo na presença de danos extensos, evitando rupturas e instabilidade genômica imediata. Atuam em substituição temporária das polimerases replicativas bloqueadas, resolvendo bloqueios ao longo do DNA e possibilitando reparos posteriores. Essas polimerases TLS são cruciais para a manutenção da integridade genômica em condições de estresse genotóxico e estão localizadas no núcleo, engajando-se quando ocorre parada da replicação por danos no DNA. São muito estudadas em contextos de câncer e doenças genéticas relacionadas à resposta ao dano do DNA. 02) CONSIDERANDO QUE OS EVENTOS DE MODIFICAÇÕES PÓS-TRANSCRICIONAIS DE RNA FORAM ABORDADOS NO ROTEIRO ANTERIOR, EXPLIQUE OS MECANISMOS DO SPLICING ALTERNATIVO, INCLUINDO EXEMPLOS DE COMO DIFERENTES ISOFORMAS DE PROTEÍNAS SÃO GERADAS E JUSTIFICANDO POR QUE TEMOS CERCA DE 25 MIL GENES E APROXIMADAMENTE 100 MIL PROTEINAS: O splicing alternativo é um processo complexo e altamente regulado que permite a geração de múltiplas variantes de mRNA a partir de um único pré-mRNA, aumentando a diversidade proteica. Ele ocorre no núcleo da célula e envolve uma maquinaria molecular chamada spliceossomo. PASSO A PASSO DO MECANISMO DO SPLICING ALTERNATIVO 1. Reconhecimento dos sítios de splicing no pré-mRNA O pré-mRNA contém íntrons e éxons. Nos íntrons, existem sequências específicas: O sítio de splicing 5’ (5’ SS), na extremidade inicial do íntron. O sítio de splicing 3’ (3’ SS), na extremidade final do íntron. O ponto de ramificação (branch site), localizado cerca de 15-50 nucleotídeos antes do 3’ SS. Regiões ricas em pirimidina próximas ao 3’ SS que auxiliam no reconhecimento. 2. Formação do Complexo E (inicial) O spliceossomo começa se formando com a ligação da pequena ribonucleoproteína nuclear (snRNP) U1 ao sítio 5’ do íntron. O fator U2AF (U2 auxiliary factor) reconhece a região rica em pirimidina perto do 3’ SS. Ainda nesta etapa, ocorre o reconhecimento do sítio 3’, mas sem gasto de energia. 3. Formação do Complexo A (pré-catalítico) A snRNP U2 liga-se ao ponto de ramificação no pré-mRNA, em um processo que requer ATP. Issoposiciona o branch point para a catalisação das reações subsequentes. 4. Recrutamento do Complexo B As snRNPs U4, U5 e U6 se juntam à montagem, formando o spliceossomo completo pré- catalítico. U1 e U4 se desligam, e há rearranjos conformacionais para ativar o complexo para a reação química. 5. Primeira reação de transesterificação O spliceossomo catalisa a clivagem do 5’ SS, formando um laço em formato de "lariat" no intron ligado através do ponto de ramificação. 6. Formação do Complexo C e segunda reação A segunda reação catalítica remove o intron na extremidade 3’, liberando o lariat intrônico e unindo os dois éxons adjacentes. 7. Liberação e reciclagem O mRNA maduro com os éxons unidos é liberado, enquanto o lariat intrônico é degradado e os componentes do spliceossomo são reciclados. REGULAÇÃO DO SPLICING ALTERNATIVO O spliceossomo é regulado por proteínas chamadas fatores de splicing, que podem ser ativadores ou repressores. Essas proteínas se ligam a elementos cis-regulatórios no mRNA: elementos potenciadores (ESE/ISE) promovem o uso de certos éxons, enquanto silencers (ESS/ISS) inibem. A localização dessas proteínas e a interação entre elas determinam quais éxons são incluídos ou excluídos. Exemplos de fatores incluem as proteínas da família SR (ricas em serina e arginina), que atuam como ativadores, e as hnRNPs (heterogêneas ribonucleoproteínas), que IMPORTÂNCIA BIOLÓGICA DO SPLICING ALTERNATIVO Esse processo gera diferentes isoformas de proteínas que podem ter domínios funcionais alterados, diferentes locais de expressão, ou atividades regulatórias distintas. Permite que um gene codifique múltiplas proteínas com funções diversas, contribuindo para a complexidade do proteoma humano. Regulação fina do splicing alternativo é essencial para o desenvolvimento, diferenciação celular e resposta a sinais ambientais. geralmente atuam como repressores. 03) COM O AUXÍLIO DOS LIVROS DA BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA, ESCLAREÇA O TERMO “TRANSCRIÇÃO DE DNA CONTROLADA”, COM ÊNFASE NOS 6 PONTOS DE CONTROLE APRESENTADOS NA FIGURA ABAIXO: ALBERTS, Bruce. Biologia molecular da célula. Porto Alegre: Grupo A, 2017. E-book. ISBN 9788582714232. A transcrição de DNA controlada refere-se ao principal ponto onde a célula regula a expressão de genes, determinando quais genes do DNA serão transcritos em RNA, quando e em que quantidade. Esse controle é fundamental porque evita o gasto de energia na produção desnecessária de RNAs e proteínas e permite a diferenciação celular e a resposta a sinais ambientais. ETAPAS DE CONTROLE DA EXPRESSÃO GÊNICA A expressão gênica em eucariotos pode ser controlada em seis etapas principais: 1. Controle transcricional Ocorre no nível do DNA, regulando o início da transcrição de genes em RNA mensageiro (mRNA). É o principal ponto de controle da expressão gênica porque previne a produção desnecessária de RNA e proteínas. Ocorre via proteínas chamadas fatores de transcrição (ativadores e repressores) que se ligam a sequências reguladoras do DNA, promovendo ou bloqueando a montagem da maquinaria de transcrição (RNA polimerase e cofatores). No caso de eucariotos, a estrutura da cromatina, modificações em histonas e metilação do DNA também influenciam o acesso ao DNA e a regulação gênica. A remodelagem nucleossômica pode alterar a estrutura do nucleossomo, possibilitando que reguladores transcricionais acessem o DNA. Entretanto, ainda que na ausência de remodelagem, reguladores transcricionais podem obter acesso limitado ao DNA em um nucleossomo. O DNA na extremidade de um nucleossomo “respira”, expondo transitoriamente o DNA e permitindo a ligação de reguladores. Essa “respiração” ocorre a uma taxa muito mais baixa no centro do nucleossomo; portanto as posições nas quais o DNA sai do nucleossomo são mais propensas a serem ocupadas. res transcricionais. Se uma proteína reguladora entra no DNA de um nucleossomo e impede que esse DNA seja uma vez mais firmemente enrolado ao redor do cerne do nucleossoma, então essa proteína irá aumentar a afinidade de um segundo regulador transcricional por uma sequência reguladora cis-atuante vizinha. Se, além disso, os dois reguladores transcricionais também interagirem um com o outro (como anteriormente descrito), então o efeito cooperativo será ainda maior. Em alguns casos, a ação combinada de proteínas reguladoras pode eventualmente deslocar o cerne de histonas do nucleossomo por completo. A cooperação entre reguladores transcricionais pode se tornar ainda muito maior quando complexos de remodelagem de nucleossomos estiverem envolvidos. Se um regulador transcricional se liga à sua sequência reguladora em cis e atrai um complexo de remodelagem da cromatina, a ação localizada do complexo de remodelagem pode permitir que um segundo regulador transcricional se ligue de maneira eficiente na vizinhança. 2. Controle do processamento de RNA O RNA recém-transcrito (pré-mRNA) sofre modificações antes de estar pronto para exportação e tradução. As principais modificações incluem splicing (remoção de íntrons e junção de éxons), adição de “cap” 5’ e de cauda poli-A 3’, além de eventuais edições de bases. Splicing alternativo permite a formação de diferentes variantes proteicas a partir do mesmo gene, aumentando a diversidade de proteínas geradas por um organismo. O padrão de processamento também pode ser controlado por sinais específicos no RNA e por proteínas reguladoras. 3. Transporte e localização do RNA Depois do processamento, o mRNA precisa ser exportado do núcleo para o citosol para ser traduzido em proteína. Apenas mRNAs completamente processados (com “cap” e cauda poli-A) e adequadamente montados com proteínas são transportados. Em muitos casos, sinais específicos no mRNA determinam para onde ele será transportado ou em que região do citoplasma ficará controlando onde a proteína correspondente será sintetizada. 4. Controle da tradução Regulação de quais mRNAs disponíveis no citosol vão ser realmente traduzidos pelos ribossomos em proteínas. Pode envolver proteínas que se ligam ao mRNA e impedem a montagem do complexo de iniciação da tradução, microRNAs (miRNAs) que inibem a tradução de mRNAs específicos, ou alterações químicas (ex: fosforilação de fatores de iniciação). Sinais nas regiões 5’ UTR e 3’ UTR dos mRNAs frequentemente determinam a eficiência e a frequência de tradução para cada transcrito. 5. Controle de degradação do mRNA A estabilidade dos mRNAs no citoplasma é outro nível crucial de regulação; quanto mais tempo um mRNA permanece intacto, mais proteína pode ser produzida a partir dele. mRNAs possuem sequências específicas (geralmente na 3’ UTR) que determinam sua meia- vida, podendo ser reconhecidas por proteínas ou miRNAs que aceleram ou retardam sua degradação. mRNA defeituosos ou desnecessários podem ser rapidamente degradados por mecanismos especializados. 6. Controle da atividade proteica Após a tradução, muitas proteínas ainda precisam ser modificadas para se tornarem ativas (ex: fosforilação, acetilação, clivagem proteolítica, etc.). A proteína pode ser ativada ou inativada por sinais, localização intracelular, interação com outros compostos, ou degradação direcionada. Esse nível de regulação permite respostas rápidas e finas, já que modifica proteínas já existentes em vez de depender de novos ciclos de síntese. Cada passo atua como um “filtro”, e a expressão gênica geralmente é regulada por múltiplos mecanismos combinados. Para a maioria dos genes, o controle transcricional é o principal, mas as outras etapas permitem afinações, resposta rápida e flexibilidade celular. 04) COM O AUXÍLIO DOS LIVROS DE BIOLOGIA MOLECULAR E GENÉTICA, ESCLAREÇA COMO OCORRE A EXPRESSÃO GÊNICA. EXPLIQUE O PAPEL DOS ELEMENTOS REGULATÓRIOS NESSE PROCESSO: A expressão gênica é o processo pelo qual a informação contida em umgene do DNA é utilizada para sintetizar um produto funcional, geralmente uma proteína. Esse processo essencial para o funcionamento e desenvolvimento dos organismos envolve duas etapas principais: a transcrição e a tradução. Na transcrição, a enzima RNA polimerase se liga a uma região específica do DNA chamada promotor e sintetiza uma molécula de RNA mensageiro (mRNA) complementar à sequência do gene. Depois, o mRNA é processado, saindo do núcleo e sendo traduzido no citoplasma pelos ribossomos, onde a sequência de nucleotídeos é convertida em uma sequência de aminoácidos que formará a proteína. Essa proteína exercerá a função codificada pelo gene. O processo de expressão gênica é altamente regulado para garantir que os genes sejam ativados ou desativados no momento e na quantidade corretos, o que é crucial para a diferenciação celular e a adaptação a estímulos. A regulação ocorre principalmente na etapa da transcrição e envolve elementos regulatórios localizados no DNA, que podem estar próximos ou distantes do gene que controlam. ELEMENTOS EM CIS (LOCALIZADOS NO MESMO CROMOSSOMO DO GENE REGULADO): Essas são as "placas de sinalização" localizadas no próprio DNA, próximas ou distantes do gene que elas regulam. Elas não codificam proteínas, mas são sítios de ligação para proteínas regulatórias. Promotores: Estrutura: Geralmente localizados imediatamente a montante (antes) do sítio de início da transcrição do gene. Contêm sequências de DNA que são reconhecidas pela maquinaria de transcrição basal. Tipos: Existem promotores fortes (que recrutam eficientemente a RNA polimerase, levando a alta expressão gênica) e promotores fracos (que resultam em menor expressão). Exemplo: A região "TATA box" é um elemento promotor comum em muitos genes, servindo como um ponto de reconhecimento para fatores de transcrição e a RNA polimerase. Regiões Enhancer (Intensificadores): Localização: Podem estar localizados muito longe do gene que regulam – a montante, a jusante, ou até mesmo dentro de íntrons do gene. Sua posição não é tão restritiva quanto a dos promotores. Mecanismo de Ação: Atuam ligando-se a proteínas específicas chamadas ativadores (um tipo de fator de transcrição). Essa ligação, mediada por proteínas intermediárias (como as proteínas do complexo mediador), permite que os enhancers "dobrem" o DNA para que os ativadores se aproximem do promotor, facilitando a montagem do complexo de transcrição e aumentando a taxa de transcrição. Importância: São cruciais para a expressão gênica em tecidos específicos ou em resposta a determinados sinais. Por exemplo, um gene que só precisa ser expresso no fígado pode ter um enhancer que só é ativado por fatores de transcrição presentes nas células hepáticas. Regiões Silencer (Atenuadores): Localização: Semelhante aos enhancers, podem estar localizados em diversas posições em relação ao gene. Mecanismo de Ação: Ligam-se a proteínas específicas chamadas repressores (outro tipo de fator de transcrição). Os represores podem funcionar de várias maneiras: Bloqueando fisicamente a ligação de ativadores ao DNA. Competindo com a RNA polimerase ou fatores de transcrição gerais pelo sítio de ligação no promotor. Recrutando co-repressores que modificam a estrutura da cromatina (o complexo de DNA e proteínas que forma os cromossomos), tornando o DNA menos acessível para a transcrição. FATORES DE TRANSCRIÇÃO EM TRANS (PROTEÍNAS REGULADORAS QUE SE LIGAM AOS ELEMENTOS EM CIS): São as proteínas que "leem" e respondem aos sinais dos elementos cis-regulatórios. Fatores de Transcrição (FTs): Domínios: São proteínas com domínios funcionais específicos, como: Domínio de Ligação ao DNA (DBD): Reconhece e se liga a sequências específicas de DNA nos elementos cis-regulatórios. Existem diversas "famílias" de fatores de transcrição com diferentes DBDs (ex: dedos de zinco, hélice-volta- hélice, leucina zipper). Domínio de Ativação ou Repressão: Interage com outras proteínas (como coativadores, correpressores, a RNA polimerase ou o complexo mediador) para modular a taxa de transcrição. Domínio de Ligação a Ligante (opcional): Alguns FTs precisam se ligar a uma molécula (como um hormônio ou um cofator) para serem ativados ou desativados. Importância: A combinação de diferentes fatores de transcrição que se ligam a um gene específico determina se e como esse gene será expresso. Isso permite a criação de padrões complexos de expressão gênica em diferentes tipos celulares e em diferentes momentos do desenvolvimento. Coativadores e Correpressores: São proteínas que não se ligam diretamente ao DNA, mas que são recrutadas por fatores de transcrição. Coativadores: Ajudam os ativadores a aumentar a transcrição. Eles podem, por exemplo, recrutar HATs (histona acetiltransferases), que relaxam a estrutura da cromatina, tornando o DNA mais acessível. Correpressores: Ajudam os repressores a diminuírem a transcrição. Eles podem, por exemplo, recrutar HDACs (histona deacetilases), que compactam a cromatina, dificultando a transcrição. Complexo Mediador: Um grande complexo proteico que atua como uma ponte entre os fatores de transcrição ligados aos enhancers/silencers e a maquinaria basal de transcrição (incluindo a RNA polimerase) no promotor. Ele integra os sinais recebidos dos diferentes elementos regulatórios. POR QUE ESSA REGULAÇÃO É TÃO IMPORTANTE? Diferenciação Celular: É a base para que uma célula se torne um neurônio, um cardiomiócito ou um hepatócito. Diferentes conjuntos de genes são ativados e desativados em cada tipo celular. Desenvolvimento Embrionário: Padrões precisos de expressão gênica guiam o desenvolvimento do embrião, desde a formação de tecidos até a organogênese. Resposta a Estímulos: Células precisam responder a mudanças no ambiente (hormônios, nutrientes, estresse). A regulação gênica permite essa adaptação rápida. Manutenção da Homeostase: Garantir que as funções celulares essenciais ocorram de forma contínua e equilibrada. 05) CONSULTE A LITERATURA RECOMENDA E EXPLIQUE COMO ACONTECE O MECANISMO DE DEGRADAÇÃO DE MRNA? O mecanismo de degradação do mRNA ocorre em etapas coordenadas, que garantem a remoção controlada e eficiente do mRNA quando ele já não é mais necessário. Abaixo, as principais etapas detalhadas: 1. Desadenilação (remoção da cauda poli-A) O mRNA possui uma cauda poli-A na extremidade 3’ que protege a molécula da degradação e ajuda na estabilidade e tradução. Enzimas chamadas desadenilases encurtam progressivamente essa cauda poli-A, reduzindo sua extensão de cerca de 200 a 250 adeninas para cerca de 30-40 nucleotídeos. Essa redução da cauda poli-A sinaliza que o mRNA está prestes a ser degradado. Proteínas ligantes à cauda poli-A (PABP) regulam a atividade das desadenilases, protegendo parcialmente o mRNA enquanto necessário e permitindo a degradação quando sinalizado. 2. Decapagem (remoção do cap 5’) Após a desadenilação, ocorre a remoção do cap 5’ (7-metilguanosina), que é uma modificação protetora na extremidade 5’ do mRNA. A decapagem é realizada por um complexo enzimático formado pelas proteínas DCP1 e DCP2. A remoção do cap deixa a extremidade 5’ vulnerável à degradação por exonucleases. 3. Degradação exonucleolítica Com o cap removido, o mRNA fica exposto para degradação da extremidade 5’ para 3’ pela exonuclease XRN1, que gradualmente degrada a molécula. Paralelamente, da extremidade 3’ para 5’, o mRNA pode ser degradado pelo complexo enzimático exossoma, que atua degradando a molécula restante. 4. Endonucleólise Em alguns casos, enzimas endonucleares realizam clivagem interna do mRNA, criando fragmentos que são depois degradados pelas exonucleases. 5. Degradação mediada por microRNAs (miRNAs) Os miRNAs regulam a estabilidade do mRNA pós-transcricionalmente. Formam complexos (como o complexo RISC) que se ligam a regiõesespecíficas no mRNA alvo, geralmente na extremidade 3’ UTR. Isso pode levar à inibição da tradução, desadenilação acelerada, decapagem e degradação do mRNA pelo exossoma e XRN1. Compartimentos envolvidos Esses processos ocorrem principalmente em estruturas citoplasmáticas chamadas P-bodies, que são compartimentos especializados contendo enzimas responsáveis pela degradação e regulação do mRNA. Em resumo, o mRNA é primeiramente marcado para degradação pela remoção da cauda poli-A, seguido pela retirada do cap 5’ e depois degradado por exonucleases, com regulação fina pela ação de miRNAs e clivagens internas. Esse controle é crucial para o ajuste da quantidade proteica na célula conforme suas necessidades e estímulos. 06) COM O AUXÍLIO DOS LIVROS DE BIOLOGIA MOLECULAR, EXPLIQUE O CONCEITO DE EPIGENÉTICA E OS PRINCIPAIS FATORES QUE TEM INFLUÊNCIA SOBRE O ENTENDIMENTO DO CONCEITO: Com a conclusão do projeto do genoma em 2003, existiam grandes expectativas quanto às informações da sequência de DNA para fornecer respostas sobre as mutações causais para doenças comuns. No entanto, este não foi completamente o caso. Outro achado interessante que resultou do projeto do genoma foi que o nível percebido de complexidade dos seres humanos não foi acompanhado por um aumento relativo no número de genes quando comparado às 'espécies inferiores'. A epigenética é capaz de fornecer respostas para perguntas relacionadas à saúde, anteriormente não respondidas, e pode explicar as diferenças no nível de complexidade entre os organismos. Os estudos epigenéticos realizados nos últimos anos expuseram um mecanismo regulador multicamada muito complexo que é capaz de responder a perguntas intrigantes em biologia. A compreensão e a interpretação do papel das modificações epigenéticas no genoma humano progrediram rapidamente na última década, com o avanço das tecnologias baseadas em microarrays e baseadas em sequência. A interação complexa entre a metilação do DNA, modificações de histonas, complexos de proteínas e microRNAs tornou-se mais bem apreciada no contexto do controle epigenético local e de longo alcance da transcrição, tanto na diferenciação celular normal quanto na tumorigênese. Fonte:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20962634/ What is epigenetics? https://youtu.be/_aAhcNjmvhc Epigenetics: Nature vs nurture: https://youtu.be/k50yMwEOWGU Epigenetics: https://youtu.be/kp1bZEUgqVI Introduction to epigenetics: https://youtu.be/IAu44BkOaSs *Todos os vídeos estão em inglês, mas é possível usar o recurso legenda (português), nas configurações do próprio Youtube O termo foi originalmente usado por Conrad Waddington para descrever as interações entre genes e seus produtos que levam a mudanças fenotípicas. Atualmente, epigenética refere-se especificamente às modificações químicas e estruturais que alteram a acessibilidade do DNA à maquinaria celular, sem modificar a sequência nucleotídica. Essas alterações são dinâmicas e reversíveis, podendo ser transmitidas às células filhas (herança mitótica) e, em alguns casos, a gerações seguintes (herança meiótica e transgeracional). Principais fatores que influenciam o conceito de epigenética 1. Modificações químicas do DNA: A metilação do DNA, principalmente na citosina em contextos CpG, é um dos mecanismos mais estudados. Essa metilação pode silenciar genes ao impedir a ligação de fatores de transcrição ou recrutando proteínas represoras. 2. Modificações nas histonas: Hidroxilações, metilações, acetilações, fosforilações e outras modificações covalentes nas proteínas histonas que enrolam o DNA influenciam a compactação da cromatina. A cromatina mais condensada (heterocromatina) é geralmente associada à repressão gênica, enquanto a mais aberta (eucromatina) favorece a transcrição. 3. RNAs não codificadores: Pequenos RNAs, como microRNAs (miRNAs), e grandes RNAs não codificadores desempenham papel fundamental na regulação pós-transcricional e podem influenciar a estrutura da cromatina e a expressão gênica. 4. Ambiente e estilo de vida: Fatores externos, como dieta, estresse, exposição a toxinas, doenças e até comportamentos, podem induzir modificações epigenéticas, influenciando a saúde e o desenvolvimento ao longo da vida do organismo. 5. Plasticidade e reversibilidade: As marcas epigenéticas são dinâmicas, apresentando plasticidade que permite aos organismos adaptarem a expressão gênica conforme o ambiente e condições internas. Importância para a biologia e medicina A epigenética explica como células com o mesmo DNA (como em diferentes tipos celulares) podem ter funções e expressões gênicas distintas. Também é fundamental para a compreensão de doenças complexas, incluindo câncer, doenças autoimunes e transtornos neuropsiquiátricos, onde alterações epigenéticas alteram padrões normais de expressão gênica. 07) COM BASE NOS LIVROS DE BIOLOGIA MOLECULAR E GENÉTICA, EXPLIQUE DETALHADAMENTE OS MECANISMOS DE CONTROLE EPIGENÉTICO DA EXPRESSÃO GÊNICA. DÊ ÊNFASE AOS SEGUINTES PROCESSOS: A) METILAÇÃO DO DNA Etapa 1: As DNA metiltransferases (DNMTs) adicionam grupos metil (-CH3) na posição 5 da citosina, geralmente em dinucleotídeos CpG. Etapa 2: A metilação pode ocorrer de novo (DNMT3A e DNMT3B) ou ser mantida durante a replicação (DNMT1, que reconhece o DNA hemimetilado e replica o padrão na nova fita). Etapa 3: A presença do grupo metil impede a ligação de fatores de transcrição e/ou recruta proteínas repressoras de metil-CpG, que por sua vez recrutam histona desacetilases e metilases. Etapa 4: Resulta na compactação da cromatina numa configuração de heterocromatina, reprimindo a transcrição gênica. Importância: Regula padrões de expressão, imprinting, inativação do cromossomo X e supressão de elementos transponíveis. B) ACETILAÇÃO DO DNA A acetilação ocorre predominantemente nas histonas (ver c). Para o DNA em si, a acetilação direta é rara e pouco descrita; portanto, geralmente o termo refere-se à acetilação das histonas que afeta a acessibilidade do DNA. C) MODIFICAÇÕES DE HISTONAS (ACETILAÇÃO E METILAÇÃO) Acetilação: Etapa 1: Histona acetiltransferases (HATs) transferem grupos acetil (-COCH3) para resíduos de lisina nas caudas N-terminais das histonas. Etapa 2: Essa adição neutraliza a carga positiva das lisinas, reduzindo a afinidade das histonas pelo DNA negativo. Etapa 3: A cromatina se torna menos compactada (eucromatina), facilitando o acesso da maquinaria de transcrição. Etapa 4: Resulta em ativação da transcrição. Metilação: Etapa 1: Histona metiltransferases (HMTs) adicionam grupos metil (-CH3) em lisinas ou argininas da histona. Etapa 2: Dependendo do resíduo e do número de grupos metil (mono-, di- ou trimetilação), a modificação pode ativar ou reprimir a transcrição. Etapa 3: Exemplo: Metilação de H3K4 está associada à ativação gênica; metilação de H3K9 ou H3K27 está ligada à repressão e formação de heterocromatina. Etapa 4: Essas marcas funcionam como sinais para recrutamento de outras proteínas reguladoras, remodeladoras de cromatina ou complexos repressivos. D) RNAS NÃO CODIFICADORES (SIRNA, MIRNA) miRNA: Etapa 1: O miRNA é processado de um precursor maior no núcleo e depois no citoplasma, formando uma pequena cadeia RNA (~22nt). Etapa 2: Incorporação do miRNA no complexo RISC (RNA-induced silencing complex). Etapa 3: O complexo se liga ao mRNA alvo pela complementariedade parcial na região 3’ UTR. Etapa 4: OmiRNA inibe a tradução ou promove a degradação do mRNA, silenciando o gene pós- transcricionalmente. siRNA: Etapa 1: Deriva de moléculas duplas de RNA (exógenas ou endógenas) processadas por Dicer. Etapa 2: Incorporação ao RISC, com complementariedade perfeita ao mRNA alvo. Etapa 3: Corte e degradação do mRNA, promovendo silenciamento gênico eficaz. E) FOSFORILAÇÃO Etapa 1: Quinases específicas adicionam grupos fosfato (PO4) emresíduos de serina, treonina ou tirosina nas caudas das histonas. Etapa 2: Essas modificações podem alterar a carga e a estrutura da cromatina, causando uma abertura ou fechamento da cromatina dependendo do contexto. Etapa 3: A fosforilação pode desencadear a ativação de genes em resposta a estímulos, replicação, reparo no DNA e outras funções celulares. F) UBIQUITINAÇÃO Etapa 1: Ubiquitina, uma pequena proteína, é covalentemente ligada a resíduos de lisina nas histonas (principalmente H2A e H2B) por enzimases ubiquitina ligases. Etapa 2: A ubiquitinação pode sinalizar remodelação da cromatina para ativação ou repressão gênica, alterando a estrutura e o recrutamento de outros fatores. Etapa 3: Além da regulação gênica, pode marcar proteínas para degradação via sistema proteassomal, influenciando a estabilidade dos reguladores epigenéticos. Esses processos epigenéticos formam um sistema integrado e dinâmico, que controla a expressão gênica em resposta ao desenvolvimento, sinalizações ambientais e diferenciação celular, sendo essenciais para a manutenção da identidade celular e para o adequado funcionamento biológico. 08) DENTRO DAS BASES GENÉTICAS DO CÂNCER E DE ACORDO COM OS LIVROS DE BIOLOGIA MOLECULAR, DEFINIR: a) ONCOGENE São formas anômalas de genes normais (proto-oncogenes) que regulam os vários aspectos do crescimento e da diferenciação celulares. A mutação desses genes pode resultar no estímulo contínuo e direto das vias biológicas moleculares (p. ex., receptores do fator de crescimento da superfície celular, vias de transdução do sinal intracelular, fatores de transcrição, fatores de crescimento secretados) que controlam o crescimento e a divisão celulares, metabolismo celular, reparo de DNA, angiogênese e outros processos fisiológicos. Há > 100 oncogenes conhecidos que podem contribuir para a transformação neoplásica humana. Por exemplo, o gene RAS codifica a proteína ras, que transporta os sinais dos receptores ligados à membrana até a via RAS-MAPKinase ao núcleo da célula, e assim regula a divisão celular. As mutações podem resultar na ativação inapropriada da proteína ras, causando crescimento celular descontrolado. A proteína ras é anormal em cerca de 25% dos cânceres humanos (1). Outros oncogenes têm sido implicados em tipos específicos de câncer. Esses incluem HER2 (amplificado no câncer de mama e gástrico e menos comumente no câncer de pulmão) BCR::ABL1 (um gene quimérico presente na leucemia mieloide crônica e em algumas leucemias linfocíticas agudas de células B) CMYC (linfoma de Burkitt) NMYC (câncer de pulmão de células pequenas, neuroblastoma) EGFR (adenocarcinoma do pulmão) EML4ALK (um gene quimérico presente no adenocarcinoma do pulmão) KRAS (câncer pancreático, câncer de pulmão) Oncogenes específicos podem ter implicações importantes para diagnóstico, terapia e prognóstico (ver discussões individualizadas de cada tipo específico de câncer). Oncogenes normalmente resultam de Mutações pontuais de células somáticas adquiridas (p. ex., decorrente de carcinogênicos químicos) Amplificação gênica (p. ex., aumento no número de cópias de um gene normal) Translocações (nas quais partes de diferentes genes se fundem formando uma sequência única) Essas alterações podem aumentar a atividade do produto gênico (proteína) ou alterar sua função. Ocasionalmente, a mutação nos genes das células germinativas resulta em herança da predisposição ao câncer. b) PROTO-ONCOGENE Um proto-oncogene é um gene normal que codifica proteínas envolvidas na regulação do ciclo celular, crescimento, diferenciação e sobrevivência celular. Atua como um "acelerador" fisiológico do crescimento celular. Quando sofre mutações pontuais, amplificações ou rearranjos, pode se transformar em oncogene, levando a crescimento celular anormal. c) GENES SUPRESSORES TUMORAIS. São genes que codificam proteínas responsáveis por inibir a proliferação celular, reparar danos no DNA e induzir apoptose, atuando como "freios" no crescimento celular. Sua função normal é prevenir a transformação celular e o desenvolvimento tumoral. A perda ou mutação dos dois alelos (mutações recessivas) desses genes remove esses controles, contribuindo para o câncer. Exemplos incluem TP53 (que regula o reparo do DNA e a apoptose), RB1 (controle do ciclo celular) e BRCA1/2 (reparo do DNA). POSTERIORMENTE, DESCREVA OS MECANISMOS DE APARECIMENTO DOS ONCOGENES A PARTIR DE PROTO-ONCOGENES, EXPLICANDO OS PROCESSOS: A imagem mostra o desenvolvimento do câncer a partir de eventos que ocorrem ao longo do tempo, desde a fertilização até a resistência à quimioterapia, ilustrando as mutações que ocorrem nos genes. Mecanismos de aparecimento dos oncogenes a partir de proto-oncogenes: 1. Mutações pontuais: Alterações em nucleotídeos específicos da sequência do proto-oncogene que levam a uma proteína hiperativa ou que não responde aos mecanismos normais de controle. Essas mutações podem ativar o proto-oncogene, transformando-o em oncogene. Exemplo: Mutação no gene RAS que impede sua inativação. 2. Amplificação gênica: Aumento no número de cópias do proto-oncogene no genoma, resultando em superexpressão da proteína codificada, que pode promover crescimento celular excessivo. Exemplo: Amplificação do MYC e HER2 em alguns cânceres. 3. Rearranjos cromossômicos: Translocações, inversões ou fusões de partes dos cromossomos que podem ativar um proto-oncogene ao colocá-lo sob controle de um promotor mais ativo ou criar uma proteína quimérica com nova função oncogênica. Exemplo: Fusão do gene BCR-ABL na leucemia mieloide crônica. 4. Expressão anormalmente regulada: Alterações nos elementos regulatórios, como mutações em promotores ou enhancers, resultando em ativação excessiva do proto-oncogene. Na imagem, as mutações Driver (estrela) são aquelas que conferem vantagem proliferativa e são essenciais para a evolução tumoral, enquanto as mutações Passenger (círculo) são neutras e não contribuem diretamente para o desenvolvimento do câncer. A resistência à quimioterapia surge por mutações que conferem capacidade de sobrevivência às células tumorais apesar do tratamento (triângulo na figura). Esses processos ocorrem ao longo da vida, sendo influenciados por mutações espontâneas ou induzidas pelo ambiente e estilo de vida, levando a expansão clonal de células com vantagem proliferativa e eventual formação do tumor maligno, com capacidade de invasão e resistência ao tratamento. 09) DE ACORDO COM OS LIVROS DE BIOLOGIA MOLECULAR E INTRODUÇÃO A GENÉTICA, DESCREVA OS MECANISMOS QUE CARACTERIZAM A HERANÇA EPIGENÉTICA, TAMBÉM CONHECIDOS COMO MEMÓRIA EPIGENÉTICA: Os mecanismos de memória epigenética, também chamados de herança epigenética, envolvem a manutenção e transmissão de marcas epigenéticas que regulam a expressão gênica ao longo das divisões celulares e, em alguns casos, entre gerações. Essas marcas funcionam como “memórias” que preservam o estado funcional da célula sem alterar a sequência de DNA. A seguir, um aprofundamento sobre esses mecanismos, suas funções e localizações: 1. Metilação do DNA Função: A metilação de citosinas em dinucleotídeos CpG silencia gene ou regula sua expressão ao impedir o acesso dos fatores de transcrição e recrutando proteínas repressoras. Mecanismo de herança: Após replicação do DNA, a DNMT1 reconhece o DNA hemimetilado e adiciona grupos metil à nova fita, preservando o padrão original. Localização: Ocorre no núcleo, nas regiões regulatórias do DNA, principalmente em promotores e ilhas CpG. 2. Modificações de Histonas Função: Alteram a estrutura da cromatina modulando sua compactação, afetando a acessibilidade do DNA para a maquinaria transcricional. Acetilação, metilação, fosforilação e outras modificações atuam como sinais para ativação ou repressão gênica. Mecanismo de herança: As enzimasmodificadoras de histonas reconhecem marcas pré- existentes, recruta-se complexos “escritores” que copiam essas marcas para as novas histonas após a replicação. Localização: As modificações ocorrem nas caudas das histonas no núcleo, dentro do nucleossomo. 3. RNAs Não Codificadores (miRNAs, siRNAs) Função: Controlam a expressão gênica pós-transcricionalmente e regulam a organização da cromatina e manutenção das marcas epigenéticas. Mecanismo de herança: São capazes de guiar complexos para regiões específicas do genoma e podem mediar herança epigenética, especialmente em modelos de células germinativas e transgeracional. Localização: Citoplasma (ação pós-transcricional) e núcleo (modulação transcricional e cromatina). 4. Plasticidade e Dinâmica Embora esses mecanismos preservem estados epigenéticos, eles também são reversíveis e ajustáveis, permitindo adaptações rápidas e respostas a estímulos ambientais e fisiológicos. 5. Implicações na Saúde e Desenvolvimento Essas memórias epigenéticas são essenciais para a manutenção da identidade celular e funções específicas. Também explicam como fatores ambientais (dieta, estresse, exposição química) podem afetar a expressão gênica e a saúde das células filhas e das gerações futuras. 10) EXPLIQUE COMO OS MECANISMOS DE FEEDBACK POSITIVO E NEGATIVO REGULAM A EXPRESSÃO GÊNICA. FORNEÇA EXEMPLOS DE CADA TIPO DE FEEDBACK E DISCUTA SUA IMPORTÂNCIA NA HOMEOSTASE CELULAR. FEEDBACK NEGATIVO NA EXPRESSÃO GÊNICA Localização: Atua em diversos níveis celulares, tanto no núcleo, regulando fatores de transcrição, quanto no citoplasma, controlando a síntese proteica e degradação de moléculas regulatórias. Etapas: 1. Um estímulo inicial (como aumento da concentração de uma proteína) ativa a expressão de um gene. 2. O produto da expressão (proteína) atua para inibir sua própria produção, por exemplo, bloqueando a atividade de seu fator de transcrição ou promovendo a degradação do mRNA. 3. Essa inibição reduz o estímulo inicial, evitando produção excessiva da proteína. Exemplo: Regulação dos níveis de glicose no sangue pela insulina, onde altos níveis de glicose estimulam a produção de insulina, que reduz a glicose, diminuindo o estímulo para sua própria produção. No controle gênico, proteínas repressoras que se acumulam e bloqueiam seus próprios genes. Importância: Mantém a estabilidade dos sistemas biológicos, evitando oscilações extremas na expressão gênica. Crucial para a homeostase celular e para a regulação fina da quantidade de proteínas. FEEDBACK POSITIVO NA EXPRESSÃO GÊNICA Localização: Também pode ocorrer no núcleo com ativadores de transcrição ou no citoplasma, amplificando a resposta gênica em cascata. Etapas: 1. Um estímulo inicial ativa a expressão de um gene. 2. O produto desse gene aumenta a ativação do próprio gene ou de genes relacionados, promovendo mais produção do produto. 3. Essa amplificação contínua só cessa quando um mecanismo inibitório externo ou limitante atua. Exemplo: No parto, a pressão do bebê no colo do útero estimula a liberação de ocitocina que causa contrações uterinas maiores, amplificando o estímulo até o nascimento. Autoativação de fatores de transcrição que mantêm o estado diferencial de uma célula. Importância: Amplifica respostas celulares, permitindo decisões rápidas e irreversíveis, como diferenciação, morte celular ou resposta a sinais importantes. Fundamental para processos em que a ativação sustentada é necessária. DISCUSSÃO E IMPORTÂNCIA NA HOMEOSTASE CELULAR O feedback negativo é predominante para manter condições estáveis e equilibrar a expressão gênica, evitando excesso ou falta de proteínas. O feedback positivo é estratégico para reforçar e consolidar certos estados celulares ou respostas críticas, garantindo que uma mudança uma vez iniciada possa ser completada. Ambos, trabalhando em conjunto, permitem a flexibilidade e robustez necessárias para a adaptação celular a diferentes condições e para a manutenção da funcionalidade normal dos tecidos e organismos. Esses mecanismos são essenciais na regulação do ciclo celular, resposta ao estresse, diferenciação celular e em patologias como o câncer, onde seu desequilíbrio pode levar à proliferação descontrolada ou falha de respostas celulares. REFERÊNCIAS 1. ALBERTS, B. et al. Biologia molecular da célula. 6 ed. Porto Alegre: Artes. Médicas, 2017 2. DE ROBERTIS, E. M. F. Biologia Celular e Molecular. 16 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017. 3. VINAY KUMAR... [et al]. Robbins, patologia básica. 10 ed. - Rio de Janeiro: Elsevier, 2018. 4. BOGLIOLO, L. Patologia Geral. 10 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. 5. GRIFFITHS, J. F. A. et. al.; Introdução à genética. 12 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2022. 6. LODISH, Harvey et al. Biologia Celular e molecular. 7ª edição, Porto Alegre: Artmed, 2014. 7. SNUSTAD, D.P.; SIMMONS, M.J. Fundamentos de Genética. 7ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017 8. SAITO, R. F. Fundamentos de Oncologia Molecular. São Paulo, Atheneu, 2015.