A informação genética de um organismo está codificada no DNA dos cromossomos do organismo, mas há outras influências em ação. O Sequências de DNA a composição de um gene pode não estar ativa ou podem estar bloqueados. As características de um organismo são determinadas por seus genes, mas se os genes estão realmente criando a característica codificada é chamada expressão genetica.
Muitos fatores podem influenciar a expressão do gene, determinando se o gene produz sua característica ou, às vezes, apenas fracamente. Quando a expressão gênica é influenciada por hormônios ou enzimas, o processo é chamado de regulação gênica.
Epigenética estuda a biologia molecular da regulação gênica e outras influências epigenéticas na expressão gênica. Basicamente, qualquer influência que modifique o efeito das sequências de DNA sem alterar o código do DNA é assunto para epigenética.
Epigenética: Definição e Visão Geral
Epigenética é o processo pelo qual as instruções genéticas contidas no DNA de organismos são influenciados por
fatores não genéticos. O principal método para processos epigenéticos é o controle da expressão gênica. Alguns mecanismos de controle são temporários, mas outros são mais permanentes e podem ser herdados via herança epigenética.Um gene se expressa fazendo uma cópia de si mesmo e enviando a cópia para a célula para produzir a proteína codificada em suas sequências de DNA. A proteína, sozinha ou em combinação com outras proteínas, produz uma característica específica do organismo. Se o gene for impedido de produzir a proteína, a característica do organismo não aparecerá.
A epigenética analisa como o gene pode ser impedido de produzir sua proteína e como pode ser reativado se for bloqueado. Entre muitos mecanismos epigenéticos que podem influenciar a expressão do gene são os seguintes:
- Desativando o gene.
- Parando o gene de fazendo uma cópia.
- Parando o gene copiado de produzindo a proteína.
- Bloqueando o função da proteína.
- Rompendo a proteína antes que ela possa funcionar.
A epigenética estuda como os genes são expressos, o que influencia sua expressão e os mecanismos que controlam os genes. Ele olha para a camada de influência acima da camada genética e como essa camada determina mudanças epigenéticas na aparência de um organismo e como ele se comporta.
Como funciona a modificação epigenética
Embora todas as células de um organismo tenham o mesmo genoma, as células assumem funções diferentes com base em como regulam seus genes. No nível do organismo, os organismos podem ter o mesmo código genético, mas têm aparência e comportamento diferentes. No caso dos humanos, por exemplo, gêmeos idênticos têm o mesmo genoma humano, mas terão aparência e comportamento ligeiramente diferente, dependendo de alterações epigenéticas.
Esses efeitos epigenéticos podem variar dependendo de muitos fatores internos e externos, incluindo o seguinte:
- Hormônios
- Fatores de crescimento
- Neurotransmissores
- Fatores de transcrição
- Estímulos químicos
- Estímulos ambientais
Cada um deles pode ser fatores epigenéticos que promovem ou interrompem a expressão gênica nas células. Tal controle epigenético é outra maneira de regular a expressão do gene sem alterar o código genético subjacente.
Em cada caso, a expressão geral do gene é alterada. Os fatores internos e externos são necessários para a expressão do gene ou podem bloquear um dos estágios. Se um fator necessário, como uma enzima necessária para a produção de proteínas, estiver ausente, a proteína não poderá ser produzida.
Se um fator de bloqueio estiver presente, o estágio de expressão do gene correspondente não pode funcionar e a expressão do gene relevante é bloqueada. Epigenética significa que uma característica codificada nas sequências de DNA de um gene pode não aparecer no organismo.
Limitações epigenéticas ao acesso ao DNA
O genoma é codificado em moléculas finas e longas de sequências de DNA que precisam ser firmemente enroladas em uma estrutura de cromatina complicada para caber em minúsculos núcleos celulares.
Para expressar um gene, o DNA é copiado por meio de um mecanismo de transcrição. A parte de um Dupla hélice de DNA que contém o gene a ser expresso é ligeiramente desenrolado e uma molécula de RNA faz uma cópia das sequências de DNA que constituem o gene.
As moléculas de DNA são enroladas em proteínas especiais chamadas histonas. As histonas podem ser alteradas para que o DNA seja enrolado com mais ou menos força.
Tal modificações de histonas pode resultar em moléculas de DNA sendo enroladas com tanta força que o mecanismo de transcrição, feito de enzimas e aminoácidos especiais, não consegue alcançar o gene a ser copiado. Limitar o acesso a um gene por meio da modificação da histona resulta no controle epigenético do gene.
Modificações Epigenéticas Adicionais de Histonas
Além de limitar o acesso aos genes, as proteínas histonas podem ser alteradas para se ligarem mais ou menos firmemente às moléculas de DNA enroladas em torno delas no cromatina estrutura. Essas modificações nas histonas afetam o mecanismo de transcrição, cuja função é fazer uma cópia do RNA dos genes a serem expressos.
As modificações de histonas que afetam a expressão gênica desta forma incluem o seguinte:
- Metilação - adiciona um grupo metil às histonas, aumentando a ligação ao DNA e reduzindo a expressão do gene.
- Fosforilação - adiciona grupos fosfato às histonas. O efeito na expressão gênica depende da interação com metilação e acetilação.
- Acetilação - a acetilação das histonas reduz a ligação e regula positivamente a expressão gênica. Os grupos acetil são adicionados com histona acetiltransferases (HATs).
- Desacetilação - remove grupos acetil, aumenta a ligação e reduz a expressão gênica com histona desacetilase.
Quando as histonas são alteradas para aumentar a ligação, o código genético de um gene específico não pode ser transcrito e o gene não é expresso. Quando a ligação é reduzida, mais cópias genéticas podem ser feitas ou podem ser feitas com mais facilidade. O gene específico é então expresso cada vez mais de sua proteína codificada é produzida.
O RNA pode interferir na expressão gênica
Depois que as sequências de DNA de um gene são copiadas para um Sequência de RNA, a Molécula de RNA deixa o núcleo. A proteína codificada na sequência genética pode ser produzida por pequenas fábricas de células chamadas ribossomos.
A cadeia de operações é a seguinte:
- Transcrição de DNA para RNA
- Molécula de RNA deixa o núcleo
- RNA encontra ribossomos na célula
- Tradução de sequência de RNA para cadeias de proteínas
- Produção de proteína
As duas funções principais de uma molécula de RNA são a transcrição e a tradução. Além do RNA usado para copiar e transferir as sequências de DNA, as células podem produzir RNA de interferência ou iRNA. Estas são fitas curtas de sequências de RNA chamadas RNA não codificante porque eles não têm nenhuma sequência que codifique genes.
Sua função é interferir na transcrição e tradução, reduzindo a expressão gênica. Desta forma, o iRNA tem um efeito epigenético.
A metilação do DNA é um fator importante na expressão gênica
Durante a metilação do DNA, as enzimas chamadas Metiltransferases de DNA anexar grupos metil a moléculas de DNA. Para ativar um gene e iniciar o processo de transcrição, uma proteína precisa se ligar à molécula de DNA perto do início. Os grupos metil são colocados nos locais onde uma proteína de transcrição normalmente se ligaria, bloqueando assim a função de transcrição.
Quando as células se dividem, as sequências de DNA do genoma da célula são copiadas em um processo chamado Replicação de DNA. O mesmo processo é usado para criar esperma e células-ovo em organismos superiores.
Muitos dos fatores que regulam a expressão do gene são perdidos quando o DNA é copiado, mas muitos dos padrões de metilação do DNA são replicados nas moléculas de DNA copiadas. Isso significa que a regulação da expressão gênica causada por A metilação do DNA pode ser herdada mesmo que as sequências de DNA subjacentes permaneçam inalteradas.
Porque a metilação do DNA responde a fatores epigenéticos, como meio ambiente, dieta, produtos químicos, estresse, poluição, escolhas de estilo de vida e radiação, as reações epigenéticas da exposição a tais fatores podem ser herdadas através do DNA metilação. Isso significa que, além das influências genealógicas, um indivíduo é moldado pelo comportamento dos pais e pelos fatores ambientais aos quais foram expostos.
Exemplos de epigenética: doenças
As células têm genes que promovem divisão celular bem como genes que suprimem o crescimento celular rápido e descontrolado, como em tumores. Os genes que causam o crescimento de tumores são chamados oncogenes e aqueles que previnem tumores são chamados genes supressores de tumor.
Os cânceres humanos podem ser causados pelo aumento da expressão de oncogenes juntamente com a expressão bloqueada de genes supressores de tumor. Se o padrão de metilação do DNA correspondente a essa expressão gênica for herdado, a prole pode ter uma suscetibilidade aumentada ao câncer.
No caso de câncer colorretal, um padrão de metilação do DNA defeituoso pode ser passado de pais para filhos. De acordo com um estudo de 1983 e artigo de A. Feinberg e B. Vogelstein, o padrão de metilação do DNA de pacientes com câncer colorretal, mostrou aumento da metilação e bloqueio dos genes supressores de tumor com uma diminuição da metilação dos oncogenes.
A epigenética também pode ser usada para ajudar tratar doenças genéticas. Na Síndrome do X Frágil, um gene do cromossomo X que produz uma proteína regulatória chave está faltando. A ausência da proteína significa que a proteína BRD4, que inibe o desenvolvimento intelectual, é produzida em excesso de forma descontrolada. Drogas que inibem a expressão de BRD4 podem ser usadas para tratar a doença.
Exemplos de epigenética: comportamento
A epigenética tem uma grande influência nas doenças, mas também pode afetar outras características do organismo, como o comportamento.
Em um estudo de 1988 na Universidade McGill, Michael Meany observou que ratos cujas mães cuidaram deles lambendo e prestando atenção neles se tornaram adultos calmos. Os ratos cujas mães os ignoraram tornaram-se adultos ansiosos. Uma análise do tecido cerebral mostrou que o comportamento das mães causou mudanças no metilação de células cerebrais nos ratos bebês. As diferenças na descendência de ratos foram o resultado de efeitos epigenéticos.
Outros estudos analisaram o efeito da fome. Quando as mães foram expostas à fome durante a gravidez, como foi o caso na Holanda em 1944 e 1945, seu crianças tiveram uma maior incidência de obesidade e doença coronariana em comparação com mães não expostas a fome. Os riscos mais elevados foram atribuídos à redução da metilação do DNA de um gene que produz um fator de crescimento semelhante à insulina. Tal efeitos epigenéticos pode ser herdado por várias gerações.
Os efeitos do comportamento que podem ser transmitidos de pais para filhos podem incluir o seguinte:
- A dieta dos pais pode influenciar a saúde mental dos filhos.
- A exposição ambiental à poluição nos pais pode afetar a asma infantil.
- A história nutricional da mãe pode afetar o tamanho do bebê ao nascer.
- O consumo de álcool em excesso pelo pai ou mãe pode causar agressividade na prole.
- A exposição dos pais à cocaína pode afetar a memória.
Esses efeitos são os resultados de mudanças na metilação do DNA passada para a prole, mas se esses fatores podem mudar a metilação do DNA nos pais, os fatores que as crianças experimentam podem mudar seu próprio DNA metilação. Ao contrário do código genético, a metilação do DNA em crianças pode ser alterada pelo comportamento e pela exposição ambiental na vida adulta.
Quando a metilação do DNA é afetada pelo comportamento, as marcas de metila no DNA onde os grupos metila podem se anexar podem mudar e influenciar a expressão do gene dessa forma. Embora muitos dos estudos que tratam da expressão gênica datem de muitos anos atrás, só mais recentemente os resultados foram conectados a um volume crescente de pesquisa epigenética. Esta pesquisa mostra que o papel da epigenética pode ser uma influência tão poderosa sobre os organismos quanto o código genético subjacente.
