Cromatina: tipos, características, estrutura, funções - Ciência - 2023

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o cromatina É o complexo formado por DNA e proteínas, único em organismos eucarióticos. Em termos de proporção, ele contém quase duas vezes mais proteínas do que material genético. As proteínas mais importantes neste complexo são as histonas - pequenas proteínas carregadas positivamente que se ligam ao DNA por meio de interações eletrostáticas. Além disso, a cromatina tem mais de mil proteínas além das histonas.

A unidade fundamental da cromatina é o nucleossomo, que consiste na união de histonas e DNA. Este arranjo é uma reminiscência das contas de um colar. Depois de passar por todos os níveis superiores de organização do DNA, chegaremos aos cromossomos.

A estrutura da cromatina está intimamente relacionada ao controle da expressão gênica. Existem dois tipos principais: eucromatina e heterocromatina.

A eucromatina é caracterizada por um baixo grau de compactação, o que se traduz em altos níveis de transcrição. Em contraste, a heterocromatina é transcricionalmente inativa, devido ao seu alto grau de compactação.

Estruturalmente, existem certas marcas epigenéticas das histonas típicas de ambos os tipos de cromatinas. Enquanto a eucromatina está associada à acetilação, a heterocromatina está associada a uma diminuição nos grupos químicos.

Existem algumas regiões de heterocromatina com funções estruturais, como telômeros e centrômeros.

Perspectiva histórica

O estudo do material genético e sua organização estrutural começou em 1831, quando o pesquisador Robert Brown descreveu o núcleo. Uma das questões imediatas a essa descoberta era indagar sobre a natureza biológica e química dessa estrutura.

Essas questões começaram a ser elucidadas entre 1870 e 1900, com os experimentos de Friedrich Miescher, que introduziu a palavra nucleína. No entanto, Walther Flemming modifica o termo e usa cromatina para se referir à substância nuclear.

Com o passar do tempo, você começa a ter uma compreensão mais profunda do material genético e de suas propriedades. Só em 1908 o pesquisador italiano Pasquale Baccarini percebeu que a cromatina não era homogênea e conseguiu visualizar pequenos corpos dentro do núcleo.

Os tipos de cromatinas - eucromatina e heterocromatina - foram inicialmente propostos por Emil Heitz em 1928. Para estabelecer essa classificação, Heitz recorreu ao uso de corantes.

Em 1974, o biólogo Roger Kornberg propôs um modelo de organização do material genético em estruturas conhecidas como nucleossomos, hipótese confirmada empiricamente pelos experimentos de Markus Noll.

O que é cromatina?

Componentes da cromatina: DNA e proteínas

A cromatina é uma nucleoproteína formada pela união de material genético - DNA - com um conjunto heterogêneo de proteínas. Esta associação é altamente dinâmica e adquire uma conformação tridimensional complexa que lhe permite cumprir as suas funções reguladoras e estruturais.

Uma das proteínas mais importantes da cromatina são as histonas, encontradas quase na mesma proporção do DNA.

Histonas são proteínas básicas, notavelmente conservadas ao longo da história evolutiva dos seres orgânicos - ou seja, nossas histonas não variam muito em comparação com as de outros mamíferos, mesmo outro animal mais distante filogeneticamente.

A carga das histonas é positiva, portanto elas podem interagir por meio de forças eletrostáticas com a carga negativa do esqueleto de fosfato presente no DNA. Existem cinco tipos de histonas, a saber: H1, H2A, H2B, H3 e H4.

Existem também várias proteínas de natureza diferente das histonas que participam da compactação do DNA.

Compactação de DNA: nucleossomos

A unidade básica da cromatina são os nucleossomos - estruturas repetitivas compostas de DNA e histonas, uma conformação encontrada em todo o material genético.

A dupla hélice do DNA é enrolada em um complexo de oito histonas conhecido como histona octâmero. A molécula se enrola em cerca de duas voltas, seguida por uma curta região (entre 20 e 60 pares de bases) que separa os nucleossomos uns dos outros.

Para entender essa organização, devemos levar em consideração que a molécula de DNA é extremamente longa (cerca de 2 metros) e deve ser enrolada de forma ordenada para se estabelecer no núcleo (cujo diâmetro é de 3 a 10 µm). Além disso, deve ser disponibilizado para replicação e transcrição.

Este objetivo é alcançado com diferentes níveis de compactação do DNA, sendo o primeiro os referidos nucleossomos. Assemelham-se às contas de um colar de pérolas. Aproximadamente 150 pares de bases de DNA são enrolados em "contagens" caseiras.

Não existem histórias verdadeiras sobre bactérias. Em contraste, há uma série de proteínas que lembram histonas e se presume que contribuem para o empacotamento do DNA bacteriano.

Organização de topo

A organização da cromatina não é restrita ao nível do nucleossomo. Essa associação de proteínas e DNA são agrupadas em uma estrutura mais espessa de cerca de 30 nm - por causa dessa espessura é chamada de nível de "fibra de 30 nm".

A cromatina organizada na espessura de 30 nm é, por sua vez, organizada na forma de alças que se estendem em uma espécie de arcabouço de natureza proteica (não histonas).

Este é o modelo que está sendo usado atualmente, embora possam ser esperados mecanismos de compactação mais complexos. A organização final consiste no cromossomo.

Erros na organização da cromatina

A compactação e organização do material genético é vital para múltiplas funções biológicas. Diferentes condições médicas têm sido associadas a erros na estrutura da cromatina, entre elas a talassemia alfa ligada ao X, síndrome de Rubinstein-Taybi, síndrome de Coffin-Lowry, síndrome de Rett, entre outras.

Tipos de cromatina

Existem dois tipos de cromatina na célula, revelados pela aplicação de corantes: eucromatina (cromatina "verdadeira") e heterocromatina. No primeiro caso, a coloração é fracamente observada, enquanto no segundo a coloração é intensa.

Essa organização estrutural do DNA é exclusiva dos organismos eucarióticos e é crucial para o comportamento dos cromossomos e a regulação da expressão gênica.

Se avaliarmos as proporções de ambos os tipos de cromatinas em uma célula que está em interfase, descobrimos que aproximadamente 90% da cromatina é eucromatina e os 10% restantes correspondem à heterocromatina. Descreveremos cada tipo em detalhes abaixo:

I. Heterocromatina

Caracteristicas

A principal diferença que existe entre os dois tipos de cromatina está relacionada ao grau de compactação ou "empacotamento" da molécula durante estágios específicos da divisão celular.

Embora o material genético pareça estar espalhado aleatoriamente na interface, não é assim.

Há uma organização significativa neste estágio, onde uma partição diferencial do material cromossômico pode ser vista dentro do núcleo.

O DNA dos cromossomos não se entrelaça com a fita de DNA de outros cromossomos e permanece em regiões específicas chamadas territórios cromossômicos. Essa organização parece contribuir para a expressão gênica.

A heterocromatina é fortemente condensada, tornando-a inacessível ao mecanismo de transcrição - portanto, não é transcrita. Além disso, é pobre em termos do número de genes que possui.

Tipos de heterocromatina

Certas regiões de heterocromatina são persistentes em todas as linhagens celulares - isto é, sempre ele se comportará como heterocromatina. Esse tipo de heterocromatina é conhecido como constitutivo. Um exemplo disso são as regiões condensadas dos cromossomos chamados centrômeros e telômeros.

Em contraste, existem porções de heterocromatina que podem variar o nível de compactação em resposta a mudanças nos padrões de desenvolvimento ou variáveis ambientais.

Graças a novos estudos, essa visão está sendo reformulada e agora há evidências de que a heterocromatina constitutiva também é dinâmica e capaz de responder a estímulos.

Estrutura

Um dos fatores que determinam a estrutura da cromatina são as modificações químicas das histonas. No caso da cromatina transcricionalmente inativa, eles exibem histonas hipoacetiladas.

A diminuição da quantidade de grupos acetila está associada ao silenciamento gênico, uma vez que não mascara a carga positiva das lisinas, permitindo uma forte interação eletrostática entre o DNA e as histonas.

Outra marca epigenética é a metilação. Porém, como a adição de um grupo metil não modifica a carga da proteína, sua consequência (ligar ou desligar genes) não é tão óbvia e dependerá da região da histona onde a marca se encontra.

Empiricamente, descobriu-se que a metilação de H3K4me3 e H3K36me3 está associada à ativação do gene e de H3K9me3 e H3K27me3.

Características

No exemplo da heterocromatina constitutiva, mencionamos o centrômero. Esta região cromossômica tem um papel estrutural e contribui para a movimentação dos cromossomos durante os eventos de divisão celular mitótica e meiótica.

II. Eucromatina

Caracteristicas

Ao contrário da heterocromatina, a eucromatina é uma molécula menos compacta, portanto a maquinaria de transcrição tem fácil acesso (especificamente a enzima RNA polimerase) e pode ser ativamente expressa geneticamente.

Estrutura

A estrutura do nucleossomo de uma cromatina transcricionalmente ativa é caracterizada por histonas acetiladas. A presença de lisinas monometiladas também está associada à ativação do gene.

A adição de um grupo acetil a esses resíduos de histona lisina neutraliza a carga positiva do referido aminoácido. A consequência imediata dessa mudança é a redução das interações eletrostáticas entre histonas e DNA, gerando uma cromatina mais frouxa.

Essa modificação estrutural permite as interações do material genético com a maquinaria transcricional, que se caracteriza por ser particularmente volumosa.

Características

A eucromatina engloba todos os genes que estão ativos e conseguem ser alcançados pela maquinaria enzimática relacionada à transcrição. Portanto, as funções são tão amplas quanto as funções dos genes envolvidos.

Referências

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