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CROMATINA
Universidade Federal de Pelotas
CDTec - Graduação em Biotecnologia
Disciplina de Biologia Molecular
Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária
Profa, PNDP Biotecnologia/UFPel
Tamanho Bactéria: 2µm x 1µm DNA circular: 1,6mm
Tamanho Vírus: 0,0008µm x 0,3µm RNA viral: 2µm
Tamanho Célula: 2-10µm Tamanho Núcleo: 6µm diâmetro DNA : 1,8m
MOLÉCULAS DE ÁCIDO NUCLÉICO SÃO MAIS EXTENSAS DO QUE O ESPAÇO A SER PREENCHIDO POR ELAS
E. Coli: 2µm de comprimento e 1µm de diâmetro DNA circular de 1.600µm (1,6mm)
COMPACTAR!!!!!
COMPACTAÇÃO DO MATERIAL GENÉTICO
FORMA ORGANIZADA
VIABILIZA DE PROCESSOS FUNCIONAIS
COMPACTAÇÃO FUNCIONAL
DNA + PROTEÍNAS
CROMATINA
Formado pela interação entre
proteínas e DNA
Arranjo nucleoproteico
organizado e dinâmico
CROMATINA PROCARIÓTICA X
CROMATINA EUCARIÓTICA
• Procariotos: bactérias e arqueas
• Genomas oraganizados em um nucleoide • Cromatina ocupa ¼ do volume celular • Sem envoltório, não tem forma fixa – nucleoides cilíndricos • Volume do nucleoide: 0,5µm³ (1,7 x 0,65µm) Volume DNA genômico livre: 200µm³
COMPACTADO CENTENAS DE VEZES • Bactérias e Arqueas estrutura da cromatina
CROMATINA PROCARIÓTICA
NUCLEOIDE E CROMATINA BACTERIANA
• Forças determinam o dobramento do DNA a cada 150 pb (1º nível de compactação)
• Interações com proteína definem a formação de alças - Domínios Topológicos (10kb)
• A estabilidade da alça é mantida pela interação do DNA com proteínas cromatínicas
• O superenrolamento negativo proporciona um nível adicional de compactação
• Macrodomínios: dezenas a centenas de domínios topológicos – funcionalidade (recombinação e expressão gênica)
DNA em solução DNA na célula
• Estrutura do nucleoide bacteriano é dinâmica e varia conforme o estado fisiológico da célula;
• Fase exponencial de multiplicação: nucleoide com grande número de domínios topológicos e DNA superenrolado negativamente;
• Fase estacionária: nucleoide com numero menor de domínios e estrutura mais relaxada (nemor superenrolamento)
NUCLEOIDE E CROMATINA BACTERIANA
Proteínas associadas ao nucleoide (NAPs): responsável pela estruturação do nucleoide.
Ponte DNA + Proteína + DNA
Grau de compactação resulta do somatório de várias NAPs
6 principais: Dps/MrgA; Fis; IHF; H-NS; HU e SMC/MukB
Fase exponencial de multiplicação
Fase estacionária de multiplicação
Genes altamente transcritos estão próximos
NAP: Proteínas associadas ao nucleoide
Se ligam ao DNA e são responsáveis pela estruturação do nucleoide
• Todas as NAPs compactam o DNA • Grau de compactação é resultado da atividade de várias NAPs • Sobreposição de função das NAPs: estrutura da cromatina é mantida mesmo na ausência de alguma NAP.
A – Dobramento e formação de nodo
B – Dobras induzidas por HU ou IHF
C – Filamentos super-helicoidais formados por HU
D – Interligação de DNA mediada por H-NS
E – Entrelaçamentos de DNA através de SMC/MukB
F – Enrolamento e interligação mediadas pela Lrp
G – Dodecâmenros (esferas) associados em estrutura de 3 camadas
Função: compatação global do nucleoide, formação de determinadas estruturas da cromatina bacteriana, e definição do grau de superenrolamento do DNA.
Compactação da cromatina: Dps, MrgA, Fis, IHF, H-NS, HU e SMC/Mukb Estabilidade das alças: H-NS, Lrp e SMC/Mukb Definição do ápice da alça: Fis, IHF e HU Grau de superenrolamento: SMC/MukB e H/NS
NAPs
• Padrões de expressão diferencial de algumas NAPs, em função do andamento do processo de multiplicação de E. coli: diferentes proteínas dobram e interligam o DNA modulando o nucleoide em cada fase
• Expressão gênica regulada por NAPs, tipos: • Indireta: alteração no grau de supertorção de uma alça afeta positiva ou negativamente a transcrição • Direta: algumas NAPs podem se ligar a regiões reguladores e ativar ou reprimir a transcrição
NUCLEOIDE E CROMATINA DE ARQUEAS
• Material genético organizado em nucleoide
• Cromatina condensada de acordo com o estado fisiológico da célula
• Inclui NAPs exclusivas de Arqueas, proteínas ortólogas de NAPs bacterianas e proteínas eucarióticas
•Principais: Alba e Histonas
PROTEÍNAS ALBA
• Dímeros de Alba associam-se ao DNA cobrindo-o em tandem (A) formando fibras nucleoproteicas helicoidais estendidas (B)
• Quando em concentrações mais elevadas, há a associação de dímeros adjacentes formando uma estrutura altamente ramificada
HISTONAS
• Proteínas básicas com alta afinidade pelo DNA: HMfA e HMfB • Similares às histonas do domínio Eukarya • Formadas por 3 α-hélices separadas por alças curtas (A) • Codificadas por 1 a 6 genes e são estabilizadas formando homo ou heterodímeros (B) • Os dímeros associam-se formando tretâmeros, em torno dos quais o DNA (60 a 90pb) se enrola formando Nucleossomos (C) • Na cromatina, os nucleossomos são encontrados em tandem – fibras compactas – colar de contas
Arqueas (menos compactas) tem mais acesso ao genoma durante a transcrição, o que não ocorre em eucariotos. Com isso responde rápido a mudanças ambientais
Diferenças fisiológicas importantes entre arqueas e eucariotos
Grau de compactação da cromatina é menor que em eucariotos
Arqueas
Nucleossomos mais simples
CROMATINA EUCARIÓTICA
O núcleo de uma célula humana tem 6 mm de diâmetro e a extensão total do DNA dos seus 46 cromossomos soma 1,8 m.
Como é resolvida a discrepância entre estas duas grandezas?
Cromossomo
Cromatina
Célula
Núcleo celular
Histonas
DNA
Nucleotídeos
Ligações Fosfodiéster
• Cada Cromossomo consiste em uma dupla hélice de DNA contínua e única
DNA é associado a proteínas:
Histonas e Não-histonas
Nucleossomo unidade estrutural básica
*Cromossomo 1 – 250 milhões pb 22
Nucleossomo eucariótico é mais complexo que de arquea
Nucleossomo: unidade estrutural básica da cromatina
• 150 a 250 pb associados a um octâmero de histonas (11 a 20 kDa, caráter básico acentuado – 20-30% aa carregados +)
Favorecendo ligação c o DNA
• Histonas Centrais:
2 X (H2A, H2B, H3 e H4)
* Alta conservação
* 100 aa
* Genes
• Histona de Ligação:
H1/H5
*190-250 aa
* mais variáveis
* Cromatina pode ter 2x mais proteína que DNA em eucariotos
Nucleossomo:
• A partir do Nucleossomo a cromatina eucariótica é estruturada em conformação progressivamente mais complexa;
• Organização da Cromatina é dinâmica (estágio do ciclo celular e atividade);
• Tipos de Cromatina:
Eucromatina: menor compactação → Ativa para a Expressão Gênica
Heterocromatina: maior compactação → Inativa
Níveis de organização mais complexo
Cromatina:
Heterocromatinas: regiões condensadas → DNA inativo
- Heterocromatina Facultativa: parte da cromatina que se
apresenta condensada ou descondensada. Sequencias passiveis
de transcrição que podem ser inativadas. Ex: cromossomo X na
fêmea (apenas 1);
- Heterocromatina Constitutiva: sequencias genicas altamente
repetitivas, nunca são transcritas. Ex: centrômeros;
Eucromatinas: regiões distendidas → DNA ativo (expressão de
proteínas e enzimas).
10% cromatina ativa → menos condensada;
90% cromatina inativa → mais condensada
Níveis de organização mais complexo
Níveis de organização mais complexo
• Nucleossomo: unidade estrutural básica da cromatina (DNA em dupla hélice e Histonas). – Forma: cilíndrica achatada, 10 nm x 6 nm
* Constituído por 200 pares de bases (pb) de DNA associado com octâmero de histonas (H2A, H2B, H3 e H4) e uma molécula de H1
* Centro do nucleossomo (octâmero de histonas + 146 pb de DNA)
* DNA de ligação (15 a 80 pb)
• Nucleofilamento ou fibra de 10 nm: 1º nível de compactação da cromatina. – Associação de nucleossomos adjacentes através da interação de H1 (extremidade
amino-terminal a extremidade carboxi-terminal)
– 10% durante a intérfase, permitindo acesso as enzimas de transcrição
– Periodicidade: distribuição regular dos nucleossomos
– Posicionamento em fase dos nucleossomos
• Solenóide ou fibra de 30 nm: 2º nível de compactação da cromatina. – Formada pelo enovelamento da fibra de 10 nm em estrutura helicoidal. Cada volta
contém 6 nucleossomos radiais
– Maioria durante a interfase
Níveis de organização mais complexo
• Particpação de proteínas Não-Histonicas: HMG e SMC
• Processo pouco conhecido
• Alças de Cromatina: – Interfase – alças ancoradas na Matriz Nuclear (estrutura filamentosa que preenche o
núcleo)
– Divisão Celular – alças ancoradas no Esqueleto Metafásico
• Fibra de 300nm: – DNA de 15 a 20 vezes mais compactado que na
fibra de 30nm
• Cromossomo Metafásico – estágio mais condensado
DNA dupla hélice DNA dupla hélice
Histona H1
Nucleossomo: DNA + octâmero de histonas
Solenóide
32
Cromossomos condensados são mais facilmente analisados em uma célula em divisão, durante a fase de metáfase ou prometáfase;
• Centrômero – constrição primária entre as cromátides irmãs
• Braço p (petit) – mais curto
• Braço q – mais longo
Cromossomos
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CROMATINA DE ORGANELAS
• Plastídeos e mitocôndrias possuem genomas próprios com DNA circulares pequenos em múltiplas cópias em cada organela; •As múltiplas cópias do genoma estão associados a proteínas que a cromatina organizada em nucleoides;
NUCLEOIDES MITOCONDRIAIS
• O DNA mitocondrial (mtDNA) forma nucleoides (dezenas a centenas) na organela a partir de sua associação com proteínas específicas.
• Cada nucleoide contém cerca de 2 a 10 cópias do mtDNA.
• Grupo HMG: importante componente proteíco na cromatina mitocondrial (TFAM) – formação e estabilidade da cromatina – formam homodímeros que se ligam a cada 35 ou 40pb do DNA – compactação.
• Proteína mtSSB: estabilização da estrutura da alça em D (D-loop) do mtDNA (elemento de fita simples, importante na replicação do DNA)
NUCLEOIDES DE PLASTÍDEOS
• Também associa-se a proteínas para formar nucleoides (diversos) (3 a mais de 10 cópias do genoma). • 2 sistemas na organização de nucleoides plastidiais:
1 - ocorre em espécies de protozoários e algas 2 - eucariotos fotossintetizantes.
1 – Apicoplastos: proteína HU que liga-se ao DNA do plastídeo ocasionando seu dobramento e compactação, sendo essencial na formação de nucleoides plastidiais. 2 – Sem proteína HU. Três proteínas em destaque: • enzima sulfito-redutase: entre outras funções, induz a compactação do DNA de forma reversível • protease CND41: liga-se ao DNA e o compacta, reprimindo a trancrição • proteína PEND: se liga à membrana interna do plastídeo e ao DNA, ancorando os nucleoides em desenvolvimento.