AVANÇOS NA EPIGENÉTICA: A PRIMEIRA FERRAMENTA PARA ESTUDAR O CÓDIGO DE HISTONAS

Cientistas da Universidade de Carolina do Norte criaram uma nova ferramenta de pesquisa, com base na mosca da fruta, para ajudar a decifrar o código de histonas. Esta ferramenta de pesquisa pode ser utilizada para compreender melhor a função de proteínas histona, as quais desempenham papéis críticos na regulação da expressão gênica em animais e plantas.

As histonas são as principais proteínas que compõem o nucleossomo. Têm um papel importante na regulação dos genes. São encontradas no núcleo das células eucarióticas. As histonas das Archaea são semelhantes às histonas precursoras nos eucariotas. São conhecidas 5 classes de histonas, não contando as histonas dos Archaea: As histonas funcionam como a matriz na qual o DNA se enrola. Têm um papel importante na regulação dos genes. Ao compactarem o DNA, permitem que os genomas eucarióticos de grandes dimensões caibam dentro do núcleo das células. Podem sofrer modificações pós-translacionais. Estas modificações podem desempenhar um papel importante na regulação dos genes, de maneira epigenética. A regulação ocorre na caixa TATA. As histonas são produzidas no citoplasma e importadas para o núcleo da célula. Ricas em lisina e arginina. São solúveis em água. Estão sujeitas a modificações pós-traducionais, essencialmente N-terminais, mas também nos domínios globulares. Exemplos de modicações deste tipo são: metilação, acetilação, fosforilação e ribosilação. Geralmente, os genes mais activos têm menos histonas ligadas. Durante a interfase, as histonas estão intimamente associadas a genes inactivos. A estrutura das histonas tem sido bem conservada em termos evolutivos.

As histonas são as principais proteínas que compõem o nucleossomo. Têm um papel importante na regulação dos genes. São encontradas no núcleo das células eucarióticas. As histonas das Archaea são semelhantes às histonas precursoras nos eucariotas. São conhecidas 5 classes de histonas, não contando as histonas dos Archaea. Elas funcionam como a matriz na qual o DNA se enrola. Ao compactarem o DNA, permitem que os genomas eucarióticos de grandes dimensões caibam dentro do núcleo das células. Podem sofrer modificações pós-translacionais que  desempenham um papel importante na regulação dos genes, de maneira epigenética. A regulação ocorre na caixa TATA. Elas são produzidas no citoplasma e importadas para o núcleo da célula. São ricas em lisina e arginina e solúveis em água. Estão sujeitas a modificações pós-traducionais, essencialmente em regiões N-terminais, e domínios globulares (metilação, acetilação, fosforilação e ribosilação). Geralmente, os genes mais ativos têm menos histonas ligadas. Durante a interfase, as histonas estão intimamente associadas a genes inativos. A estrutura das histonas tem sido bem conservada em termos evolutivos.

Este trabalho, publicado na revista Developmental Cell, abre as portas para experimentos que podem descobrir importantes condições novas para a biologia, tais como doenças neurológicas, diabetes, obesidade e especialmente o câncer, que se tornou um foco de investigação na epigenética.

“As pessoas pensam que o câncer é uma doença de proliferação descontrolada, mas isso é apenas um aspecto dele”, disse Robert Duronio, PhD, professor de biologia, genética e co-autor sênior. “O câncer é realmente uma doença de desenvolvimento em que as células não mantém as suas próprias funções, pois elas não fazem o que deveriam estar fazendo.” De alguma forma, a regulação do gene responsável pelo desenvolvimento de células adequada dá errado.

Um dos aspectos da regulação gênica envolve enzimas que colocam “etiquetas” químicas ou modificações em proteínas histonas – que controlam o acesso de uma célula para as sequências de DNA que compõem um gene. Devidamente acessado e regulado, permite que as células desenvolvam sua função e proliferam normalmente. A modificação química de histonas é vista para ser uma forma de informação epigenética – informações separadas do nosso DNA – que controlam a regulação gênica. Esta ideia baseia-se no estudo das enzimas que modificam quimicamente histonas. No entanto, há uma falha nesse argumento.

“Em organismos complexos, como as moscas de fruta, ratos e seres humanos, os cientistas só foram capazes de inferir como essas enzimas mecanicamente realizam suas tarefas”, disse Daniel McKay, PhD, professor assistente de genética e biologia e primeiro autor do artigo. “Tem sido tecnicamente impossível estudar diretamente o papel de modificações de histonas. Agora, através da nossa colaboração entre biólogos da UNC, temos sido capazes de desenvolver uma ferramenta em moscas de fruta para testar diretamente a função de histonas independentemente das enzimas que os modificam”.

Isto é crucial porque terapias, tais como medicamentos contra o câncer, pode ter como alvo as histonas. Com esta nova ferramenta de pesquisa, os cientistas serão capazes de melhor estudar milhares de interações importantes para a saúde humana da enzima histona.

“Se você pensar no genoma como um livro de receitas, então você poderia dizer que já permitiu saber que existem ingredientes que ajudam a explicar como receitas específicas saem corretamente ou não, escondido”, disse Greg Matera, PhD, professor de biologia e da genética e co-autor sênior do papel. “Esse é o primeiro passo para a descoberta científica – sabendo que há coisas que precisamos para procurar e, em seguida, à procura elas.”

Além das leveduras

Antes, várias investigações epigenética tinham sido feitas em levedura – organismos unicelulares que também usam enzimas para colocar marcas químicas em proteínas histonas. Este trabalho produziu muitas descobertas interessantes e levou ao desenvolvimento de agentes terapêuticos. Mas alguns destes trabalhos levaram a uma simplificação da biologia humana, deixando muitas perguntas sem resposta sobre a saúde humana.

Por exemplo, em organismos complexos, as enzimas em células tipicamente fazem mais do que uma coisa. Uma razão provável para isto é que os animais sofrem diferenciação celular; a vida humana começa como uma única célula que se diferencia em vários tipos de células necessários para diferentes órgãos, partes do corpo, o sangue, o sistema imune, etc. Esta diferenciação tem de ser mantida ao longo da vida.

“Por causa disso, os animais provavelmente têm uma maior exigência da regulação epigenética”, disse Matera. “As células animais têm de “lembrar” que devem expressar genes de maneiras específicas”. Quando as células cancerosas começam a dividir-se rapidamente para formar tumores, essas células estão, na verdade, revertendo para uma hora mais cedo em seu desenvolvimento, quando eles deveriam se dividir rapidamente. A regulação de genes que deveria controlá-los acaba se descontrolando.

Tipos de Histonas: 1) H1/H5 - A histona H1 é também conhecida como H5, para a estrutura básica da cromatina é constituído por 200 pares de bases de DNA associados a um octâmero de histonas, duas moléculas de cada histona e uma molécula da histona H1. 2) H2A e H2B - As histonas H2A e H2B possuem peso molecular muito inferior ao da histona H1. Ambas H2A e H2B consideradas ricas em lisinas.1 3) H3 e H4 - são ricas em arginina. Duas histonas de cada classe (H2A, H2B, H3 e H4) agregam-se para formar um nucleossoma, juntamente com DNA. A histona H1 é necessária para que os complexos histona-DNA formem uma fibra de 30 nm de espessura, enrolando assim o DNA de uma forma ainda mais eficaz.

Tipos de Histonas:
1) H1/H5 – A histona H1 é também conhecida como H5, para a estrutura básica da cromatina é constituído por 200 pares de bases de DNA associados a um octâmero de histonas, duas moléculas de cada histona e uma molécula da histona H1. 2) H2A e H2B – As histonas H2A e H2B possuem peso molecular muito inferior ao da histona H1. Ambas H2A e H2B consideradas ricas em lisinas.1
3) H3 e H4 – são ricas em arginina.
Duas histonas de cada classe (H2A, H2B, H3 e H4) agregam-se para formar um nucleossoma, juntamente com DNA. A histona H1 é necessária para que os complexos histona-DNA formem uma fibra de 30 nm de espessura, enrolando assim o DNA de uma forma ainda mais eficaz.

Considerando que em levedura, uma enzima de modificação de histona pode ter uma tarefa regulamentar única, a versão humana d a mesma enzima pode ter outras funções reguladoras que envolvem proteínas adicionais.

“Na verdade, talvez o alvo realmente crítico do que uma modificação enzima é alguma outra proteína que não sabemos sobre isso ainda”, disse Matera. “É o que precisamos saber sobre isso.”

A melhor maneira de descobrir isso seria fazer com que seja impossível para a enzima parar de modificar uma histona, alterando – uma mutação – a proteína histona. Se uma proteína histona poderia ser desativada neste caminho e células ainda se comportaram normalmente, então isso significaria que havia alguma outra proteína que a enzima executava. Para fazer isto, no entanto, exigiria a substituição de um gene de histona com um geneticamente modificado que não poderia ser modificado por uma enzima.

O problema é que, em animais, tais como ratinhos e seres humanos, há muitos genes de histonas e que estão espalhados por todo o genoma. Isso faz com que substituí-los por genes de histonas “engenheiradas” seja difícil. Além disso, outros genes estão localizados entre os genes da histona. Portanto, a exclusão da parte do cromossomo, com genes de histonas, a fim de substituí-los por um modificado acabaria excluindo outros genes vitais para a sobrevivência. Isto faria com que uma tal abordagem, digamos, um rato, fosse inútil.

“Tem sido tecnicamente impossível fazer esse tipo de pesquisa em organismos complexos”, disse Duronio. “Mas as moscas de fruta têm todos os seus genes de histonas em um só lugar no cromossomo, o que torna viável para excluir os genes normais e substituí-los com genes de grife.”

Genes engenheirados

Matera, Duronio, e McKay levou um esforço para eliminar os genes de histonas em moscas de fruta e substituí-los com genes engenheirados de histonas específicas que criaram. Estes novos genes foram criados para que eles não pudessem ser os repositórios de marcas epigenéticas ou modificações. Isto é, a enzima modificadora não seria capaz de fazer o seu trabalho em particular.

Como mostrado no paper da Developmental Cell, os pesquisadores colocaram a sua nova ferramenta para o teste. Eles “quebraram” uma proteína histona que havia sido identificada para interagir de forma específica com uma enzima de modificar, e obteve o resultado em moscas da fruta que eles esperavam. Mas, por outra interação da enzima histona, os pesquisadores obtiveram um resultado inesperado.

Anteriormente, em células de mamíferos, outros investigadores descobriram que, quando se promove uma mutação em uma enzima modificadora específica, o resultado é a morte porque as células não podem replicar.

Com o seu novo modelo de pesquisa da mosca de fruta, os pesquisadores UNC alterou o gene histona para que esta enzima em particular não poderia modificar seu alvo proteína histona. O resultado não era a morte. Na verdade, as moscas viveram e voavam como moscas normais fazem. Isso significava que a enzima, que foi previamente provada ser vital para a vida, e deve fazer outra coisa muito importante.

“Deve haver um outro alvo para essa enzima modificadora”, disse Matera. “Deve haver outra transportadora oculta de informação epigenética que nós não conhecemos”.

McKay acrescentou: “Esta é uma demonstração do potencial da nossa plataforma epigenética. Daqui para frente, vamos fazer muito mais experimentos para identificar mais discrepâncias e esperar outros alvos destas enzimas. Estamos no piso térreo de um projeto de longo prazo”.

Esta pesquisa mostra que o livro de receitas epigenética para a levedura é fino. O livro de receitas para os seres humanos, que é geneticamente semelhante a esse para das moscas de fruta, é muito mais espesso, mais complexo e cheio de ingredientes escondidos que os cientistas ainda precisam descobrir.

Agora, os cientistas têm uma ferramenta para testar as receitas.

Journal Reference:

Daniel J. McKay, Stephen Klusza, Taylor J.R. Penke, Michael P. Meers, Kaitlin P. Curry, Stephen L. McDaniel, Pamela Y. Malek, Stephen W. Cooper, Deirdre C. Tatomer, Jason D. Lieb, Brian D. Strahl, Robert J. Duronio, A. Gregory Matera.Interrogating the Function of Metazoan Histones using Engineered Gene Clusters. Developmental Cell, 2015; 32 (3): 373 DOI:10.1016/j.devcel.2014.12.025

Fonte: Science Daily

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