A metilação do DNA é um marcador que ativa ou desativa certos genes. Neste artigo, explicaremos como isso funciona e quais outras funções a metilação do DNA tem.
Como a mudança epigenética mais importante , a metilação do DNA é uma modificação química dos blocos de construção básicos do material genético de uma célula . Essa alteração (modificação) é causada pela transferência de grupos metil por enzimas ( DNA metiltransferases ) para nucleobases em locais específicos dentro do DNA . Uma vez que o respectivo bloco de construção básico é retido no respectivo local, a metilação do DNA não é uma mutação genética . A metilação do DNA é a modificação do DNA por metilaçãoo ADN; ocorre em muitos seres vivos diferentes (possivelmente em todos) e tem diferentes funções biológicas. A seqüência de metilação do DNA faz parte do código epigenético de uma célula .
A metilação do DNA é uma modificação química dos blocos de construção básicos do material genético de uma célula . Essa alteração (modificação) é causada pela transferência de grupos metil por enzimas para nucleobases em locais específicos dentro do DNA . Uma vez que o respectivo bloco de construção básico é retido no respectivo local, a metilação do DNA não é uma mutação genética . A metilação do DNA é uma modificação do DNA que ocorre em muitos seres vivos diferentes (possivelmente em todos) e tem diferentes funções biológicas. A sequência de metilação do DNA faz parte do código epigenéticouma célula.
A metilação simplesmente explicada
Você pode entender a metilação do DNA como uma mudança química nos blocos de construção do DNA . Em termos concretos, isso significa que enzimas especiais transferem grupos metil (-CH 3 ) para certas bases de DNA. Em humanos, a metilação da base citosina desempenha um papel importante.
A metilação significa que certos genes (= seções de DNA que codificam certas proteínas) podem ser “silenciados”. Como resultado, nenhuma transcrição pode ocorrer. Isto, por sua vez, tem como consequência que o caminho completo de produção de proteína/enzima ( biossíntese de proteína ) para este gene é impedido. Por meio desse processo regulatório, nossas células podem controlar especificamente quais produtos gênicos precisam e quais não precisam.
Importante : A metilação não é uma mutação , mas uma modificação (mudança na estrutura) que também pode ser revertida. A estrutura básica da base e, portanto, a sequência de base na qual nossa informação genética é armazenada são preservadas. Você pode falar de uma chamada mudança epigenética aqui. Definição
A metilação do DNA é uma transferência de grupos metil (-CH 3 ) para bases especiais de DNA. É uma mudança epigenética importante.
metilação do DNA
Na biologia você pode entender a metilação do DNA como uma transferência natural de grupos metil para as bases de DNA adenina e citosina. Enzimas especiais são responsáveis por isso, cujo nome você pode memorizar facilmente – as DNA metiltransferases (DNMT).
Você então chama as bases resultantes de metiladenina e metilcitosina , onde existem duas variantes de metilcitosina, dependendo de onde o grupo metil está ligado na molécula. A metilação também pode ser revertida usando as chamadas demetilases . Você então se refere ao processo como desmetilação .
Nos mamíferos, 1-5 por cento de todos os resíduos de citosina no DNA são metilados. Isso geralmente ocorre apenas se um bloco de construção de guanina se seguir a um bloco de construção de citosina ( = local CpG ).
Como você já aprendeu, a metilação do DNA não é uma mutação. No entanto, uma base de citosina metilada pode erroneamente ser convertida em uma base de timina (C -> T). Você também pode chamar isso de mutação pontual
.
metilação epigenética
Epigenética significa
alterar a expressão de um ou mais genes (= o caminho de um gene para um produto). No entanto, não há alteração na sequência de DNA. A modificação epigenética pode ser causada por fatores ambientais, como estresse, produtos químicos tóxicos ou dieta. As alterações são geralmente reversíveis , mas podem ser hereditárias.
A metilação do DNA é um importante processo regulatório epigenético.Além das bases modificadas que já vimos, as proteínas (histonas) de nossos cromossomos também podem ser modificadas por metilação. Você então chama isso de metilação de histonas , que também resulta na inativação de genes.
Acontecer
A metilação do DNA ocorre em todos os três domínios dos seres vivos ( eucariotos , bactérias e archaea ) em diferentes formas. Nos mamíferos, a metilação da citosina é particularmente relevante.
Função de metilação do DNA
Dependendo do organismo, a metilação do DNA assume diferentes funções. Em procariontes, serve principalmente como mecanismo de proteção contra DNA estranho e para correção de erros. Em eucariotos, ele “marca” regiões ativas e inativas no DNA.
Metilação do DNA como mecanismo de proteção
Em procariontes, a metilação do DNA serve como um mecanismo protetor para reconhecer o próprio DNA e o DNA estranho. O DNA estranho, por exemplo, entra no organismo por meio de alimentos por meio de fagocitose .
O DNA estranho geralmente não é necessário e pode definitivamente causar danos ao ser vivo. Portanto, as DNA metiltransferases garantem que o DNA estranho seja marcado. Isso é o que vocês chamam de padrão de metilação . Outras enzimas (endonucleases de restrição) reconhecem esse padrão e cortam o DNA estranho. Isso evita a destruição acidental do próprio DNA.
Metilação do DNA e correção de erros
No caso de divisão celular para crescimento ou reprodução, o material genético deve primeiro ser multiplicado. No entanto, os erros também podem ocorrer durante a replicação do DNA . Para isso, as células possuem certas enzimas que percorrem o novo DNA para reconhecer e corrigir erros ( leitura de prova ). Você pode pensar nisso como um programa de correção em seu computador que verifica seu texto escrito em busca de erros.
No entanto, essas enzimas também devem reconhecer se a fita de DNA é “antiga” ou recém-produzida. É aí que entra a metilação: a fita original é metilada nos locais apropriados, a recém-formada não. O sistema é particularmente importante para as bactérias.
Metilação do DNA como marcador
A metilação do DNA cria sítios “marcados” em regiões específicas do DNA. Você pode pensar nos grupos metil como um marcador, destacando palavras diferentes em seu texto. As próprias palavras permanecem as mesmas, mas agora têm um significado diferente. O mesmo vale para a metilação: ela “mostra” à célula quais regiões do DNA ela pode usar e quais não pode.
A metilação do DNA contribui assim para a regulação do gene (= ligar e desligar certos genes conforme necessário) e, portanto, também para a expressão do gene .
Um exemplo de área marcada são as chamadas ilhas CpG . Com isso, você quer dizer regiões de DNA nas quais um “par” de citosina e guanina geralmente ocorre. Eles geralmente estão localizados perto do promotor. Abaixo você pode imaginar o ponto de partida da leitura, que anuncia a transcrição – ou seja, a transcrição da informação genética do DNA em uma forma de transporte .
Se muitas bases de citosina forem metiladas em um promotor, isso pode levar à supressão da transcrição. Como resultado, nenhuma produção de proteína pode ocorrer. O “silenciamento” vem do fato de que proteínas especiais se ligam aos locais metilados.
Outro exemplo é o cromossomo X inativo nas mulheres, uma vez que as mulheres têm dois cromossomos X e, portanto, têm “duas vezes a quantidade” de genes (= maior dose de gene), o segundo cromossomo X é metilado e os genes nele são virtualmente desligados.
Impressão genômica
A impressão genômica é um caso especial de regulação genética e não é consistente com as regras mendelianas . Os cromossomos das células germinativas masculinas e femininas (espermatozóides e óvulos) têm diferentes “padrões de metilação” que podem ser transmitidos.
Funções biológicas das metilações do DNA
Como a metilação do DNA molda o uso do DNA sem alterar a sequência dos blocos de construção básicos ( sequência de DNA ), ela é o assunto da epigenética . Até agora, os seguintes significados principais da metilação de nucleobases dentro do DNA de fita dupla são conhecidos:
Bei Prokaryoten:
- Proteção contra DNA estranho: Diferenciação entre o próprio DNA da célula e aquele que entrou na célula de fora.
- Correção de erros na síntese de DNA: distinguir a fita de DNA original (metilada) da fita recém-sintetizada na qual as nucleobases ainda não estão metiladas.
Bei Eucariotos:
- Uso do DNA como portador de informação: marcação de áreas ativas e inativas do DNA.
Metilação do DNA e proteção contra DNA estranho
O DNA é generalizado. Células de diferentes tipos podem existir nas proximidades. Tanto quando uma célula absorve nutrientes (por exemplo , fagocitose ) quanto durante os processos parassexuais e sexuais, o DNA é levado de uma célula (viva ou morta) para outra célula. Além disso, muitas células são capazes de absorver facilmente DNA estranho sob certas circunstâncias ( competência celular ).
Como uma célula viva só pode manter sua integridade se a informação genética fizer sentido, ela deve ser capaz de reconhecer e eliminar o DNA estranho. Isso é muitas vezes assegurado por um sistema que consiste em dois grupos de enzimas: as DNA metiltransferases e as enzimas de restrição .
As metiltransferases reconhecem uma sequência de DNA (geralmente curta) e ligam um grupo metil a uma nucleobase definida. Isso cria um chamado padrão de metilação. As enzimas de restrição também reconhecem uma sequência de DNA (geralmente curta) e cortam o DNA em pontos definidos entre o fosfato e a desoxirribose . Muitas enzimas de restrição são sensíveis à metilação. Ou seja, eles só cortam o DNA se houver metilações em determinados locais ou se nenhuma metilação estiver presente em determinados locais.
O sistema de metiltransferases e enzimas de restrição em uma célula viva é coordenado de tal forma que seu próprio DNA não é cortado. Na maioria dos casos, no entanto, o DNA estranho que entra na célula em consideração do lado de fora tem um padrão de metilação diferente. Portanto, é altamente provável que seja digerido pelas enzimas de restrição, bem como por outras nucleases . Em casos raros, o DNA estranho não é digerido ou apenas parcialmente digerido e permanentemente integrado ao próprio DNA da célula. Uma integração de DNA estranho também é chamada de transferência horizontal de genes e é um motor da evolução .
Um sistema simples de metiltransferase e enzima de restrição é explicado abaixo como exemplo.
Exemplo de metilação de DNA e restrição de DNA
A interação da metilação do DNA e restrição do DNA (clivagem do DNA) será descrita utilizando as enzimas Dpn M ( DNA metiltransferase ) e Dpn II ( enzima de restrição ). As enzimas vêm da bactéria Diplococcus pneumoniae . A metiltransferase Dpn M garante que a sequência palindrômica GATC na adenosina seja metilada:
m
--GATC--
--CTAG--
m
Isso permite que o “DNA fresco” que acabou de ser criado seja distinguido do DNA antigo que serviu de modelo:
m
--GATC--
--CTAG--
Isso é importante para o reparo correto de erros durante a replicação do DNA . O chamado estado hemimetilado (um lado é metilado, o outro não) é posteriormente substituído pelas metiltransferases – como B. Dpn M – Revogado. Se o DNA de outra espécie entrar na célula de D. pneumoniae , esse DNA geralmente não é metilado na sequência GATC:
--GATC--
--CTAG--
É muito provável que este DNA de fita dupla seja cortado pela enzima de restrição Dpn II. Além de outros processos, isso significa que o DNA estranho serve mais como alimento e menos como material genético. Este também é um mecanismo pelo qual as bactérias se protegem dos bacteriófagos – cortando o DNA introduzido em pequenos pedaços.
Metilação de DNA e correção de erros na ressíntese de DNA
A duplicação idêntica do ácido desoxirribonucleico ( replicação do DNA ) é um pré-requisito essencial para a divisão celular.e, portanto, para propagação. A replicação do DNA é assegurada pelo fato de que as enzimas (as DNA polimerases dependentes do DNA) “leem” a fita antiga existente e “escrevem” a nova fita no processo. Erros podem ocorrer. As falhas podem ser detectadas pelos sistemas de reparo de DNA de uma célula porque não há pareamento de bases complementares lá. No entanto, ainda não está claro qual das duas possibilidades está correta se as fitas de DNA antigas e novas não diferirem. No entanto, uma vez que a fita antiga é metilada, mas a nova não, uma distinção é possível. Os sistemas de reparo de DNA podem usar o padrão de metilação para correção de erros. Isto é ilustrado abaixo usando a metilação do dinucleotídeo CpG.
Nas células dos seres humanos, bem como de outros mamíferos, uma curta sequência de dois blocos de construção básicos ( nucleosídeos ) é a base para a metilação do DNA: citidina – ácido fosfórico – guanosina. CpG é dado em ordem de síntese de ácidos nucleicos. O fosfato vem do bloco de construção trifosfato de guanosina, que foi usado para a síntese de DNA. Na sequência das duas nucleobases citosina-guanina, a citosina é metilada. Exceto em algumas áreas, isso acontece em quase todo o material genético humano.
1. Antes da replicação do DNA, os dinucleotídeos CpG em ambas as fitas são metilados na citosina na seção de exemplo em consideração:
milímetros
...pApApCpTpCpGpTpGpCpApApApCpGpGpTpT ...
| | | | | | | | | | | | | | | | |
... TpTpGpApGpCpApCpGpTpTpTpGpCpCpApAp...
milímetros
2. Ocorre um erro durante a replicação do DNA: uma molécula de trifosfato de citidina é usada em vez de uma molécula de trifosfato de timidina. Isso quebra o pareamento de bases complementares no ponto apropriado:
milímetros
...pApApCpTpCpGpTpGpCpApApApCpGpGpTpT ...
| | | | | | | | | | |
CpApCpGpCpTpTpGpCpCpApAp...
3. Após completar a replicação do DNA na seção de exemplos, a fita dupla do DNA é hemimetilada. Ou seja, a fita velha é metilada, a nova não.
milímetros
...pApApCpTpCpGpTpGpCpApApApCpGpGpTpT ...
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... TpTpGpApGpCpApCpGpCpTpTpGpCpCpApAp...
4. O local da incompatibilidade é reconhecido. Das duas opções de monofosfato de adenosina e monofosfato de citidina, excisa-se o monofosfato de citidina localizado na fita não metilada. O trifosfato de timidina é usado para preencher a lacuna:
milímetros
...pApApCpTpCpGpTpGpCpApApApCpGpGpTpT ...
| | | | | | | | | | | | | | | |
... TpTpGpApGpCpApCpGp TpTpGpCpCpApAp...
pppT
5. O duplex de DNA reparado está no estado hemimetilado:
milímetros
...pApApCpTpCpGpTpGpCpApApApCpGpGpTpT ...
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... TpTpGpApGpCpApCpGpTpTpTpGpCpCpApAp...
6. O estado fundamental é restaurado pela transferência de grupos metil para a citosina da nucleobase nos dinucleotídeos CpG:
milímetros
...pApApCpTpCpGpTpGpCpApApApCpGpGpTpT ...
| | | | | | | | | | | | | | | | |
... TpTpGpApGpCpApCpGpTpTpTpGpCpCpApAp...
milímetros
Metilação do DNA e o uso do DNA como portador de informação
As metilações do DNA são marcadores que permitem que a célula viva use seletivamente regiões dentro do DNA para diferentes processos. A marcação de DNA pode ser vista de maneira semelhante à formatação de texto em um livro: se uma palavra-chave for destacada em um dicionário, ela terá um significado diferente para o leitor do que a mesma palavra no texto. Existem várias maneiras (sobrepostas) pelas quais as metilações do DNA variam a maneira como as informações são interpretadas que são armazenadas na sequência do bloco de construção do DNA.
Metilação do DNA e regulação gênica
Em uma região na frente de um gene ( upstream , upstream ) muitas vezes existem locais que diferem do ambiente em termos de seu padrão de metilação. Em muitos casos, o grau de metilação pode variar em diferentes situações. Isso permite uma frequência de leitura seletiva do gene subjacente, que é referido como regulação gênica ou expressão gênica diferencial . Exemplos de tais áreas que podem ser seletivamente metiladas são as ilhas CpG .
Metilação e imprinting do DNA (imprinting genômico)
O imprinting genômico é um caso especial de expressão gênica diferencial, que geralmente é controlada pela metilação do DNA. Alelos paternos e maternos podem ser distinguidos por diferentes padrões de metilação do DNA nas células germinativas masculinas e femininas . Para genes sujeitos a imprinting , apenas o alelo materno ou paterno é usado. Como resultado, é possível uma expressão específica do sexo de características fenotípicas .
Importância médica
Uma vez que a metilação defeituosa do DNA causa atividade gênica reduzida ou aumentada no nível celular, e essas mudanças na atividade geralmente são transmitidas às células filhas de maneira estável, elas geralmente são a causa de doenças no nível do organismo. Por exemplo, as células tumorais geralmente apresentam padrões de metilação que diferem significativamente dos tecidos saudáveis. Um tumor pode se desenvolver tanto como resultado da metilação excessiva (hipermetilação) das regiões upstream do DNA quanto com um grau reduzido de metilação. A área reguladora na frente de cada gene ([[[promotor (genética)|promotor]]área) consiste em várias sequências típicas de DNA que representam locais de ligação especiais para diferentes enzimas. Na maioria das vezes, um upstream hipermetilado bloqueia O DNA acessa fatores ativos de transcrição e enzimas, pelo que a atividade gênica do gene subsequente é suprimida.
As regiões do DNA que são de particular importância para a metilação são chamadas de ilhas CpG . Seu conteúdo de GC é de cerca de 60% (genoma inteiro: cerca de 40%), e nessas seções o dinucleotídeo citosina-guanina (5′-CpG-3′) está presente em uma frequência dez a vinte vezes maior do que no restante do genoma. Na pesquisa genética humana, as ilhas CpG são frequentemente usadas para atribuir genes a doenças genéticas. Os genes e as áreas à frente do respectivo gene que são controlados pela metilação do DNA podem ser usados para diagnosticar doenças hereditárias usando métodos de genética molecular.
Uma terapia de doenças por uma influência direcionada da metilação do DNA não é possível e não será possível no futuro próximo – em parte porque muito pouco se sabe sobre o padrão de metilação “correto” do tecido saudável. Atualmente, existem apenas abordagens experimentais in vitro usando as chamadas proteínas dedo de zinco (uma classe especial de proteínas que possuem domínios de ligação ao DNA em torno de um íon zinco central e podem ser acopladas a metilases ou demetilases) para poder modificar sequências específicas de maneira direcionada.
Demarcação e conexão dos termos metilação, modificação, mutação e herança
A metilação é uma modificação química universal de moléculas. No campo da química inorgânica e orgânica, essas modificações são mais comumente chamadas de derivados, enquanto no campo das macromoléculas biológicas elas são mais comumente chamadas de modificações. Além das nucleobases no DNA, as proteínas também podem ser metiladas por metiltransferases. O termo modificação é usado de forma ambígua na biologia . Por um lado diz respeito à já mencionada modificação de macromoléculas – sobretudo o DNA -, por outro lado a modificação fenotípica. Fala-se de modificação (fenotípica) quando as características de um ser vivo mudam devido a condições ambientais alteradas ( fenótipo alterado) sem que o material genético seja alterado na sequência de seus blocos de construção básicos ( genótipo inalterado ). Assim, modificação de macromoléculas e modificação fenotípica são diferentes. No entanto, ambos os termos têm em comum o fato de se referirem a mudanças nos seres vivos que ocorreram sem qualquer mudança fundamental no material genético. Neste caso, nenhuma mudança fundamental significa que não houve mudança na sequência dos blocos de construção básicos do ácido desoxirribonucleico. A modificação do DNA e a modificação fenotípica não são, portanto, mutações . Modificações no DNA podem resultar em mutações. Isso aumenta a probabilidade de uma citosina ser convertida em timina (Mutação pontual ) quando esta citosina é metilada (ver ilhas CpG ).
As modificações do DNA também podem acarretar modificações fenotípicas: condições ambientais alteradas levam, via transdução de sinal, a um padrão de metilação alterado do DNA em certas áreas (modificação do DNA); isso muda a forma como os genes são usados ( expressão gênica diferencial ); isso leva a uma mudança nas características do organismo (modificação fenotípica). Por definição, as mutações são hereditárias. As modificações do DNA não podem ser herdadas ou apenas de forma limitada. A marca genômica é um caso limítrofe. A metilação do DNA diferencia entre alelos paternos e maternos. Como apenas um alelo (uma cópia do gene) está ativo, a expressão desse alelo é passada para a próxima geração. No entanto, isso não é herança genética (biologia) no sentido mais estrito.
significado de metilação do DNA
A metilação do DNA pode ser importante no desenvolvimento de certos tipos de câncer (por exemplo, câncer de cólon). Nas células cancerosas, por exemplo, os “genes cancerosos” (oncogenes), que garantem o crescimento celular excessivo, são ativados por desmetilação. Ao mesmo tempo, genes que normalmente previnem o desenvolvimento de câncer podem ser silenciados por metilação. Essa desregulação pode então ter sérias consequências para o organismo.