Cromossomas e de Ordem Superior Cromatina Estrutura

Cromatina torna-se altamente condensada durante a mitose para formar o compacto metafase cromossomos que são distribuídos para filha núcleos (ver Figura 4.12). Durante a interfase, parte da cromatina (heterocromatina) permanece altamente condensada e é transcripcionalmente inativa; o restante da cromatina (eucromatina) é descondensada e distribuída por todo o núcleo (figura 8.15). As células contêm dois tipos de heterocromatina. Heterocromatina constitutiva contém sequências de DNA que nunca são transcritas, como as sequências de satélite presentes em centrômeros. A heterocromatina facultativa contém sequências que não são transcritas na célula examinada, mas são transcritas em outros tipos de células. Consequentemente, a quantidade de heterocromatina facultativa varia dependendo da atividade transcripcional da célula. Grande parte da heterocromatina é localizada na periferia do núcleo, possivelmente porque uma das principais proteínas associadas à heterocromatina se liga a uma proteína da membrana nuclear interna.

figura 8.15

heterocromatina em núcleos de interfase. A eucarromatina é distribuída por todo o núcleo. A hétero-cromatina é indicada por pontas de flecha, e o nucleolo por uma flecha. (Cortesia de Ada L. Olins e Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (mais…)

o fenómeno da inactivação do cromossoma X fornece um exemplo do papel da heterocromatina na expressão genética. Em muitos animais, incluindo humanos, as fêmeas têm dois cromossomos X, e os machos têm um cromossomo X e um Y. O cromossoma X contém milhares de genes que não estão presentes no cromossoma Y muito menor (ver Figura 4.26). Assim, as fêmeas têm o dobro dos genes do cromossoma X dos machos. Apesar desta diferença, as células femininas e masculinas contêm quantidades iguais das proteínas codificadas pelos genes do cromossoma X. Isto resulta de um mecanismo de compensação de dosagem no qual um dos dois cromossomas X das células femininas é inactivado por ser convertido em heterocromatina no início do desenvolvimento. Consequentemente, apenas uma cópia do cromossoma X está disponível para transcrição em células femininas ou masculinas. O mecanismo de inactivação do cromossoma X é fascinante, embora ainda não totalmente compreendido; parece envolver a acção de um ARN regulador que cobre o cromossoma X inactivo e induz a sua conversão para a heterocromatina.

embora a cromatina interfase pareça estar uniformemente distribuída, os cromossomas são na verdade dispostos de forma organizada e divididos em domínios funcionais discretos que desempenham um papel importante na regulação da expressão genética. A distribuição não-crandom da cromatina dentro do núcleo da interfase foi sugerida pela primeira vez em 1885 por C. Rabl, que propôs que cada cromossomo ocupasse um território distinto, com centrómeros e telómeros ligados a lados opostos do envelope nuclear (figura 8.16). Este modelo básico de organização cromossômica foi confirmado quase cem anos depois (em 1984) por estudos detalhados dos cromossomos polytene nas glândulas salivares de Drosophila. Ao invés de se enrolarem aleatoriamente um ao outro, cada cromossomo foi encontrado ocupando uma região discreta do núcleo (figura 8.17). Os cromossomas estão intimamente associados com o envelope nuclear em muitos locais, com seus centrômeros e telômeros agrupados em pólos opostos.

figura 8.16

organização cromossómica. Reprodução de esboços de cromossomas desenhados à mão em células de salamandra. A) cromossomas completos. B) apenas telómeros (localizados na membrana nuclear). (From C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

figura 8.17

organização dos cromossomas de Drosophila. (A) um modelo do núcleo, mostrando os cinco braços cromossômicos em cores diferentes. As posições de telómeros e centrómeros são indicadas. B) os dois braços do cromossoma 3 são mostrados para ilustrar o topológico (mais…)

cromossomas individuais também ocupam territórios distintos dentro dos núcleos de células de mamíferos (figura 8.18). Genes transcritos ativamente parecem estar localizados na periferia desses territórios, adjacentes aos canais que separam os cromossomos. Acredita-se que as RNAs recentemente transcritas sejam liberadas nestes canais entre cromossomos, onde o processamento de RNA ocorre.

figura 8.18

organização dos cromossomas no núcleo mamífero. A) As sondas para sequências repetidas no cromossoma 4 foram hibridizadas para uma célula humana. As duas cópias do cromossomo 4, identificadas por Fluorescência Amarela, ocupam territórios distintos no núcleo. B) (more…)

como o ADN nos cromossomas metafase (ver Figura 4.13), a cromatina em núcleos de interfase parece ser organizada em domínios em ciclo contendo aproximadamente 50 a 100 kb de DNA. Um bom exemplo desta organização de domínio em ciclo é fornecido pelos cromossomas altamente transcritos dos oócitos anfíbios, nos quais regiões ativamente transcritas de DNA podem ser visualizadas como loops estendidos de cromatina descondensada (figura 8.19). Estes domínios cromatínicos parecem representar unidades funcionais discretas, que regulam independentemente a expressão genética.

Figura 8.19

domínios cromatínicos em ciclo fechado. Micrografo leve de um cromossoma de oócitos anfíbios, mostrando loops descondensados de cromatina transcrita ativamente estendendo-se de um eixo de cromatina altamente condensada não transcrita. (Cortesia de Joseph Gall, Instituto Carnegie.) (mais…)

os efeitos da organização cromossómica na expressão genética foram demonstrados por uma variedade de experiências que demonstram que a posição de um gene no ADN cromossómico afecta o nível a que o gene é expresso. Por exemplo, a actividade transcritional dos genes introduzidos nos ratos transgénicos depende dos seus locais de integração no genoma do rato. Este efeito da posição cromossómica na expressão genética pode ser atenuado por sequências conhecidas como regiões de controlo locus, que resultam num elevado nível de expressão dos genes introduzidos independentemente do seu local de integração. Ao contrário dos potenciadores transcritionais (ver Capítulo 6), as regiões de controlo do locus estimulam apenas os genes transfectados integrados no ADN cromossómico.; não afectam a expressão de DN plasmídeos não integrados em ensaios transitórios. Além disso, em vez de afectar promotores individuais, as regiões de controlo locus parecem activar grandes domínios cromossómicos, presumivelmente induzindo alterações de longo alcance na estrutura cromatina.

a separação entre domínios cromossômicos é mantida por sequências de contorno ou elementos isoladores, que impedem a estrutura cromatina de um domínio de se espalhar para seus vizinhos. Além disso, os isoladores atuam como barreiras que impedem os potenciadores em um domínio de atuar em promotores localizados em um domínio adjacente. Como as regiões de controle de locus, os isoladores funcionam apenas no contexto do DNA cromossômico, sugerindo que eles regulam a estrutura cromatina de ordem superior. Embora os mecanismos de ação das regiões de controle locus e dos isoladores ainda estejam por elucidar, suas funções indicam claramente a importância da organização cromatina de ordem superior no controle da expressão do gene eucariótico.