O que é embalagem de DNA?

A embalagem de ADN é um termo que define a compactação controlada do DNA na célula. Em nenhuma célula (e de fato, nem mesmo em vírus), o DNA é livre, relaxado e em verdadeira solução.

O DNA é uma molécula extremamente longa que, além disso, está sempre interagindo com uma enorme variedade de proteínas diferentes. Para o processamento, herança e controle da expressão dos genes que ele carrega, o DNA adota uma organização espacial específica. Isso é alcançado pela célula, controlando rigorosamente cada etapa da embalagem do DNA em diferentes níveis de compactação.

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Cromatina: de relaxada (esquerda) a condensada (direita). Retirado de commons.wikimedia.org

Os vírus têm estratégias de empacotamento diferentes para seus ácidos nucleicos. Um dos favoritos é a formação de espirais compactas. Pode-se dizer que os vírus são ácidos nucleicos empacotados nas proteínas que os cobrem, protegem e mobilizam.

Nos procariontes, o DNA está associado a proteínas que determinam a formação de ligações complexas em uma estrutura chamada nucleoide. O nível máximo de compactação de DNA em uma célula eucariótica, por outro lado, é o cromossomo mitótico ou meiótico.

O único exemplo em que um DNA-B não é empacotado é um laboratório de pesquisa que persegue esse objetivo.

Estrutura de DNA

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O DNA é formado por duas bandas antiparalelas que formam uma dupla hélice. Cada um deles possui um esqueleto de ligações fosfodiéster nas quais açúcares ligados a bases de nitrogênio estão ligados.

Dentro da molécula, as bases de nitrogênio de uma banda formam ligações de hidrogênio (duas ou três) com a banda complementar.

Em uma molécula como essa, os ângulos de ligação mais importantes mostram rotação livre. As ligações de açúcar nitrogenado, grupo açúcar-fosfato e ligação fosfodiéster são flexíveis.

Isso permite que o DNA, visto como uma haste flexível, mostre alguma capacidade de dobrar e enrolar. Essa flexibilidade permite ao DNA adotar estruturas locais complexas e formar laços de interação a curta, média e longa distância.

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Essa flexibilidade também explica como 2 metros de DNA podem ser mantidos em cada célula diplóide de um ser humano. Em um gameta (célula haplóide), seria um metro de DNA.

Nucleoide bacteriano

Embora não seja uma regra inquebrável, o cromossomo bacteriano existe como uma única molécula de DNA de banda dupla superenrolada.

A dupla hélice gira mais sobre si mesma (mais de 10 pb por turno), produzindo alguma compactação. Nós locais também são gerados graças a manipulações que são enzimaticamente controladas.

Além disso, existem seqüências no DNA que permitem a formação de domínios em grandes ligações. Chamamos de estrutura resultante do super-resfriamento e de laços ordenados nucleoide.

Estes sofrem mudanças dinâmicas graças a algumas proteínas que fornecem alguma estabilidade estrutural ao cromossomo compactado. O grau de compactação em bactérias e arquéias é tão eficiente que pode haver mais de um cromossomo por nucleoide.

O nucleoide compacta no DNA procariótico pelo menos cerca de 1000 vezes. A estrutura topológica do nucleoide é uma parte fundamental da regulação dos genes que o cromossomo transporta. Ou seja, estrutura e função constituem a mesma unidade.

Níveis de compactação de cromossomos eucarióticos

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O DNA no núcleo eucariótico não está nu. Interage com muitas proteínas, das quais as mais importantes são histonas. As histonas são pequenas proteínas carregadas positivamente que se ligam ao DNA de maneira não específica.

O que observamos no núcleo é um complexo de DNA: histonas, que chamamos de cromatina. Cromatina altamente condensada, que geralmente não é expressa, é heterocromatina. Pelo contrário, a menos compactada (mais relaxada), ou eucromatina, é a cromatina com genes que são expressos.

A cromatina tem vários níveis de compactação. O mais elementar é o do nucleossomo; Eles são seguidos pelas ligações da fibra solenóide e da cromatina em interfase. Somente quando um cromossomo se divide é que os níveis máximos de compactação são mostrados.

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Nucleossomo

O nucleossomo é a unidade básica da organização da cromatina. Cada nucleossomo é formado por um octâmero de histonas que formam uma espécie de tambor.

O octâmero consiste em duas cópias de cada uma das histonas H2A, H2B, H3 e H4. Ao redor deles, o DNA leva quase 1,7 turnos. É seguido por uma fração de DNA livre denominada ligante de 20 pb associado à histona H1 e depois outro nucleossomo. A quantidade de DNA em um nucleossomo e a que o liga a outro é de cerca de 166 pares de bases.

Esta etapa de empacotamento do DNA compacto para a molécula cerca de 7 vezes. Ou seja, passamos de um metro para pouco mais de 14 cm de DNA.

Esse empacotamento é possível porque as histonas positivas cancelam a carga negativa do DNA e a consequente autorepulsão eletrostática. A outra razão é que o DNA pode ser dobrado de maneira a girar o octâmero da histona.

Fibra de 30 nm

A fibra de contas em um colar que forma muitos nucleossomos sucessivos é enrolada em uma estrutura mais compactada.

Embora não tenhamos certeza de qual estrutura ela realmente adota, sabemos que ela atinge uma espessura de cerca de 30 nm. Essa é a chamada fibra de 30 nm; A histona H1 é essencial para a sua formação e estabilidade.

A fibra de 30 nm é a unidade estrutural básica da heterocromatina. O dos nucleossomos frouxos, o da eucromatina.

Laços e voltas

A fibra de 30 nm, no entanto, não é completamente linear. Pelo contrário, forma alças de cerca de 300 nm de comprimento, de maneira sinuosa, em uma matriz protéica pouco conhecida.

Essas ligações em uma matriz proteica formam uma fibra cromatina mais compacta de 250 nm de diâmetro. Finalmente, eles estão alinhados como uma simples hélice de 700 nm de espessura, dando origem a uma das cromátides irmãs de um cromossomo mitótico.

No final, o DNA na cromatina nuclear é compactado cerca de 10.000 vezes no cromossomo da célula em divisão. No núcleo interfásico, sua compactação também é alta, pois é cerca de 1000 vezes comparada ao DNA “linear”.

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Compactação de DNA meiótico

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No mundo da biologia do desenvolvimento, diz-se que a gametogênese redefine o epigenoma. Ou seja, apaga as marcas de DNA que a vida de quem deu origem ao gameta produziu ou experimentou.

Essas marcas incluem a metilação do DNA e modificações covalentes das histonas (Código da histona). Mas nem todo o epigenoma é redefinido. O que resta das marcas será responsável pela impressão genética paterna ou materna.

A reposição implícita da gametogênese é mais fácil de ver no esperma. No esperma, o DNA não está repleto de histonas. Portanto, as informações associadas às suas modificações no organismo produtor, geralmente, não são herdadas.

Nos espermatozóides, o DNA é empacotado graças à interação com proteínas inespecíficas de ligação ao DNA chamadas protaminas. Essas proteínas formam pontes dissulfeto umas com as outras, contribuindo assim para a sobreposição de camadas de DNA que não se repelem eletrostaticamente.

Referências

  1. É importante ressaltar que, em alguns casos, é necessário que o paciente tenha um diagnóstico precoce da doença. WW Norton & Company, Nova Iorque, NY, EUA.
  2. Annunziato, A. (2008) Embalagem de DNA: Nucleossomos e cromatina. Educação da Natureza 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
  3. Brooker, RJ (2017). Genética: Análise e Princípios. Ensino Superior McGraw-Hill, Nova York, NY, EUA.
  4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Mapa estrutural e funcional de um nucleoide bacteriano. Genome Biology, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
  5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Remeasuring a dupla hélice. Science, 17: 446-449.
  6. Travers, AA (2004) A base estrutural da flexibilidade do DNA. Transações Filosóficas da Sociedade Real de Londres, Série A, 362: 1423-1438.
  7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Estrutura e função do DNA. FEBS Journal, 282: 2279-2295.

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