Epigenética: Mecanismos e Impacto em Doenças Humanas

Maria Prates Rivas12 Anne Caroline Barbosa Teixeira1 Ana Cristina Victorino Krepischi1 1 Universidade de São Paulo Instituto de Biociências Departamento de Genética e Biologia Evolutiva São Paulo SP 2 Programa de pósgraduação Departamento de Genética e Biologia Evolutiva IBUSP Universidade de São Paulo Rua do Matão 14 CEP 05508090 São Paulo SP Autor para correspondência anakrepischiibuspbr Palavraschave epigenética metilação de DNA RNAs não codificadores marcas epigenéticas alterações póstranscricionais em caudas de histonas desenvolvimento Epigenética conceito mecanismos e impacto em doenças humanas CONCEITOS EM GENÉTICA 14 Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética Genética na Escola ISSN 19803540 O genoma é a base a partir da qual as dife renças de características entre organis mos se estabelecem Entretanto nem todas as diferenças dentro de uma mesma espécie e indivíduo podem ser explicadas apenas pela combinação de variantes genéticas Anali sando um mesmo indivíduo por que células que carregam genoma idêntico são diferen tes morfológica e funcionalmente Para res ponder algumas questões como essas apre sentamos aqui o conceito de Epigenética e seus mecanismos explorando seu papel no desenvolvimento embrionário e na regulação da expressão gênica Está em foco neste es tudo a associação entre exposição ambiental alterações epigenéticas e doenças humanas CONCEITOS EM GENÉTICA Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética 15 Genética na Escola ISSN 19803540 A vida é caracterizada por imensa diversi dade Existem diferenças evidentes das características de diferentes espécies mas também entre indivíduos de uma mesma espécie como por exemplo as variações na altura cor dos olhos e peso em seres huma nos Na atual era pósgenômica as diferentes manifestações de uma mesma característica fenótipo são frequentemente atribuídas a variações na sequência de nucleotídeos da molécula de DNA genótipo com contri buição de fatores ambientais em diferentes níveis De fato o genoma humano em suas diferentes versões que resultam de eventos de mutação e de recombinação é a base a partir da qual as diferenças fenotípicas entre seres humanos se estabelecem Entretanto nem todas as diferenças podem ser explica das apenas pela combinação de variantes genéticas Por exemplo se todas as células de um mesmo indivíduo carregam genoma idêntico como podem existir os diferentes tipos celulares que constituem o corpo hu mano com fenótipos tão distintos quanto o de uma célula de retina e uma de fígado O processo de aquisição de um fenótipo específico por cada tipo celular chamase diferenciação celular Esse fenótipo ou iden tidade celular deve ser mantido durante a vida útil da célula e também ser transmiti do às suas célulasfilhas durante as divisões celulares subsequentes O estabelecimento e manutenção dessa diversidade de fenótipos são alcançados de maneira independente da sequência de DNA por meio de marcas no genoma que modificam sua expressão Essa identidade celular estável transmitida através das divisões celulares sem altera ção na sequência de DNA bem como suas modificações em resposta ao ambiente e a estados patológicos é o objeto de estudo da epigenética Conrad Waddington introduziu o termo epigenética em 1942 tendo definido como ramo da biologia que estuda as interações ca suais entre genes e seus produtos que trazem o fenótipo ao ser WADDINGTON 1942 No sentido original desta definição epigené tica se refere ao estudo de todas as vias mole culares que modulam a expressão dos genes para resultarem num determinado fenótipo Atualmente a epigenética é definida como o estudo das alterações na função do gene que podem ser herdadas por mitose ou meiose e que não envolvem mudança na sequência de nucleo tídeos do DNA WU MORRIS 2001 É importante salientar que faz parte do concei to de epigenética a reversibilidade ou seja os fenótipos diferentes produzidos a partir da mesma sequência de DNA por meio de modificações epigenéticas são potencialmen te reversíveis uma vez que não há mudança na sequência dos nucleotídeos do DNA Portanto as marcas epigenéticas não são fixas e podem ser modificadas Essas marcas epigenéticas são modificações bioquímicas nos nucleotídeos da molécula de DNA ou em outros elementos que com põem a cromatina As marcas epigenéticas principais compreendem modificações de aminoácidos localizados nas proteínas histo nas que fazem parte da cromatina e modi ficações covalentes nos nucleotídeos De ma neira geral essas marcas regulam o acesso da maquinaria de transcrição de RNA à sequên cia dos genes promovendo ou impedindo o processo O conjunto de marcas epigenéticas de uma célula é chamado de epigenoma Esse epigenoma estabelece diferentes formas de acesso à informação contida no DNA pos sibilitando que após a fertilização o zigoto com um único genoma dê origem aos mais de 200 tipos celulares do corpo de um ser humano Outro nível de modulação das mar cas epigenéticas decorre da interação do ge noma de um organismo com o meio ambien te interno e externo ao longo da vida levando ao estabelecimento de epigenomas diversos e em constante adaptação Um exemplo des se nível de atuação da epigenética pode ser observado em gêmeos monozigóticos que carregam genomas idênticos e no entanto exibem algumas diferenças fenotípicas que se acentuam com o passar dos anos gêmeos monozigóticos têm genomas idênticos mas seus epigenomas são diferentes 1 MECANISMOS EPIGENÉTICOS MAIS ESTUDADOS 11 Metilação de DNA A metilação de DNA é uma das modifica ções epigenéticas mais estudadas em orga Marcas epigenéticas são modificações bioquímicas na molécula de DNA ou em outros elementos que compõem a cromatina Fenótipo é a característica observável de um organismo resulta da interação entre a expressão do genótipo e fatores ambientais Genótipo é a composição genética de um indivíduo em geral referindo a um gene específico Cromatina é uma estrutura formada principalmente por uma molécula de DNA e proteínas associadas Variantes genéticas são diferenças na sequência de nucleotídeos entre indivíduos Epigenética é o estudo das alterações na expressão do gene que podem ser herdadas por mitose ou meiose e que não envolvem mudança na sequência de nucleotídeos do DNA sendo potencialmente reversíveis Metilação de DNA é a reação química que consiste na adição de um grupo metila CH3 a um nucleotídeo da molécula de DNA CONCEITOS EM GENÉTICA 16 Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética Genética na Escola ISSN 19803540 nismos uni e multicelulares Nos eucariotos a metilação do DNA ocorre principalmente nas bases do tipo citosina as quais são con vertidas em 5metilcitosina 5mC pelas enzimas DNAmetiltransferases DNMT As citosinas metiladas 5metilcitosinas usualmente mas não exclusivamente estão adjacentes a um nucleotídeo de guanina di nucleotídeos CpG resultando em duas ci tosinas metiladas localizadas diagonalmente uma à outra figura 1A uma em cada fita da molécula de DNA Os membros da família de enzimas DNMT agem de duas manei ras principais adicionando grupos metil na sequência de DNA onde antes não havia metilação metilação de novo ou copiando a metilação da fita de DNA molde para uma nova fita complementar durante a replicação metilação de manutenção o que possibilita a transmissão do padrão de metilação duran te as divisões celulares A metilação de DNA é uma marca epigenética que pode ser reti rada por enzimas específicas e também pode ser perdida pela inibição da enzima DNMT de manutenção Em mamíferos a metilação pode estar con centrada em regiões do genoma nas quais há uma maior densidade relativa de dinucleo tídeos CpGs ilhas CpGs ou em CpGs isolados distribuídos pelo genoma A locali zação da metilação na sequência de um gene influencia o controle de sua expressão Por exemplo a metilação em região promotora da transcrição bloqueia a transcrição e por tanto reprime a expressão do gene já a meti lação no corpo do gene não tem esse efeito e em alguns casos pode até estimular a trans crição e ter efeito na recomposição do RNA mensageiro daquele gene 12 Modificações de proteínas histonas O conteúdo de DNA do genoma humano encontrase distribuído por 24 diferentes cromossomos os 22 autossomos acrescidos dos cromossomos X e Y Cada cromossomo contém uma única e longa molécula de DNA que está associada a grupos de proteínas his tonas em estruturas chamadas nucleosso mos Cada nucleossomo é constituído por um octâmero de proteínas formado por duas cópias de cada um dos tipos de proteínas histonas H2A H2B H3 e H4 associado a uma sequência de DNA de cerca de 147 pares de bases que está enrolada sobre esse octâmero figura 1B A molécula de DNA organizada em nucleossomos forma a cro matina que não é uniforme em estrutura apresentando segmentos altamente conden sados heterocromatina e outros menos compactados na eucromatina Esse grau de compactação da cromatina é dinâmico e sua conformação pode ser alterada em res posta a sinais endógenos e exógenos As histonas têm uma cauda terminal de ami noácidos que fica exposta nos nucleossomos figura 1B As caudas têm aproximadamen te 2035 aminoácidos e são sujeitas a modi ficações bioquímicas que afetam a atividade transcricional dos genes associados As di ferentes modificações das histonas podem afrouxar ou estreitar a associação entre his tonas e DNA facilitando ou restringindo o acesso ao DNA dos fatores de transcrição e da maquinaria transcricional Metilação acetilação e fosforilação de histonas são algumas das modificações descritas como marcas ativadoras ou silenciadoras da ex pressão gênica Por exemplo trimetilação da lisina 27 na histona H3 é encontrada nos nucleossomos que compõem a cromatina de genes inativos enquanto a mesma modifica ção em outra lisina na posição 36 marca a cromatina associada a genes ativos Cada marca isoladamente não confere ao gene um estado de transcrição ativo ou ina tivo as modificações nas histonas compõem um painel de marcas que é lido em conjun to por enzimas específicas readers A in trodução dessas modificações é efetuada por enzimas chamadas de escritoras writers que incluem metiltransferases HMTs e acetiltransferases HATs responsáveis pela metilação e acetilação de caudas de histonas respectivamente Da mesma forma que a me tilação de DNA tais marcas epigenéticas de histonas são estáveis mas podem ser rever síveis e sua remoção é efetuada por enzimas também específicas erasers como histona desmetiltransferases HDMTs e desacetila ses HDACs Existem formas variantes de histonas que diferem em um ou poucos aminoácidos em Dinucleotídeos CpG sequência de DNA na qual um nucleotídeo de citosina é seguido por um nucleotídeo guanina linearmente na direção 5 3 CpG é a abreviatura de 5CfosfatoG3 isto é citosina e guanina adjacentes na mesma fita unidas por um grupo fosfato Ilhas CpGs regiões do genoma nas quais há uma maior densidade relativa de dinucleotídeos CpGs Heterocromatina segmentos de cromatina altamente condensada Eucromatina segmentos de cromatina menos compactados Acetilação reação que introduz um grupo funcional acetila em resíduos de lisina na ramificação Nterminal das histonas Fosforilação adição de um fósforo que pode ocorrer em todas as classes das histonas em resíduos de serina e treonina CONCEITOS EM GENÉTICA Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética 17 Genética na Escola ISSN 19803540 relação às histonaspadrão e que estão em frequência muito menor na cromatina Em algumas regiões especiais da cromatina as histonas regulares são substituídas por essas variantes mais raras Essas variantes de his tonas fornecem um nível mais fundamental de diferenciação da cromatina fornecendo a base para processos epigenéticos incluindo segregação de cromossomos A substituição da histonapadrão por uma variante é espe cialmente importante nos centrômeros nos quais a histona H3 é substituída por sua va riante CENPA Adicionalmente as varian tes de histonas também estão envolvidas nas propriedades epigenéticas de genes ativos as histonas H33 e H2AZ variantes de H3 e H2A respectivamente estão enriquecidas em genes com alta atividade transcricional Além desses processos universais variantes de histonas também estão relacionadas a fenômenos epigenéticos particulares como a inativação de um dos cromossomos X em fêmeas de mamíferos 2 EPIGENÉTICA E DIFERENCIAÇÃO CELULAR Como os diferentes tipos celulares de um mesmo indivíduo com um genoma idên tico conseguem ser tão distintos E como essa memória celular é mantida ao longo das divisões celulares Para responder essas questões é preciso considerar a combinação entre genoma e epigenoma A B Figura 1 Mecanismos de modificação epigenética metilação de DNA e modificações da cauda de proteínas histonas A Metilação de nucleotídeos citosina na molécula de DNA As citosinas C metiladas Me usualmente estão adjacentes a um nucleotídeo de guanina dinucleotídeo CpG resultando em duas citosinas metiladas localizadas diagonalmente uma à outra uma em cada fita da molécula de DNA B A molécula de DNA de cada cromossomo está associada a grupos de proteínas histonas formando estruturas chamadas nucleossomos O nucleossomo é formado por uma sequência de DNA de 147 pares de bases fita preta que envolve um octâmero de proteínas formado por duas cópias de cada uma das histonas H2A H2B H3 e H4 A histona tem uma cauda terminal indicada pelas fitas em azul de 2035 aminoácidos que fica exposta no nucleossomo e é sujeita a modificações bioquímicas como metilação verde e acetilação vermelho entre outras As diferentes modificações das histonas podem afrouxar ou estreitar a associação entre as histonas e o DNA facilitando ou restringindo o acesso ao DNA dos fatores de transcrição e da maquinaria transcricional dessa maneira as modificações de histonas afetam diretamente a atividade transcricional dos genes associados Memória celular é o conjunto de informações epigenéticas de uma célula que pode ser transmitido por sucessivas divisões mitóticas CONCEITOS EM GENÉTICA 18 Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética Genética na Escola ISSN 19803540 Nosso genoma carrega cerca de 20000 genes codificadores de proteína Um tipo celular é definido pelo subconjunto de genes que es tão ativos Esse grupo de genes ativos e seus transcritos RNA mensageiros codificam os componentes físicos e as proteínas necessá rias para que cada célula execute sua função especializada Os diferentes tipos celulares são estabelecidos durante o desenvolvimento embrionário e mantidos através dos ciclos de divisão celular perpetuando padrões espe cializados de expressão gênica Dentre os diversos tipos celulares do corpo humano há as célulastronco caracterizadas pela capacidade de autorenovação ou seja podem se multiplicar gerando células iguais a si e pelo potencial de diferenciação são capazes de originar diversos tipos celulares Em geral as célulastronco são classificadas em embrionárias ou adultas As primeiras são capazes de gerar qualquer tipo de célula do organismo e possuem alta capacidade de diferenciação pluripotência Já as células tronco adultas são encontradas em maior quantidade na medula óssea e sangue do cor dão umbilical assim como em locais espe cíficos dos órgãos e apresentam capacidade limitada de diferenciação dando origem so mente aos subtipos celulares de tecidos dos quais derivam Em geral no início do desenvolvimento há a diminuição do nível global de metilação do DNA nestas células permitindo a expressão de genes associados à pluripotência como NANOG e POU5F1 ou OCT4 Poste riormente os genes que são responsáveis por manter a pluripotência são reprimidos como resultado de um aumento da metilação do DNA assim como há o aumento da expres são dos genes específicos de desenvolvimen to em resposta à promoção da metilação da H3K4 nos nucleossomos Em consequência as célulastronco iniciam o processo de dife renciação celular que culminará no acúmulo progressivo de marcas epigenéticas que pro duzirão um padrão específico de expressão gênica para cada tipo celular Ao final desse processo de estabelecimento da identidade funcional de cada tipo celular a célula é referida como diferenciada O pa drão de expressão gênica de uma célula dife renciada é mantido estável através das divi sões celulares indicando que a diferenciação celular é um processo unidirecional em geral não reversível É importante mencionar que os tecidos mantêm uma espécie de reserva tório de célulastronco ou seja células não diferenciadas que retêm a capacidade de se diferenciar nos diferentes tipos celulares da quele tecido para reposição celular 3 REGULAÇÃO E REPROGRAMAÇÃO EPIGENÉTICA NO DESENVOLVIMENTO As marcas epigenéticas compõem a memó ria celular de modo a manter o padrão de expressão gênica em células especializadas preservando a identidade da linhagem ce lular após consecutivas divisões mitóticas Contudo em dois momentos ao longo do desenvolvimento o epigenoma é alterado de forma radical após a formação do zigoto e na formação dos gametas Após a fusão dos gametas materno e pater no os genomas de ambos permanecem fi sicamente separados no zigoto prónúcleo masculino e feminino submetidos a distin tas alterações no DNA e cromatina Como exemplo o genoma de origem paterna sofre desmetilação de DNA ativa nas primeiras 24 horas pós fertilização enquanto que o genoma materno é desmetilado lentamente por mecanismo passivo após sucessivas re plicações Este processo de desmetilação do genoma ocorre entre os estágios de zigoto e mórula permitindo que as células mante nham características de totipotência Já na fase de blastocisto há o primeiro sinal de diferenciação celular a camada interna das células constitui o embrioblasto ou massa celular interna o qual dará origem ao em brião propriamente dito e a camada externa constitui o trofoblasto que origina membra nas fetais e o saco vitelínico A diferenciação entre esses dois tecidos na fase de blastocisto compreende distintos eventos epigenéticos que incluem diferenças no padrão de aceti lação e metilação e disponibilidade de fatores de transcrição Com o decorrer do desenvol vimento marcas epigenéticas são subsequen temente estabelecidas à medida que ocorrem os processos de diferenciação e formação das linhagens que compõem o indivíduo Mórula é o primeiro estágio da embriogênese logo após a fertilização no qual o zigoto sofre sucessivas clivagens até a formação do blastocisto Este estágio caracterizase por uma massa sólida com cerca de 12 a 32 células Blastocisto é o segundo estágio da embriogênese esfera oca de células embrionárias conhecidas como blastômeros em torno de uma cavidade interna com fluido chamada blastocele CONCEITOS EM GENÉTICA Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética 19 Genética na Escola ISSN 19803540 Nas primeiras fases embrionárias são tam bém formadas as células germinativas pri mordiais que darão origem aos gametas A provável finalidade da reprogramação do epi genoma de gametas é a remoção de modifica ções epigenéticas adquiridas durante a vida do indivíduo em decorrência da interação com fatores ambientais Durante o processo de maturação os gametas adquirirão marcas epigenéticas diferenciais características do sexo feminino ou do sexo masculino chama das de imprinting figura 2 Figura 2 Regulação epigenética durante o desenvolvimento de mamíferos O nível das marcas epigenéticas está indicado pela gradação de cores das barras sendo o tom mais escuro correspondente à maior quantidade da marca em vermelho metilação de DNA em azul metilação da lisina 27 da histona 3 H3K27 e em cinza metilação da lisina 4 da histona 3 H3K4 No início da embriogênese zigotomórula ocorre grande perda de metilação de DNA e os genes de diferenciação e desenvolvimento são reprimidos pela metilação da lisina 27 da histona 3 H3K27 marca de silenciamento gênico Quando se inicia a diferenciação das células os genes associados à pluripotência são reprimidos por metilação de DNA Ao mesmo tempo os genes do desenvolvimento começam a ser expressos e há um aumento na metilação da lisina 4 da histona 3 H3K4 marca de atividade gênica O desenvolvimento das células germinativas se inicia com ganho de metilação de DNA apenas os genes sujeitos a imprinting sofrem desmetilação com consequente apagamento das marcas dos genitores Marcas como a metilação do H3K27 permitem que os genes de diferenciação e desenvolvimento sejam silenciados por um curto período de tempo nas células germinativas primordiais Posteriormente a metilação de DNA nas células germinativas permite o silenciamento estável de genes de imprinting transposons e alguns genes associados à pluripotência Transposons sequências de DNA que tem capacidade de autoreplicação e inserção em outros sítios do genoma em geral com atividade reprimida por metilação de DNA CONCEITOS EM GENÉTICA 20 Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética Genética na Escola ISSN 19803540 4 MECANISMOS EPIGENÉTICOS CLÁSSICOS DE REGULAÇÃO GÊNICA EM MAMÍFEROS INATIVAÇÃO DO CROMOSSOMO X E IMPRINTING 41 Inativação do cromossomo X Durante a evolução dos organismos a aqui sição de um gene determinante do sexo em apenas um dos cromossomos de um par de homólogos resultou no surgimento de cro mossomos sexuais Com o passar do tempo os cromossomos sexuais ficaram amplamen te diferentes um do outro Esta dissimilari dade entre os cromossomos sexuais origina uma desigualdade da dosagem gênica entre os dois sexos Diminuindo esse desequilíbrio entre a quantidade dos produtos gênicos en tre os dois sexos muitas espécies têm meca nismos de compensação de dosagem de ge nes com base epigenética Esses mecanismos epigenéticos de compensação da dosagem dos genes localizados nos cromossomos se xuais variam dentre as espécies desde a sim ples regulação do nível da atividade transcri cional até o silenciamento completo de um dos cromossomos sexuais como é o caso dos humanos e todos os outros mamíferos pla centários A inativação do cromossomo X é um fenô meno que ocorre no início do desenvolvi mento embrionário em todas as células so máticas de fêmeas de mamíferos no qual um dos cromossomos X é inativado de maneira aleatória em cada célula ou seja as fêmeas são um mosaico formado por células com um cromossomo X inativo de origem materna ou de origem paterna A metilação de DNA é um fator crucial para a manutenção do es tado inativo dos cromossomos X que foram silenciados aleatoriamente Adicionalmente a inativação do cromossomo X é também mantida por modificações nas histonas que estão associadas ao silenciamento transcri cional A escolha de qual dos dois cromossomos será inativado em cada célula ainda é objeto de intenso estudo O cromossomo X inati vo Xi pode ser visualizado ao microscópio como uma massa heterocromática muito corada chamada de corpúsculo de Barr lo calizado na periferia do núcleo de células de fêmeas de mamíferos figura 3 Figura 3 Corpúsculo de Barr A inativação do cromossomo X é um fenômeno que ocorre no início do desenvolvimento embrionário em todas as células somáticas de fêmeas de mamíferos XX Nas fêmeas apenas um cromossomo X permanece ativo em cada célula e portanto um dos cromossomos X é inativado por meio da metilação do DNA de maneira aleatória X paterno ou materno O cromossomo X inativo Xi pode ser visualizado ao microscópio como uma massa heterocromática apontada pelas setas nas células XX painel à direita chamada de corpúsculo de Barr localizada na periferia do núcleo celular As células somáticas de machos de mamíferos XY carregam apenas um cromossomo X ativo em todas as células e não possuem corpúsculo de Barr Figura adaptada de http wwwmuncabiologyscarr BarrBodieshtml Créditos Steven M Carr Terra Nova Genomics Inc Inativação do cromossomo X é o mecanismo epigenético de compensação de dosagem gênica entre os sexos feminino e masculino de mamíferos 42 Imprinting genômico O imprinting genômico é um fenômeno que afeta aproximadamente 100 genes do geno ma humano e resulta na expressão diferen cial destes genes de acordo com a origem parental apenas um dos alelos dos genes que sofrem imprinting é expresso alguns são ativos apenas nos cromossomos de origem materna e outros ativos apenas em cromos somos de origem paterna Esse padrão de expressão diferencial deste grupo particular de genes de acordo com a origem parental decorre da existência de marcas epigenéticas que são estabelecidas nas células germinati vas parentais A diferença mais consistente entre os alelos de um gene que sofre imprin ting é na metilação do DNA mas também ocorrem diferenças na conformação da cro Imprinting genômico é o padrão de expressão diferencial de um grupo particular de genes de acordo com a origem parental do alelo CONCEITOS EM GENÉTICA Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética 21 Genética na Escola ISSN 19803540 matina modificação das histonas tempo de replicação e taxa de recombinação na meiose Sabese que os genes que sofrem imprinting têm atuação importante no desenvolvimento prénatal e também na biologia placentária assim como também exercem efeitos im portantes no desenvolvimento crescimen to e sobrevivência pósnatal Esse grupo de genes de imprinting está emergindo como reguladorchave de processos metabólicos em bebês e adultos podem influenciar a ma nutenção da temperatura corporal ingestão de alimentos e adiposidade agindo em vários tecidos e vias 5 DOENÇAS HUMANAS E ALTERAÇÕES EPIGENÉTICAS Distúrbios no epigenoma podem resultar na ativação ou inibição de genes de maneira inapropriada deste modo a fisiologia celu lar normal é alterada o que pode ocasionar o desenvolvimento de patologias congênitas ou adquiridas Defeitos de imprinting genômico são causa de condições congênitas que afetam o cres cimento e desenvolvimento como as síndro mes de BeckwithWiedemann Prader Willi e Angelman por exemplo Em casos como a síndrome de BeckwithWiedemann a hipometilação do gene IGF2 por causa de um defeito de imprinting resulta no aumento da expressão deste gene durante o período prénatal ocasionando o hipercrescimento característico dos pacientes Por outro lado na síndrome de SilverRussell caracteriza da por crescimento diminuído há alterações no perfil de metilação também decorrentes de defeitos de imprinting que resultam na diminuição da expressão do gene IGF2 no período prénatal Modificações epigenéti cas congênitas também podem ocorrer por alterações em genes relacionados à maqui naria epigenética como exemplo a hipome tilação global observada na Síndrome ICF imunodeficiência instabilidade da região centromêrica e anomalias faciais que é cau sada por mutação em um gene que codifica uma das enzimas que adicionam metilação ao DNA DNMT3B Além das síndromes conhecidas de defeitos de imprinting há evidências crescentes de que existe expressão alterada dos genes de imprinting em uma ampla gama de doen ças comuns como restrição do crescimento intrauterino obesidade diabetes mellitus transtornos psiquiátricos e câncer Quanto a essas doenças nãocongênitas em geral de manifestação tardia é importante sempre relembrar que qualquer característica fenó tipo é resultado da interação entre variantes genéticas genótipo e o ambiente Atual mente há um considerável interesse em sa ber como os fatores ambientais atuam no genoma para influenciar o fenótipo por meio da modulação de marcas epigenéticas Nos últimos anos várias pesquisas examinaram a relação entre exposição a fatores ambientais e mudanças do epigenoma incluindo poluen tes químicos nutrição alterações de tempe ratura estresse nível de atividade física ciclo circadiano tabagismo e consumo de álcool entre outros Evidências crescentes mostram que as mar cas epigenéticas conhecidas como metilação de DNA e modificações de histonas são in fluenciadas por fatores exógenos A relação entre a fumaça do tabaco e a alteração da me tilação do DNA parece particularmente re levante dado que vários genes supressores de tumor mostram um aumento de metilação em células normais de pulmão de fumantes e exfumantes o que poderia levar a uma di minuição de sua expressão Os mecanismos subjacentes permanecem amplamente des conhecidos mas se espera que a epigenética ajude a trazer uma compreensão mais com pleta das respostas individuais ao ambiente e a fatores de risco em combinação com as diferenças genéticas Um perfil epigenético específico foi obser vado em pacientes com doenças neurodege nerativas como a hipometilação e alteração na expressão gênica em Alzheimer e Par kinson outros estudos também evidenciam modificações no perfil epigenético em pes soas com esquizofrenia e com doença de Huntington dentre outras doenças Alte rações epigenéticas também são descritas em diabetes doenças autoimunes como lúpus Síndrome de Beckwith Wiedemann doença caracterizada por aumento de crescimento predisposição tumoral e malformações congênitas Síndrome de PraderWilli hipotonia grave e dificuldades alimentares no início da infância seguidos de ingestão excessiva de alimentos obesidade mórbida e atraso cognitivo em geral moderado Síndrome de Angelman deficiência intelectual grave convulsões microcefalia pósnatal e características dismórficas faciais distintas Hipometilação nível de metilação diminuído em relação ao tecido controle Síndrome de Silver Russell baixa estatura proporcional dismorfismos faciais assimetria de membros risco significativo de atraso no desenvolvimento tanto motor quanto cognitivo e dificuldades de aprendizagem Síndrome ICF imunodeficiência instabilidade da região centromêrica e anomalias faciais doença autossômica recessiva rara caracterizada por imunodeficiência e anomalias faciais Doença de Huntington doença neurodegenerativa progressiva rara do sistema nervoso central caracterizada por movimentos coreicos alterações comportamentais e psiquiátricas e demência CONCEITOS EM GENÉTICA 22 Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética Genética na Escola ISSN 19803540 e artrite reumatoide doenças pulmonares como asma assim como no desenvolvimen to de doenças cardiovasculares e obesidade Em todas essas doenças de desenvolvimen to lento e gradual com manifestação tardia muito provavelmente os fatores de risco já conhecidos como alimentação sedentaris mo tabagismo poluição e estresse atuam em conjunto para produzir alterações das marcas epigenéticas que contribuirão para o desenvolvimento do fenótipo 51 Epigenética do câncer O câncer se desenvolve a partir do acúmulo de mutações genéticas em células somáticas ao longo de um período extenso de tempo em geral décadas Atualmente a interação entre processos genéticos e alterações epi genéticas é considerada a chave para o de senvolvimento tumoral resultando em ex pressão anormal de genes importantes para proliferação celular protooncogenes e controle do ciclo celular supressores tumo rais Além de mutações em protooncoge nes e supressores tumorais a tumorigênese é modulada por modificações na compactação e acessibilidade da cromatina que são defini das por mecanismos epigenéticos como mo dificações de histonas metilação de DNA e reposicionamento de nucleossomos Aberrações epigenéticas foram descritas em praticamente todos os tipos tumorais entre eles câncer hepático de mama de cólon endométrio do sistema nervoso de pele esôfago bexiga leucemias etc Em relação à metilação de DNA o padrão em células de câncer quando comparadas às células oriun das de tecidos normais é bastante caracte rístico e bem documentado sendo descrito de forma resumida como aumento de meti lação em regiões promotoras da expressão de genes supressores tumorais levando ao silenciamento gênico e perda de metilação em sequências repetitivas hipometilação global do genoma figura 4 o que ocasiona instabilidade genômica Alterações nas histonas também são prevalentes em câncer como perda ou modificação dos marcadores de repressão e ativação gênica Assim modi ficações do perfil epigenético do DNA em células neoplásicas é de grande relevância na gênese e progressão tumoral Figura 4 Epigenética e câncer O painel superior indica a situação em células normais e abaixo as modificações epigenéticas identificadas em células tumorais Genes supressores de tumor estão ativos retângulo verde em células normais no câncer estes genes podem ser silenciados pelo ganho de metilação em citosinas localizadas em ilhas CpG na sua região promotora pirulitos brancos denotam citosinas não metiladas pirulitos vermelhos citosinas metiladas e essa hipermetilação de promotor gênico ocasiona silenciamento da transcrição do gene associado retângulo vermelho Em sequências repetitivas de DNA retângulos em azul que normalmente estão metiladas em células normais ocorre perda de metilação em células tumorais hipometilação global do genoma Instabilidade genômica alta frequência de mutações no genoma que podem incluir alterações nas sequências de ácidos nucleicos rearranjos cromossômicos e aneuploidias CONCEITOS EM GENÉTICA Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética 23 Genética na Escola ISSN 19803540 6 HERANÇA EPIGENÉTICA Como discutido até agora as marcas epige néticas contribuem para a memória celular de modo a manter o padrão de expressão gênica em células especializadas preservan do a identidade da linhagem celular após consecutivas divisões mitóticas Um mo mento primordial de mudança programada do epigenoma ocorre na formação das cé lulas germinativas gametas A reprogra mação epigenética em gametas ocorre para apagamento de marcas de imprinting pré existentes e estabelecimento das marcas de imprinting de acordo com o sexo do indiví duo Adicionalmente muito provavelmente a reprogramação é importante para remoção de modificações epigenéticas adquiridas pelo indivíduo em decorrência da interação com fatores ambientais A pergunta fundamental entre os pesqui sadores é será que ocasionalmente marcas epigenéticas adquiridas ao longo da vida de um indivíduo podem ser transmitidas atra vés das células germinativas como resultado de um apagamento incompleto Existiria a chamada herança epigenética transge racional Durante o século XX uma subpopulação europeia foi submetida a grave restrição caló rica por razões históricas Esse evento repre sentou um modelo para estudar em huma nos o impacto transgeracional do ambiente externo a relação entre dieta epigenética e expressão gênica RAVELLI et al 1976 A chamada fome holandesa ou Hongerwinter inverno da fome começou em 1944 após a Segunda Guerra Mundial devido ao for necimento limitado de alimentos a algumas regiões da Holanda ocupadas pelos nazis tas Como consequência até maio de 1945 quando o país foi libertado uma grave res trição de ingestão calórica afetou essas po pulações incluindo mulheres grávidas e seus filhos no útero em diferentes estágios da ges tação As crianças nascidas durante ou logo após a fome holandesa apresentaram baixo peso e propensão a intolerância à glicose ao nascer na fase adulta esses indivíduos eram mais suscetíveis a diabetes obesidade doen ça coronariana coagulação sanguínea altera da doença renal e aumento da resposta ao estresse Sessenta anos depois descobriuse que o gene do fator de crescimento 2 IGF2 semelhante à insulina apresentava perda de metilação nesses indivíduos filhos em con traste com seus irmãos do mesmo sexo que não foram expostos a essa privação nutricio nal durante a gestação Essa exposição pe riconcepcional reforça o importante papel do ambiente na modulação do epigenoma e suas consequências na saúde humana Ain da mais interessante foi a observação de que filhos desses filhos de mulheres desnutridas durante os três primeiros meses de gesta ção também sofreram alguns desses efeitos como suscetibilidade a diabetes e obesidade Isto poderia ser explicado pela exposição das células germinativas gametas dos fetos das mulheres que sofreram desnutrição logo no início da gestação Dessa forma três gerações são expostas e afetadas pela mesma condição ambiental seja dieta toxinas hormônios entre outros figura 5 A fim de analisar efeitos na prole associados a comportamentos paternos estudo realiza do na Inglaterra com 116 homens fumantes desde os 11 anos observou que seus filhos são mais propensos a ter aumento de massa corporal aos nove anos em relação a filhos de pais que começaram a fumar com idade mais avançada PEMBREY et al 2006 Ainda no mesmo estudo ao investigar re gistros de colheitas de uma população isola da no norte da Suécia Överkalix do século XIX e comparar com os dados dos mora dores foi observado que indivíduos com avós paternos com maior ingestão calórica na adolescência tinham risco aumentado de mortalidade comparado aos indivíduos com avós paternos submetidos a restrição de ali mentos Embora a manutenção assim como o apa gamento de marcas epigenéticas adquiridas possa ter efeitos benéficos e deletérios não se sabe ainda até que ponto tais marcas podem ser mantidas entre gerações nos mamíferos Por causa dos eventos de reprogramação epigenética durante o desenvolvimento das células germinativas e embriogênese preco ce acreditase que os estados epigenéticos adquiridos raramente são passados para a progênie Entretanto o fato de que as marcas de imprinting materno e paterno são reco Herança epigenética transgeracional transmissão de algumas marcas epigenéticas adquiridas ao longo da vida através das células germinativas CONCEITOS EM GENÉTICA 24 Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética Genética na Escola ISSN 19803540 REFERÊNCIAS PEMBREY M E BYGREN L O KAATI G EDVINSSON S NORTHSTONE K SJÖSTRÖM M GOLDING J Sexspecific maleline transgenerational responses in humans European Journal of Human Genetics v 14 p 159 166 2006 RAVELLI GP STEIN Z A SUSSER M W Obesity in Young Men after Famine Exposure in Utero and Early Infancy New England Journal of Medicine v 295 n 7 p 349353 1976 WADDINGTON C H 1942 The epigenotype 1942 International Journal of Epidemiology 411 1013 1942 WU C T MORRIS J R Genes genetics and epi genetics A correspondence Science v 293 n 5532 p11031105 2001 PARA SABER MAIS MESSERSHMIDT D M KNOWLES B B SOLTER D DNA methylation dynamics during epigenetic reprogramming in teh germline and preimplantation embryos Genes and Devel opment v 28 p 812828 2014 nhecidamente mantidas durante a embriogê nese inicial destaca que algumas sequências podem escapar dos eventos de reprograma ção epigenética Em todas as observações já documentadas de possível transmissão de in formação epigenética pelos gametas os me canismos são ainda pouco compreendidos Evidências científicas robustas acerca dessa herança epigenética em humanos ainda estão sendo coletadas Figura 5 Herança epigenética transgeracional em humanos Evidências crescentes mostram que as marcas epigenéticas conhecidas como metilação de DNA e modificações de histonas são fortemente influenciadas por fatores exógenos O efeito da exposição periconcepcional a fatores que podem modular o epigenoma vem sendo estudado nas últimas décadas As condições ambientais a que mulheres grávidas são expostas podem modificar não apenas o epigenoma da gestante 1ª geração como também o epigenoma do feto 2ª geração incluindo suas células germinativas que darão origem à 3ª geração Desta forma três gerações seriam expostas à mesma condição ambiental tabaco dieta toxinas hormônios medicamentos nível de atividade física entre outros mudando o epigenoma e com potencial impacto na saúde Figura adaptada de httpslearngeneticsutah educontentepigenetics inheritance CONCEITOS EM GENÉTICA Genética na Escola Vol 14 Nº 1 2019 Sociedade Brasileira de Genética 25 Genética na Escola ISSN 19803540