Herança epigenética

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Estrutura de ADN de cromossomas, mostrando a proteína histona.

A epigenética é o estudo das mudanças hereditárias no fenótipo (aparência) ou expressão gênica causada por mecanismos diferentes das alterações nas seqüências subjacentes do ADN daí o nome de epi- (Grego: επί- sobre, acima) -genética. Estas alterações podem permanecer através de divisões celulares para o resto da vida da célula e também podem durar por várias gerações. No entanto, não há nenhuma mudança na sequência de ADN subjacente do organismo; em vez disso, os fatores não-genéticos fazem os genes do organismo se comportar (ou "expressar-se"), de forma diferente.

Nos últimos anos, tornou-se cada vez mais claro que a herança celular não se limita à simples genética mendeliana. O termo epigenética tem sido utilizado para descrever estes tipos de herança que não são devidas a alterações na seqüência de nucleotídeos do ADN, no entanto resultam em uma nova característica que está sendo passada de pais para filhos. Sequências de ADN fixos enrolados em torno de proteínas histonas dão forma à estrutura física do genoma, enrolando firmemente genes inativos tornando-os inacessíveis ou ilegíveis, enquanto desenrolando genes ativos fazendo-os livremente acessíveis. A manutenção da estrutura do genoma e pontos estratégicos de locais químicos sobre as sequências de ADN são controlados pelo epigenoma e habilitam o genoma a produzir a expressão fenotípica. Marcas epigenéticas químicas reagem a estímulos ambientais naturais e se manifestam através de dieta ou estresse, por exemplo.[1]

Epigenética é um campo incrível de estudo que abrange toda uma série de processos celulares. Alguns mecanismos epigenéticos incluem: metilação do DNA, modificações de histonas do ADN, imprinting genômico, ARNs não codificantes, e inativação do cromossomo X. Estes resultam em mudanças em organismos ou tipos de células, incluindo a diferenciação celular. Basicamente, a epigenética é um termo geral usado para descrever qualquer tipo de memória de célula transmitida aos descendentes que não envolve a manipulação direta da seqüência de ADN.

A descoberta deste processo tem sérias implicações para a biologia criacionista, dado o fato de que grandes mudanças fenotípicas podem ocorrer sem o processo darwiniano de mutação genética e seleção natural.[2]

Pano de fundo

Os insights em epigenética começaram com observações científicas que não podiam ser contabilizadas com conhecimentos básicos de genética e herança mendeliana. Uma das observações mais simples foi notada por meio de estudos de gêmeos idênticos. Mesmo que eles tenham a mesma seqüência exata de ADN, eles muitas vezes possuem uma série de diferenças físicas, incluindo diferentes suscetibilidades à doença e diferentes características faciais.[3] Devido a esta importância dos mecanismos epigenéticos na aparência real de um organismo, alguns cientistas têm chamado a epigenética de o marionetista genético que controla os genes "marionetes".[4]

O controle epigenético do código genético não é algo a ser tomado levemente. Permitir uma outra unidade (neste caso, a epigenética) a ter um lugar na herança vai contra crenças genéticas de longa data. O cientista inovador, Francis Crick, proposta uma teoria chamada o dogma central, o qual delimita a transferência de informação genética. Ele afirma que a transferência de informação genética nunca pode ocorrer de proteína para proteína ou de proteína para ADN ou de proteína para ARN. É sempre flui do ADN para o ARN para proteína.[5] No entanto, os resultados da epigenética parecem refutar algumas dessas idéias. Do estudo, parece que o comportamento de genes na descendência pode ser dependente das experiências de vida do pai.[6]

Desde o seqüenciamento do genoma humano, mais e mais objeções ao dogma central de Crick surgiram. Os cientistas descobriram que o seqüenciamento do genoma inteiro não respondeu a todas as perguntas da genética e que mais e mais mistérios abundam.[7] A epigenética pode fornecer algumas das respostas.

Eva Jablonka e a Marion J. Lamb publicaram em co-autoria, um trabalho seminal sobre as noções tradicionais da evolução darwiniana, encapsulando o debate atual, enquanto avançam numa visão ampliada que incorpora quatro dimensões de herança variadas, na evolução biológica. Seu livro nível popular foi lançado em 2005 chamado, Evolution in Four Dimensions: Genetic, Epigenetic, Behavioral and Symbolic Variation in the History of Life.[8][nota 1] O livro apresenta o caso de um novo tipo de compreensão sobre variação de heranças e desafia as noções de longa data do estabelecimento científico.

Mecanismos

Dois dos mecanismos mais bem estudados de herança epigenética são a metilação do ADN e modificações das histonas de ADN. Estes envolvem a modificação de DNA em si (metilação do ADN) ou a modificação das proteínas que se associam com o ADN (modificação de histona). Um mecanismo epigenético mais geral, o que não é menos importante, é a diferenciação celular. Finalmente, um mecanismo recentemente descoberto é a contribuição dos RNAs não codificantes. Todos estes mecanismos epigenéticos estão interligados em várias formas e podem trabalhar em conjunto para formar o produto final de informação hereditária.

Metilação do ADN

O grupo de substituição de metilo.

A metilação do ADN envolve a adição de grupos metilo (-CH3) para nucleotídeos do DNA. A metilação do DNA impacta o controle genético pela repressão da expressão gênica.[9] Genes que são metilados são "desligados". Estudos têm mostrado que a metilação do ADN desempenha um papel importante em vários mecanismos epigenéticos conhecidos, incluindo o imprinting genômico. Não são apenas os padrões de metilação do DNA um tipo de sistema de memória celular, mas também são parte do sistema que regula a transcrição.

Modificação da histona e a estrutura da cromatina do ADN

As células podem herdar modificações da histona e a estrutura da cromatina. Em essência, estas modificações para o empacotamento do ADN tendem a tornar o ADN mais ou menos acessível e, portanto, mais ou menos utilizável na célula.[10] Variantes de histonas e modificações das histonas fornecem um nível importante de herança epigenética na célula.[11] Um exemplo importante da estrutura da cromatina afetando a herança epigenética na célula é a inativação do cromossomo X.

Diferenciação celular

Uma parte importante da sobrevivência de um organismo multicelular é a diferenciação celular. Quando um embrião se desenvolve em primeiro lugar, as células começam a se diferenciar em novas estruturas que em breve irão se formar. Em um adulto, as células conservam a memória do seu tipo de célula. Por exemplo, as células do fígado produzem mais células do fígado. Esta capacidade de se lembrar pode ser causada por ambos o mecanismos acima—metilação do DNA e o código de histonas, bem como laços de realimentação positiva que são activados na própria célula. Estes ciclos de feedback positivo podem ser tão simples quanto um gene que está sendo ligado, o que, por sua vez, transcreve o seu próprio ativador.[12] Outros fatores podem também ter um impacto como visto pela reprogramação genômica.

ARNs não codificantes

Pequenos ARNs não-codificantes são também denominados microRNAs e novos estudos têm demonstrado o seu papel epigenético. ARNs não-codificantes são moléculas de ARN que são transcritos do ADN do núcleo, mas não são traduzidas em proteínas no citoplasma da célula. Eles são implicados com o silenciamento da cromatina, a degradação do RNA mensageiro, e o bloqueio da tradução de determinados genes. Eles também podem ter um papel no câncer, como muitos dos outros mecanismos epigenéticos mencionados.[13] Maiores ARNs não-codificadores parecem desempenhar um papel importante na regulação do genoma, bem como, através da participação na estrutura cromossômica da heterocromatina, silenciando elementos transponíveis e eliminando ADN. Todos estes mecanismos ainda não foram mostrados em seres humanos, mas estão presentes em outros organismos.[14]

Impacto

Dados os incríveis mecanismos de influência epigenética sobre a herança e a célula não é de estranhar que os cientistas estão encontrando mais e mais usos para a informação epigenética. Tem sido implicado no cancro e reprogramação genômica, e tem prestado um papel importante para o que já foi considerado junk DNA.

Câncer

O ADN em células de câncer tem um nível anormalmente elevado de metilação do DNA. Isto sugere que os genes importantes foram desligados. Além disso, des-metilação (remoção de grupos metilo) pode ter a capacidade de ligar os genes do cancro.[4] Curiosamente, o alto nível de metilação do DNA parece ser encontrado em ilhas CG, de modo que este evento de a metilação reprime a transcrição dos genes normalmente associados à ilhas GC. Devido à sua prevalência nas células cancerosas, a metilação do DNA pode ter uso como uma tela de detecção precoce de câncer quando ela é encontrada em certos genes.[9]

Todas as mudanças epigenéticas mencionadas anteriormente têm sido demonstradas contribuir para a instabilidade do genoma, a ativação de oncogenes (genes causadores de câncer), o silenciamento de genes supressores de tumor e a inativação de sistemas de reparo de ADN. No entanto, as causas epigenéticas de câncer trazem esperança para o tratamento de câncer, porque muitos deles são reversíveis, por isso novos tratamentos estão começando agora a ser estudados.[15]

Reprogramação do genoma

O desenvolvimento precoce de células e organismos envolve alterações na metilação do ADN, bem como a conservação de certos tipos de metilação do ADN, fornecendo evidências para o papel da epigenética na programação do genoma, bem como a reprogramação do genoma. A seqüência de DNA real, ou genoma, é programada durante o desenvolvimento para expressar determinados genes em momentos apropriados. Esta programação é realizada através de influências epigenética no genoma.[13]

Heterocromatina

Cerca de 50% do genoma humano é composto de elementos de transposição e outras sequências de ADN repetitivas.[16] Uma vez que se sentiu a ser supérfluo, este antigo ADN lixo tem-se verificado que têm funções importantes.[17] Uma delas é um papel no controle epigenético da célula. O ADN repetitivo é altamente metilado, tem modificações de histonas, é encontrado na heterocromatina e suas modificações tendem a depender do estado de diferenciação de uma célula.[16] Então, se ele realmente tem um papel na epigenética ou os mecanismos epigenéticos ajudam a controlar esse DNA repetitivo, os dois são funcionalmente interligados.

Pesquisa

Recente

Como em todos os empreendimentos científicos, novas informações são aumentadas diariamente em relação à epigenética. Tem havido uma incrível quantidade de pesquisa feita sobre epigenética nos últimos 10 anos, e mais certamente irá seguir. Algumas destas pesquisas revelaram dados interessantes.

Vários estudos têm demonstrado a possibilidade de herança epigenética trans-geracional entre os seres humanos e animais. Estes estudos têm demonstrado ligações entre suprimento de alimentos que o avô possuia e o índice de mortalidade do neto e tabagismo paterno e obesidade em filhos.[18] Outros estudos têm mostrado a importância da nutrição materna, não só na saúde de seus filhos, mas dos netos também.[19]

Além disso, estudos em ratos demonstraram que o aumento dos cuidados maternos resulta em mudanças positivas na expressão gênica de um rato adulto e níveis de estresse, independente da seqüência de DNA real possuída. Isto é especialmente frutífero, pois não é o resultado de uma mutação. A programação epigenética desses ratos mostrou maiores índices de metilação do DNA e acetilação das histonas em regiões reguladoras dos genes em questão.[20]

É importante notar que a investigação sobre epigenética é um processo complicado. O mapeamento do genoma humano do projeto genoma humano foi um empreendimento incrível, mas envolvia DNA que permanece o mesmo de célula para célula. Em contraste, cada um dos aproximadamente 200 tipos de células do corpo humano tem os seus próprios mecanismos de epigenética. E mesmo estes podem mudar durante o desenvolvimento, em processos como o câncer, ou quando um organismo envelhece.[21] Assim, a pesquisa continuará em epigenética, mas pode ser um processo lento e difícil às vezes.

Pesquisa futura

As implicações da pesquisa epigenética são muitas. Com a conexão ao câncer e alterações no início da vida de seres humanos, a epigenética pode afetar todas as partes da fisiologia e patologia humanas. Ela pode fornecer insights sobre certos comportamentos humanos, bem como proporcionar uma rota terapêutica de tratamento.[13] Uma vez que a epigenética é uma combinação de vários tipos de controle celular, não é facilmente definida e a medida que mais pesquisa continua, tem se tornado claro que todos estes mecanismos podem estar interligados e trabalhando juntos.

Embora os pesquisadores epigenéticos, tenham começado primeiramente por se concentrar em uma área de estudo (como a metilação do DNA), Recentemente, esses mesmos pesquisadores têm estado a olhar para a epigenética como um todo e o campo da epigenética está florescendo.[22] Além disso, a medida que a epigenética tem impactado a investigação científica, os geneticistas tiveram de permitir a presença de informação adicional na célula para além da sequência de DNA. Agora parece que o epigenoma proporciona um local para o ambiente impactar diretamente a expressão de genes. Esta nova cadeia de interação do ambiente para o epigenoma para a expressão do gene e portanto expressão fenotípica produz o que é chamado de paisagem epigenética para os cientistas atravessarem.

Novas idéias surgem o tempo todo, incluindo uma que afirma que a célula é fundamentalmente epigenética em vez de genética, uma idéia que vai junto com a célula fornecendo a estase para o organismo.[23] Novos dados estarão próximos também, a medida que os pesquisadores ganharem financiamento para o mapeamento da epigenética, que se centrará na metilação do DNA e na modificação das histonas do DNA. Cada vez com mais pesquisa sendo feita todos os dias, esta lista só vai continuar a crescer e, provavelmente, vai mudar a cada novo desenvolvimento.

Implicações para a ciência da criação

A epigenética lança mais e mais luz sobre a forma como Deus fez este mundo e o brilho do seu design. Ela fornece alguma evidência esperada para a função do chamado ADN lixo. É também importante para os criacionistas porque proporciona um mecanismo potencial para a estabilidade das espécies criadas (herança epigenética) sem reduzir o potencial para variação entre espécies (herança de ADN). A herança epigenética aumenta a complexidade conhecida da célula incomensuravelmente, proporcionando assim mais evidência para a concepção e alimento para os criacionistas no debate evolutivo.

A epigenética é outra camada de complexidade que compõe a vida. Também é considerada um mecanismo potencial para a estabilidade da hipótese dos tipos criados (herança epigenética) sem reduzir a capacidade de grande diversidade entre as espécies (herança de ADN). A herança epigenética são os traços fenotípicos expressados através de reação química durante o desenvolvimento em conjunto com causas ambientais, enquanto a herança de ADN são os traços fenotípicos expressos exclusivamente por uma mutação ao acaso na sequência nucleotídica de ADN. Tipos representativos originais de vida foram inteligentemente concebido com composições epigenéticas distintas que permitiram a diversificação na natureza quando combinada com a variação genética de mutação. Portanto produzir diversidade ampla de biologia na Terra através de uma origem da vida polifilética ou mais de um tipo de vida original (mais do que um eixo epigenético-genética da diversidade), também pode ser chamado de padrão de pluralismo.[24] Além disso a seleção natural clássica darwinista e a ontogenia da evolução dos traços podem ser encontradas dentro da epigenética e na colaboração genética, de forma que não são apenas os genes que são a unidade da hereditariedade isoladamente como o neo-darwinismo tem postulado pelos últimos 50 anos. É muito mais complexa consistindo em redes de interatividade com a epigenética emergindo como o mecanismo de interface com sistemas genéticos. Mesmo durant a especiação a epigenética está trabalhando, permitindo a tempo talvez, a observação experimental de mudança de transição, ou o que é chamado de macro-evolução por Eva Jablonka, uma teórica e geneticista líder.[25]

Notas

  1. Lançado em português como Evolução em Quatro Dimensões: DNA, Comportamento e a História da Vida. São Paulo, SP: Editora Schwarcz Ltda/Companhia Das Letras, 2010. ISBN 978-85-359-1590-7

Referências

  1. Epigenetics -Environmental factors can alter the way our genes are expressed, making even identical twins different. Foi ao ar em 24 de julho, 2007 pela PBS
  2. Evolution in Four Dimensions Presentation by Eva Jablonka, Tel Aviv University. published: 23 de outubro de 2009, registrado em: Setembro 2009
  3. Fraga, Mario F., Esteban Ballestar, Maria F. Paz, Santiago Ropero, et al. Santiago, et al. “Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins.” PNAS 102 (2005): 10604-10609. Mar 5 2010. (p 10604)
  4. 4,0 4,1 White, David. The genetic puppeteer. Technical Journal 30 (2008): 42-44. 20 Fev. 2010. (p 42)
  5. Crick, Francis. “Central dogma of molecular biology.” Nature 227 (1970): 561-563. Web. 27 Fev. 2010. (p 561)
  6. What genes remember por Philip Hunter. Prospect Magazine Issue 146, 24 de maio de 2008.
  7. A dissenting voice as the genome is sifted to fight disease por Nicholas Wade. New York Times, 15 set 2008
  8. Eva Jablonka and Marion J. Lamb, Evolution in Four Dimensions: Genetic, Epigenetic, Behavioral, and Symbolic Variation in the History of Life (MIT Press 2006)[1]
  9. 9,0 9,1 Research interests por Keith D. Robertson. University of Florida.
  10. Misteli, Tom. “Beyond the sequence: Cellular organization of genome function.” Cell 128 (2007): 787-800. Web. Mar 8 2010. (p 790)
  11. Shi, Yang. “Taking Epigenetics Center Stage.” Cell 128 (2007): 639-640. 5 de março de 2010. (p 640)
  12. Epigenetic inheritance por Fact Index, Autor desconhecido. Acessado em 15 de março de 2011.
  13. 13,0 13,1 13,2 Szyf, Moshe. The epigenetic impact of early life adversity. Canada: McGill University, 2009. Feb 27 2010. (p 29)
  14. Zaratiegu, 773
  15. Szyf, 30
  16. 16,0 16,1 Bernstein, Bradley E., Alexander Meissner, and Eric S. Lander. “The mammalian epigenome” Cell 128 (2007): 669-681. 8 de março de 2010. (p 676)
  17. Walkup, Linda K. “Junk DNA: evolutionary discards or God’s tools?” Technical Journal 14 (2000): 18-30. Feb 20 2010. (p 21)
  18. Whitelaw, Emma. “Sins of the fathers, and their fathers.” European Journal of Human Genetics 14 (2006): 131-132. 27 de fevereiro de 2010. (p 131)
  19. White, 43
  20. Szyf, 31
  21. Baker, Monya. “Epigenome: mapping in motion.” Nature Methods 7 (2010): 181-186. Web. 20 de março de 2010. (p 181)
  22. Baker, 185
  23. The Organic Codes by Marcello Barbieri. Biologia teorica.
  24. Pattern pluralism and the Tree of Life hypothesis 29 de janeiro de 2007, doi: 10.1073/pnas.0610699104 PNAS 13 de fevereiro de 2007 vol. 104 no. 7 2043-2049
  25. Evolution in Four Dimensions Presentation by Eva Jablonka, Tel Aviv University. published: 23 de outubro de 2009, registrado: Setembro 2009

Informação adicional