Em formação

12: Regulação da Transcrição e Herança Epigenética - Biologia


  • 12.1: Introdução
    As células regulam seu metabolismo de várias maneiras. Já sabemos que enzimas reguladas alostericamente monitoram os níveis celulares dos metabólitos. Lembre-se de que os intermediários glicolíticos aumentam e diminuem nas células com base nas necessidades de energia celular, ligando-se ou dissociando-se dos sítios alostéricos
  • 12.2: Regulação do gene em procariotos
    Muitos genes procarióticos são organizados em operons, genes ligados transcritos em um único mRNA que codifica duas ou mais proteínas. Operons geralmente codificam proteínas com funções relacionadas. A regulação da atividade de um operon (em vez de vários genes únicos que codificam proteínas únicas) permite uma melhor coordenação da síntese de várias proteínas ao mesmo tempo. Em E. coli, o operon lac regulado codifica três enzimas envolvidas no metabolismo da lactose (um nutriente alternativo à glicose).
  • 12.3: O problema com genes não regulados (manutenção) em todas as células
    Antes de voltarmos nossa atenção para a regulação da expressão gênica em eucariotos, considere por um momento a expressão de genes constitutivos, ou domésticos, que estão sempre ativos. A exigência de que alguns genes estejam sempre "ativos" levanta questões sobre as prioridades celulares da expressão gênica. Produtos de genes constitutivos são conjuntos de muitos polipeptídeos que formam grandes complexos macromoleculares nas células, ou conjuntos de enzimas que participam de vias bioquímicas vitais.
  • 12.4: Regulação do gene em eucariotos
    Os resultados desse experimento forneceram evidências de que mesmo células muito diferentes de um organismo contêm os mesmos genes. Na verdade, em qualquer organismo eucariótico multicelular, cada célula contém o mesmo DNA (genes). Portanto, os diferentes tipos de células em um organismo diferem não nos genes que contêm, mas nos conjuntos de genes que expressam! Visto de outra forma, as células se diferenciam quando ativam novos genes e desativam os antigos.
  • 12.5: Epigenética
    Aristóteles pensava que um embrião emergia de uma massa amorfa, uma “semente menos elaborada com uma alma nutritiva e todas as partes do corpo”. O desenvolvimento muito posterior do microscópio levou a descrições mais detalhadas (embora imprecisas) do desenvolvimento embrionário. Em 1677, ninguém menos luminoso do que Anton von Leeuwenhoek, olhando para um espermatozóide humano com seu microscópio, pensou ter visto um humano em miniatura dentro! O minúsculo humano, ou homúnculo, tornou-se o epítome da teoria da pré-formação.
  • 12.6: Palavras-chave e termos

Epigenética

O imprinting genômico é um fenômeno epigenético que faz com que os genes sejam expressos de uma maneira específica para seu pai de origem.

Explicação:

A impressão genômica é uma herança fora das fronteiras de Mendel. Muitas das doenças hereditárias e do desenvolvimento humano violam as Leis Mendelianas de herança. Essa forma de herdar é estudada em epigenética. A epigenética mostra que a expressão gênica sofre mudanças mais complexas do que modificações na sequência do DNA. Inclui a influência ambiental sobre os gametas antes da concepção.

A impressão genética é um processo de silenciar genes por meio da metilação do DNA. O alelo reprimido é metilado, enquanto o alelo ativo permanece não metilado. O imprinting genômico ocorre quando dois alelos em um locus não são funcionalmente equivalentes e é considerado o fenômeno epigenético primário que pode levar à manifestação do efeito pai de origem. As mudanças epigenéticas podem ser induzidas por fatores ambientais em diferentes momentos da vida.
Quando ocorrem alterações epigenéticas nos espermatozoides ou óvulos que levam à fertilização, as alterações epigenéticas são herdadas pela prole.

A impressão é um processo dinâmico. Deve ser possível apagar e restabelecer impressões ao longo de cada geração, de modo que os genes impressos em um adulto possam ainda ser expressos na prole desse adulto. A natureza da impressão deve, portanto, ser epigenética e não dependente da sequência de DNA. A impressão genômica usa a maquinaria epigenética normal da célula para regular a expressão específica dos pais.

Sabe-se agora que existem pelo menos 80 genes impressos em humanos e camundongos, muitos dos quais estão envolvidos no crescimento e desenvolvimento embrionário e placentário. Formas de impressão genética foram demonstradas em fungos, plantas e animais.

Responder:

Epigenética se refere a mudanças hereditárias em nossa expressão gênica que não alteram nosso DNA.

Explicação:

Isso significa que nosso fenótipo, o que é expresso, é alterado de alguma forma sem alterar nosso DNA devido a variáveis ​​externas ou ambientais. Os genes podem ser expressos, silenciados ou lidos de maneira diferente, mas o código de DNA subjacente permanece o mesmo.

Essas mudanças epigenéticas podem ocorrer devido à metilação do DNA, modificação das histonas e silenciamento associado ao RNA.

A metilação do DNA adiciona um grupo metil ao DNA, que muda a transcrição. A modificação da histona funciona adicionando um grupo acetil ou metil à lisina localizada na histona. RNAs não codificantes, RNA antisense e interferência de RNA também podem alterar a expressão, causando modificação da histona, metilação e formando heterocromatina. Todos esses exemplos mencionados na frase anterior silenciam genes.

Este é um bom site da Universidade de Utah e a Nature também tem uma excelente página da web sobre esse assunto.


O-GlcNAc e a regulação epigenética da expressão gênica

O-GlcNAcylation é uma modificação abundante dirigida por nutrientes ligada à sinalização celular e regulação da expressão gênica. Utilizando precursores derivados do fluxo metabólico, O-GlcNAc funciona como um regulador homeostático. As enzimas do ciclo de O-GlcNAc, OGT e O-GlcNAcase, atuam na mitocôndria, no citoplasma e no núcleo em associação com "escritores" e "apagadores" epigenéticos do código das histonas. Tanto O-GlcNAc quanto O-fosfato modificam as repetições dentro do domínio C-terminal da RNA polimerase II (CTD). Ao se comunicar com os códigos de histonas e CTD, o ciclo de O-GlcNAc fornece uma ligação entre o estado metabólico celular e a maquinaria epigenética. Assim, a O-GlcNAcylation está preparada para influenciar a herança epigenética transgeracional.

Palavras-chave: Epigenética Glicobiologia Histonas O-GlcNAc O-GlcNAcylation Polycomb RNA Polimerase II Signaling Transcription.

© 2014 pela Sociedade Americana de Bioquímica e Biologia Molecular, Inc.


Regulação epigenética da adipogênese no desenvolvimento da síndrome metabólica

A obesidade é um dos maiores problemas de saúde pública identificados por um aumento na massa de tecido adiposo como resultado da hipertrofia e hiperplasia dos adipócitos. Pertencente à importância do tecido adiposo em diversos processos biológicos, qualquer alteração em sua função resulta em prejuízo à saúde metabólica. Nesta revisão, discutimos como o tecido adiposo mantém a saúde metabólica por meio da secreção de várias adipocinas e mediadores inflamatórios e como sua disfunção leva ao desenvolvimento de distúrbios metabólicos graves e influencia a progressão do câncer. O comprometimento da função dos adipócitos ocorre devido à genética dos indivíduos e / ou fator (es) ambiental (is) que afetam amplamente o perfil epigenético, levando à alteração da expressão gênica e ao início da obesidade em adultos. Além disso, vários aspectos cruciais da biologia adiposa, incluindo a regulação de diferentes fatores de transcrição, são controlados por eventos epigenéticos. Portanto, compreender os meandros da adipogênese é crucial para reconhecer sua relevância nas doenças de base e identificar as intervenções terapêuticas para obesidade e síndrome metabólica.

Palavras-chave: adipogênese resistência à insulina síndrome metabólica obesidade herança transgeracional.

Copyright © 2021 Pant, Firmal, Shah, Alam e Chattopadhyay.

Declaração de conflito de interesse

Os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.


Afiliações

Divisão de Genômica e Epigenética, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, New South Wales, Austrália

Ksenia Skvortsova e Ozren Bogdanović

Departamento de Regulação da Cromatina, Instituto Max Planck de Imunobiologia e Epigenética, Freiburg, Alemanha

St Vincent’s Clinical School, University of New South Wales – Sydney, Sydney, New South Wales, Austrália

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Contribuições

Todos os autores contribuíram com a pesquisa de dados para o artigo, discussão do conteúdo e redação e edição do manuscrito.

Autores correspondentes


Mecanismos epigenéticos em células normais

A cromatina é feita de unidades repetidas de nucleossomos, que consistem em & # x0223c146 pares de bases de DNA enrolados em torno de um octâmero de quatro proteínas de histonas centrais (H3, H4, H2A e H2B) (9). Os mecanismos epigenéticos que modificam a estrutura da cromatina podem ser divididos em quatro categorias principais: metilação do DNA, modificações covalentes de histonas, mecanismos não covalentes, como incorporação de variantes de histonas e remodelação de nucleossomos e RNAs não codificantes, incluindo microRNAs (miRNAs). Essas modificações atuam juntas para regular o funcionamento do genoma, alterando a dinâmica estrutural local da cromatina, principalmente regulando sua acessibilidade e compactação. A interação dessas modificações cria uma & # x02018 paisagem epigenética & # x02019 que regula a forma como o genoma dos mamíferos se manifesta em diferentes tipos de células, estágios de desenvolvimento e estados de doença, incluindo câncer (4,10 & # x0201314). Os padrões distintos dessas modificações presentes em diferentes estados celulares servem como guardiões da identidade celular (Tabela I). Aqui, discutiremos os aspectos importantes dos principais mecanismos epigenéticos presentes nas células normais.

Tabela I.

Mecanismos epigenéticos envolvidos na regulação da expressão gênica e estrutura da cromatina em células normais de mamíferos

Metilação de DNA
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Todos os tipos de células
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Modificação herdável estável
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Silenciamento de gene
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Organização Cromatina
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Impressão, inativação do cromossomo X, silenciamento de elementos repetitivos
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Mediado por DNMTs
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Células ES
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Padrão de distribuição bimodal
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Metilação CpG global
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003CpG ilhas não metiladas
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Promotores do gene de puripotência não metilados
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Células somáticas
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Metilação específica do tecido de algumas ilhas CpG e a maioria dos promotores de ilha não CpG
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Promotores do gene de puripotência metilados
Modificações covalentes de histonas
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Todos os tipos de células
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Modificação herdável do Labile
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Ambos silenciamento de genes (H3K9me, H3K27me etc.) e ativação de genes (H3K4me, acetilação etc.)
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Padrões de distribuição específicos de marcas de histona contribuem para a organização da cromatina
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Mediados por HMTs, HDMs, HATs e HDACs etc.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Células ES
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Domínios bivalentes & # x02014 coexistência de marcas ativas e repressivas (H3K4me e H3K27me) em promotores de genes importantes para o desenvolvimento
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Epigenoma plástico
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Células somáticas
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Perda de bivalência e epigenoma restrito
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Estabelecimento de domínios monovalentes específicos de tecido H3K27me e H3K4me
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Presença de grandes modificações organizadas da cromatina K9
Posicionamento do nucleossomo e variantes da histona
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Todos os tipos de células
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Mecanismo regulatório epigenético labial
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Ambos silenciamento de genes e ativação de genes modulando a acessibilidade à cromatina
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Mediados por complexos de remodelação de cromatina dependentes de ATP
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Ambos deslizamento de existentes e incorporação de novos nucleossomos
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H2A.Z e H3.3 localizados preferencialmente em promotores de genes que estão ativos ou prontos para ativação
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 H2A.Z acetilado associa-se com eucromatina e H2A.Z ubiquitilado com heterocromatina facultativa
miRNAs
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Todos os tipos de células
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003Mecanismo regulador epigenético portátil
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Silenciamento de gene
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Expressão específica do tecido
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003 Pode ser regulado epigeneticamente

Mecanismos epigenéticos, incluindo metilação de DNA, modificações covalentes de histonas, posicionamento de nucleososme e miRNAs são essenciais para o desenvolvimento normal dos mamíferos e regulação da expressão gênica. Essas modificações epigenéticas exibem propriedades e padrões de distribuição únicos em diferentes células de mamíferos. Os padrões combinatórios distintos dessas modificações, chamados coletivamente de epigenoma, são os principais determinantes do destino celular e da atividade gênica. As células ES mantêm um epigenoma mais plástico necessário para os processos de desenvolvimento. Em contraste, o epigenoma de tecido diferenciado exibe uma estrutura relativamente restrita que é mantida de forma estável através de múltiplas divisões celulares.

Metilação de DNA

A metilação do DNA é talvez a modificação epigenética mais extensamente estudada em mamíferos. Ele fornece um mecanismo de silenciamento de gene estável que desempenha um papel importante na regulação da expressão gênica e arquitetura da cromatina, em associação com modificações de histonas e outras proteínas associadas à cromatina. Em mamíferos, a metilação do DNA ocorre principalmente pela modificação covalente de resíduos de citosina nos dinucleotídeos CpG. Os dinucleotídeos CpG não estão uniformemente distribuídos pelo genoma humano, mas, em vez disso, estão concentrados em trechos curtos de DNA ricos em CpG, chamados de & # x02018 ilhas CpG & # x02019 e regiões de grandes sequências repetitivas (por exemplo, repetições centroméricas, elementos retrotransposon, rDNA etc.) (15,16 ) As ilhas CpG estão preferencialmente localizadas na extremidade 5 & # x02032 dos genes e ocupam & # x0223c60% dos promotores do gene humano (17). Enquanto a maioria dos sítios CpG no genoma são metilados, a maioria das ilhas CpG geralmente permanecem não metiladas durante o desenvolvimento e em tecidos diferenciados (11). No entanto, alguns promotores da ilha CpG tornam-se metilados durante o desenvolvimento, o que resulta em silenciamento transcricional de longo prazo. A inativação do cromossomo X e os genes impressos são exemplos clássicos de metilação da ilha CpG que ocorre naturalmente durante o desenvolvimento (15). Também foi relatado que alguma metilação de ilha CpG específica de tecido também ocorre em uma variedade de tecidos somáticos, principalmente em genes importantes para o desenvolvimento (18,19). Em contraste, as sequências genômicas repetitivas que estão espalhadas por todo o genoma humano são fortemente metiladas, o que evita a instabilidade cromossômica ao silenciar o DNA não codificante e os elementos transponíveis do DNA (11). A metilação do DNA pode levar ao silenciamento do gene, prevenindo ou promovendo o recrutamento de proteínas regulatórias para o DNA. Por exemplo, pode inibir a ativação da transcrição bloqueando os fatores de transcrição de acessarem os locais de ligação ao alvo, e. c-myc e MLTF (20,21). Alternativamente, pode fornecer sítios de ligação para proteínas de domínio de ligação de metila, que podem mediar a repressão gênica por meio de interações com histona desacetilases (HDACs) (22,23). Assim, a metilação do DNA usa uma variedade de mecanismos para silenciar hereditariamente genes e regiões genômicas não codificantes.

Os padrões precisos de metilação do DNA encontrados no genoma dos mamíferos são gerados e mantidos de forma hereditária pela atividade cooperativa do de novo metiltransferases & # x02014DNMT3A e DNMT3B, que agem independentemente da replicação e mostram igual preferência para DNA não metilado e hemimetilado e DNA metiltransferase de manutenção & # x02014DNMT1, que atua durante a replicação preferencialmente metilando DNA hemimetilado (24,25).

Embora o papel da metilação do promotor da ilha CpG no silenciamento de genes esteja bem estabelecido, muito menos se sabe sobre o papel da metilação dos promotores da ilha não CpG. Estudos recentes mostraram que a metilação do DNA também é importante para a regulação de promotores de ilha não CpG. Por exemplo, a expressão específica de tecido de MASPIN, que não contém uma ilha CpG em seu promotor, é regulada pela metilação do DNA (26). Da mesma forma, a metilação do promotor não CpG da ilha Oct-4 influencia fortemente o seu nível de expressão (27). Uma vez que as ilhas CpG ocupam apenas & # x0223c60% dos promotores do gene humano, é essencial elucidar o papel da metilação da ilha não CpG para compreender completamente o papel global da metilação do DNA no tecido normal (17).

Modificações covalentes de histonas

As proteínas histonas, que compreendem o núcleo do nucleossomo, contêm um domínio C-terminal globular e uma cauda N-terminal não estruturada (9). As caudas N-terminais das histonas podem sofrer uma variedade de modificações covalentes pós-tradução, incluindo metilação, acetilação, ubiquitilação, sumoilação e fosforilação em resíduos específicos (12). Essas modificações regulam os principais processos celulares, como transcrição, replicação e reparo (12). O complemento de modificações é proposto para armazenar a memória epigenética dentro de uma célula na forma de um código de histona & # x02018 & # x02019 que determina a estrutura e atividade de diferentes regiões da cromatina (28). As modificações das histonas funcionam alterando a acessibilidade da cromatina ou recrutando e / ou obstruindo proteínas efetoras não histonas, que decodificam a mensagem codificada pelos padrões de modificação. O mecanismo de herança desse código de histonas, entretanto, ainda não é totalmente compreendido.

Ao contrário da metilação do DNA, as modificações das histonas podem levar à ativação ou repressão, dependendo de quais resíduos são modificados e do tipo de modificações presentes. Por exemplo, a acetilação da lisina se correlaciona com a ativação transcricional (12,29), enquanto a metilação da lisina leva à ativação ou repressão transcricional, dependendo de qual resíduo é modificado e do grau de metilação. Por exemplo, a trimetilação de lisina 4 na histona H3 (H3K4me3) é enriquecida em promotores de genes transcricionalmente ativos (30), enquanto a trimetilação de H3K9 (H3K9me3) e H3K27 (H3K27me3) está presente em promotores de genes que são reprimidos transcricionalmente (12). As duas últimas modificações juntas constituem os dois principais mecanismos de silenciamento em células de mamíferos, H3K9me3 trabalhando em conjunto com a metilação do DNA e H3K27me3 trabalhando em grande parte exclusivamente com a metilação do DNA (Figura 1). Foi identificada uma vasta gama de modificações ativas e repressivas das histonas, as quais constituem uma complexa rede de regulação gênica essencial para as atividades fisiológicas das células (10,12). Estudos de todo o genoma mostrando localização distinta e padrões combinatórios dessas marcas de histonas no genoma aumentaram significativamente nossa compreensão de como essas diversas modificações agem de maneira cooperativa para regular os padrões globais de expressão gênica (31,32).

Mecanismos de silenciamento de genes epigenéticos em mamíferos. (UMA) Um gene ativo mostra uma estrutura de cromatina aberta que consiste em uma região promotora não metilada (pequenos círculos brancos nas fitas de DNA), sem nenhum nucleossomo a montante do local de início da transcrição (seta preta grossa), um enriquecimento de marcas de histonas ativas, como acetilação (verde triângulo, Ac) e metilação de H3K4 (círculos verdes, 4) e altos níveis de H2A.Z nos nucleossomos (laranja) ao redor do local de início da transcrição. A estrutura da cromatina aberta é permissível para a ligação de fatores de transcrição e RNA Pol-II, que medeia a transcrição ativa em tais promotores. A repressão de tais genes ativos (indicados por setas vermelhas) pode ser alcançada em células normais por dois mecanismos principais: (B) A repressão gênica pela ação de PRC1 e PRC2 que medeiam a metilação repressiva de H3K27 (círculos vermelhos, 27) é acompanhada pela remoção da acetilação por HDACs, perda de metilação de H3K4, compactação da cromatina, ocupação de nucleossomos no NFR e ubiquitilação de H2A. Z (C) O silenciamento de longo prazo por meio da metilação do DNA é realizado por DNA metiltransferases. A metilação do DNA (pequenos círculos vermelhos nas fitas de DNA) é frequentemente acompanhada pela metilação repressiva de H3K9 (círculos vermelhos, 9), em promotores, que leva à compactação da cromatina por recrutamento de HP1. Os promotores silenciados com DNA metilado mostram uma depleção de H2A.Z, perda de metilação de H3K4 e desacetilação de histona. Ac, acetilação EZH2, potenciador do homólogo zeste 2 HP1, proteína heterocromatina 1 K4-HMT, Histona H3 lisina 4 histona metiltransferase K9-HMT, Histona H3 lisina 9 histona metiltransferase Pol-II, RNA polimerase II PRC1 e PRC2, complexo repressivo poliforme 1 e 2 Ub, ubiquitinação.

Padrões específicos de modificações de histonas estão presentes em diferentes tipos de células e são propostos para desempenhar um papel fundamental na determinação da identidade celular (33,34). Por exemplo, as células-tronco embrionárias (ES) possuem & # x02018 domínios bivalentes & # x02019 que contêm marcas coexistentes ativas (H3K4me3) e repressivas (H3K27me3) em promotores de genes importantes para o desenvolvimento (35,36). Esses domínios bivalentes são estabelecidos pela atividade de dois reguladores críticos de desenvolvimento em mamíferos: o grupo poliforme que catalisa a marca de trimetilação H3K27 repressiva e é essencial para manter a pluripotência das células ES por meio do silenciamento de genes específicos do destino da célula e, potencialmente, o grupo tritórax que catalisa o ativa a marca de trimetilação H3K4 e é necessária para manter os estados de cromatina ativos durante o desenvolvimento (34). Supõe-se que essa bivalência aumenta a plasticidade fenotípica, permitindo que as células ES regulem rigidamente a expressão gênica durante diferentes processos de desenvolvimento. As células diferenciadas perdem essa bivalência e adquirem uma estrutura de cromatina mais rígida, o que pode ser importante para a manutenção do destino celular durante a expansão celular (33). Esta hipótese é apoiada pela recente descoberta de grandes regiões de cromatina condensada contendo a marca repressiva H3K9me2, denominada & # x02018LOCKs & # x02019 (grandes modificações organizadas da cromatina K9), em células ES diferenciadas que podem manter o silenciamento de grandes regiões genômicas em tecidos diferenciados (37 )

Os padrões de modificação das histonas são regulados dinamicamente por enzimas que adicionam e removem modificações covalentes nas proteínas histonas. Histona acetiltransferases (HATs) e histona metiltransferases (HMTs) adicionam grupos acetil e metil, respectivamente, enquanto HDACs e histona desmetilases (HDMs) removem grupos acetil e metil, respectivamente (38,39). Uma série de enzimas modificadoras de histonas, incluindo vários HATs, HMTs, HDACs e HDMs, foram identificados na última década (12). Essas enzimas modificadoras de histonas interagem umas com as outras, bem como com outros mecanismos reguladores de DNA para vincular fortemente o estado da cromatina e a transcrição.

Interação de metilação de DNA e modificações de histonas

Além de desempenhar suas funções individuais, as modificações das histonas e a metilação do DNA interagem entre si em vários níveis para determinar o status da expressão do gene, a organização da cromatina e a identidade celular (40). Vários HMTs, incluindo G9a, SUV39H1 e PRMT5, podem direcionar a metilação do DNA para alvos genômicos específicos, recrutando diretamente metiltransferases de DNA (DNMTs) para silenciar genes de forma estável (41 & # x0201343). Além do recrutamento direto de DNMTs, HMTs e desmetilases também influenciam os níveis de metilação do DNA, regulando a estabilidade das proteínas DNMT (44,45). Os DNMTs podem, por sua vez, recrutar HDACs e proteínas de ligação a metila para alcançar o silenciamento do gene e a condensação da cromatina (22,23). A metilação do DNA também pode direcionar a metilação de H3K9 por meio de proteínas efetoras, como MeCP2, estabelecendo assim um estado de cromatina repressivo (46). As interações entre a maquinaria de metilação do DNA e as enzimas modificadoras das histonas aumentam ainda mais a complexidade da regulação epigenética da expressão gênica, que determina e mantém a identidade e função celular.

Posicionamento do nucleossomo e variantes da histona

Mecanismos não covalentes, como remodelamento de nucleossomos e substituição de proteínas histonas canônicas por variantes especializadas de histonas, também desempenham um papel importante em como a estrutura da cromatina regula a atividade do gene. Além de servir como módulos básicos para o empacotamento de DNA dentro de uma célula, os nucleossomos regulam a expressão gênica alterando a acessibilidade das sequências regulatórias de DNA aos fatores de transcrição (14). Dados de mapeamento de nucleossomos em todo o genoma para vários organismos eucarióticos revelam um tema organizacional comum com o posicionamento preciso dos nucleossomos em torno dos promotores do gene, em comparação com o padrão relativamente aleatório encontrado nos corpos gênicos (47). Pensa-se que as regiões livres de nucleossomos (NFRs) presentes nas extremidades 5 & # x02032 e 3 & # x02032 dos genes fornecem os locais para montagem e desmontagem da maquinaria de transcrição (48). A perda de um nucleossomo diretamente a montante do local de início da transcrição está estreitamente correlacionada com a ativação do gene (49,50). Além disso, a presença de um NFR em promotores de genes com nível basal de transcrição se correlaciona com sua capacidade de ativação rápida após estimulação (51). Em contraste, a oclusão do local de início da transcrição dentro do NFR por um nucleossomo está associada à repressão gênica (52). A modulação dos NFRs é orquestrada por complexos de remodelação da cromatina dependente de ATP, que modificam a acessibilidade dos sítios reguladores do DNA por deslizamento e ejeção de nucleossomos (53). A interação da maquinaria de remodelação do nucleossomo com a metilação do DNA e modificações das histonas desempenha um papel fundamental no estabelecimento de padrões globais de expressão gênica e arquitetura da cromatina (Figuras 1 e & # x200B e 2) 2) (54,55).

Alterações na metilação do DNA no câncer. Em células normais, os promotores da ilha CpG são geralmente não metilados e quando ativos, como no caso de genes supressores de tumor, são acompanhados por marcas de histonas ativas, como acetilação e metilação de H3K4 (círculos verdes, 4) permitindo uma estrutura de cromatina aberta transcricionalmente ativa. No entanto, regiões repetitivas, transposons, regiões intergênicas pobres em CpG e promotores de genes impressos são fortemente metilados e acompanhados por marcas repressivas de histona, como metilação de H3K9 (círculos vermelhos, 9) que, juntos, formam um estado de cromatina silencioso. Durante a tumorigênese, os promotores do gene supressor de tumor com ilhas CpG tornam-se metilados, resultando na formação da estrutura da cromatina silenciosa e silenciamento aberrante (indicado pela seta vermelha). Em contraste, as sequências repetitivas, transposons e promotores de genes impressos tornam-se hipometilados, resultando em sua ativação aberrante (indicada pela seta verde).

Além de alterações físicas no posicionamento nucleossômico por meio de remodeladores de nucleossomo, a incorporação de variantes de histonas, e. H3.3 e H2A.Z, em nucleossomos também influenciam a ocupação de nucleossomos e, portanto, a atividade do gene (56,57). Ao contrário dos principais subtipos de histonas, cuja síntese e incorporação são acopladas à replicação do DNA na fase S, essas variantes são sintetizadas e incorporadas à cromatina ao longo do ciclo celular (56). H3.3 e H2A.Z são preferencialmente enriquecidos em promotores de genes ativos ou genes preparados para ativação e podem mediar a ativação do gene alterando a estabilidade dos nucleossomos (58). A incorporação de H2A.Z também pode contribuir para a ativação do gene, protegendo os genes contra a metilação do DNA (59). Em células ES, H2A.Z colocaliza com domínios bivalentes, onde pode auxiliar na manutenção de genes chave de desenvolvimento em um estado equilibrado (60). Como as histonas canônicas, as variantes das histonas sofrem várias modificações pós-tradução, que determinam sua localização e função nuclear. Por exemplo, H2A.Z acetilado se associa principalmente com genes ativos em eucromatina, enquanto H2A.Z ubiquitilado se associa com heterocromatina facultativa (61,62). Em conjunto, a inclusão de variantes de histonas nos nucleossomos fornece um mecanismo epigenético adicional utilizado pelas células para modificar a estrutura da cromatina de acordo com as necessidades de diversos processos celulares.

MiRNAs

miRNAs são pequenos, & # x0223c22 nt, RNAs não codificantes que regulam a expressão gênica por meio do silenciamento pós-transcricional de genes alvo. O emparelhamento de base específica de sequência de miRNAs com 3 & # x02032 regiões não traduzidas do RNA mensageiro alvo dentro do complexo de silenciamento induzido por RNA resulta na degradação do RNA mensageiro alvo ou inibição da tradução (63). Os miRNAs são expressos de uma maneira específica de tecido e controlam uma ampla gama de processos biológicos, incluindo proliferação celular, apoptose e diferenciação. A lista de miRNAs identificados no genoma humano e seus potenciais genes-alvo está crescendo rapidamente, demonstrando seu extenso papel na manutenção de padrões globais de expressão gênica (13). Como genes normais, a expressão de miRNAs pode ser regulada por mecanismos epigenéticos (64). Além disso, os miRNAs também podem modular os mecanismos reguladores epigenéticos dentro de uma célula, direcionando as enzimas responsáveis ​​pela metilação do DNA (DNMT3A e DNMT3B) e modificações das histonas (EZH2) (65,66). Essa interação entre os vários componentes da maquinaria epigenética reenfatiza a natureza integrada dos mecanismos epigenéticos envolvidos na manutenção dos padrões globais de expressão gênica.


O papel do genoma repetitivo

Elementos transponíveis são componentes íntimos dos genomas, com potencial regulador de genes que podem levar à diversidade fenotípica. Na verdade, os elementos transponíveis e suas relíquias constituem uma fração importante da maioria dos genomas eucarióticos. McClintock propôs que os transposons fossem ligados ou desligados por mudanças ambientais ou durante o desenvolvimento, agindo como "elementos de controle". Agora sabemos que os transposons podem influenciar a atividade gênica de várias maneiras, agindo como elementos reguladores ou interferindo na transcrição 68. Os genomas desenvolveram mecanismos específicos da espécie para limitar a atividade do transposon, por exemplo, alvejando a maquinaria repressiva da heterocromatina, seja por meio de RNAs específicos ou fatores de ligação ao DNA. No Drosófila, heterochromatin-dependent mechanisms allow the expression of specific clusters of transposon relics in order to produce PIWI-interacting RNAs (piRNAs) that, in turn, inhibit transposition. piRNAs are maternally heritable and can be amplified via a ping-pong system, effectively allowing the organism to resist new invasions and adapt their genome to them 69 . Caenorhabditis elegans uses heterochromatin components to prevent illegitimate repetitive DNA transcription and genome instability 70 . Plants produce small RNAs derived from double-stranded precursors, which are synthesized by dedicated polymerases and target DNA methylation and the H3K9 methylation machinery 71 . Finally, numerous strategies are deployed in mammals, the most recently characterized being the repression of endogenous retroviruses (ERVs) by the KAP1 protein (also known as TRIM28), which co-recruits heterochromatin proteins such as SETDB1 by interacting with Krüppel-associated box (KRAB) domain-containing zinc-finger proteins (KZFPs). This strategy also enables the rapid evolution of gene regulation strategies via binding of KZFP to ERVs near genes 72 , thus influencing gene expression dynamics and levels.


Epigenetic Mechanisms

How does epigenetic inheritance occur concretely? Although several epigenetic processes have been considered to answer this question, given the wide range of this work, we will focus on two of the more extensively studied mechanisms: methylation and ncRNA.

First-Generation Epigenetic Mechanisms

First-generation epigenetic mechanisms are centered on modifications to chromatin density—i.e., a “tuning” of transcriptional probability. These mechanisms depend on several enzymatic activities that effect acetylation, methylation and phosphorylation of histone tails (primarily lysine, arginine and serine) and their removal (deacetylation, demethylation and dephosphorylation) ATP-dependent chromatin remodeling (proteins that actively and transiently modify nucleosomal structure) and cytosine methylation (Portela and Esteller, 2010 Cooper and Hausman, 2013). Although these processes might mediate epigenetic inheritance, methylation is the most well-understood mechanism regarding this matter (Babenko et al., 2015).

Methylation and Demethylation

DNA methylation is an enzymatic process by which a methyl group (CH3) is covalently bound to the fifth position of a cytosine residue (5-methylcytosine, 5mC) to alter gene expression. In mammalian DNA, this regulatory activity acts on CpG palindromes (i.e., diagonally symmetric couples of guanine-cytosine pairs), whereas asymmetric methylation is rare (Chen and Li, 2004). When methylation affects the promoter region, it is associated with gene silencing—the most well-known function of this mechanism however, when it involves the transcribed region, it increases transcriptional activity (Jones, 2012). DNA methylation is involved in many processes, particularly those that are important for early development, such as genomic imprinting, X-chromosome inactivation, and transposon silencing (Smith and Meissner, 2013).

The addition of CH3 groups to CpG islands is catalyzed by DNA methyltransferases (DNMTs). DNMT1 primarily maintains DNA methylation patterns during replication, whereas DNMT3A, DNMT3B and DNMT3L (a noncatalytic isoform of DNMT3, termed DNMT3-like) are principally involved in establishing new DNA methylation patterns𠅊 mechanism that is called de novo methylation—that characterize embryo development, in particular (Chen and Li, 2004).

The maintenance of methylation is crucial for ensuring the continuity of the structural and functional identities of somatic cells throughout cell division. During the S phase of the cell cycle, DNMT1 reaches hemimethylated CpGs with the aid of ubiquitin-like with PHD and RING finger domains 1 (UHRF1) proteins such that each newly synthesized DNA strand can be methylated per its complementary strand. Thus, after each replication, the symmetry of the methylation pattern is restored (Zhang et al., 2011 Wu and Zhang, 2014).

Although methylation patterns are stable, they can be erased by two mechanisms: active and passive demethylation. Passive demethylation represents a failure in maintenance (so-called replication-dependent dilution) and occurs primarily in the absence of functional DNMT1/UHRF1: if the symmetry of methylation is not reestablished, methylation is lost through replications (Smith and Meissner, 2013 Wu and Zhang, 2014).

Active methylation is mediated by ten-eleven translocation (TET) proteins, which exist as three isoforms: TET1, TET2 and TET3. This subfamily of dioxygenases catalyzes the oxidation of 5mC to hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and finally 5-carboxylcytosine (5caC). This conversion is the first step toward complete demethylation through two pathways. In the first mechanism, DNMT1 is less effective toward 5hmC, 5fC and 5acC methylation thus, the oxidative activity of TET can foster passive dilution. In the second route, 5fC and 5acC can be excised from DNA by thymine DNA glycosylase, and the resulting lesion is promptly repaired through the base excision repair (BER) pathway, generating an unmodified cytosine. Thymine DNA glycosylase and BER are also recruited when 5mC is deaminated to thymine by activation-induced deaminase, particularly in promoter regions during somatic cell reprogramming (Seisenberger et al., 2013 Zhao and Chen, 2013). An overview of methylation and demethylation mechanisms is provided in Figure ​ Figure3 3 .

Methylation and demethylation. Methylation is a regulatory process of gene expression, catalyzed by DNA methyltransferase enzymes, owing to the addition of a methyl group to the fifth position of a cytosine. DNA methyltransferases 1 (DNM1) is mainly involved in maintenance methylation that restores symmetric DNA methylation patterns after DNA replication. DNM3A, DNMTB and DNMTL, instead, are involved in the catalytic process that produces de novo methylation by adding methyl groups to unmethylated DNA strands. Methylation processes can be reverted by two mechanisms: passive demethylation due to loss of methylation across consecutive DNA replications active demethylation mediated by ten-eleven translocation (TET) proteins.

Methylation and Epigenetic Inheritance

Maintenance and de novo methylation and active and passive demethylation are crucial for embryonic development and epigenetic inheritance. Gametes are completely demethylated and are remethylated after fertilization to erase all epigenetic marks that an individual accumulates over his lifespan. However, this resetting process is impeded during early development, perhaps accounting for transgenerational transmission of these epigenetic footprints (van Otterdijk and Michels, 2016).

Elimination and restoration of methylation markers occurs in two steps (Figure ​ (Figure4). 4 ). Immediately after fertilization, global demethylation is observed that erases methylation marks of the parental gametes through two sex-dependent mechanisms. First, the DNA in paternal pronuclei undergoes rapid, active demethylation that is mediated by TET3 proteins, which spare only imprinting control regions (ICRs) and certain retrotransposons, such as intracisternal A particles. This process takes place at approximately the time of DNA replication and ends before the first cell division is completed. Then, the maternal genome is progressively demethylated through passive demethylation across subsequent cleavage steps (Seisenberger et al., 2013). Consequently, the totipotency of the zygote is established and maintained across the first several cell divisions.

Biomarker reset. The elimination and restoration of methylation markers happen in two steps. A first, active demethylation takes place in parental gametes, right after fertilization. This process is mostly active𠅊nd therefore faster: it is completed by the first cell division𠅏or paternally inherited genome, while maternal pronucleus is slowly demethylated by passive diffusion across replications. This first global erasure of methylation marks spares only imprinted loci and some retrotransposons, and it is deemed to establish cellular totipotency. After the implantation of the developing blastocyst, a first de novo methylation wave begins, driving the crucial process of cellular differentiation. At the beginning of gametogenesis, when primordial germ cells start to migrate, a second demethylation takes place: gametes’ chromatin is globally demethylated, also including imprinted loci. After sex-determination, gametogonia are remethylated by a second wave of de novo methylation, which is higher (90%) and faster (it is mostly complete before birth) for male gametes and slower (40%) and lower (it does not end until puberty) for female gametes. Imprinting patterns are usually reestablished during this phase. The established patterns can be altered by direct or indirect experiences, particularly during gestation and right after birth. These processes depend on the activity of several epigenetic enzymes, among which DNA methyltransferases (DNMTs) and TETs are prominent. The regulation of these processes by non-coding RNA (ncRNA), has also been established.

The maternal factor Stella has been suggested to protect the maternal genome and paternal ICRs and intracisternal A particles from active demethylation. These regions undergo H3K9 (a Stella binding site) demethylation. Moreover, inside of the oocyte and zygote, the DNMT1o isoform predominates and is more concentrated in their cytoplasm. In contrast, DNMT1 is the chief isoform in somatic cell nuclei but is scarce in the zygote. These differences in nuclear and cytoplasmic concentrations of DNMT1 isoforms account for global passive demethylation and might explain the maintenance of maternal ICRs (Cardoso and Leonhardt, 1999 Seisenberger et al., 2013). Nevertheless, recent studies suggest that active and passive processes govern the demethylation of the maternal and paternal genomes (van Otterdijk and Michels, 2016). After the implantation of the developing blastocyst, the inner mass cells (IMCs) undergo a wave of de novo methylation, which drives their differentiation. This process is mediated by DNMT3 (Chen and Li, 2004 Seisenberger et al., 2013).

A second wave of demethylation is initiated at the outset of gametogenesis: primordial germ cells experience demethylation that starts during their migration and spreads to ICRs (Zhao and Chen, 2013 Wu and Zhang, 2014). After sex determination, gametogonia DNA is remethylated through a second de novo methylation step. Notably, male gametes reach methylation levels of 90% before birth, whereas oocytes increase their levels progressively, long after birth and until sex maturation when they decline to approximately 40% in this phase, imprinted loci are usually restored (Smith and Meissner, 2013 Zhao and Chen, 2013). As argued above, the transmitted patterns can be altered by direct or indirect experiences, particularly during gestation and immediately after birth.

It appears that epigenetic transmission might be possible when the second demethylation step is prevented, as in the case of genomic imprinting, which constitutes the strongest evidence for transgenerational epigenetic inheritance in mammals (van Otterdijk and Michels, 2016). Correct repression of transcription of certain genes is crucial for a good developmental outcome. A glitch during genomic imprinting, for example, can cause severe pathologies, such as Prader–Willi and Angelman syndromes, which are derived from the loss of nonimprinted paternal and maternal genes, respectively (Cassidy et al., 2000).

New-Generation Epigenetic Mechanisms

New-generation epigenetic mechanisms also incorporate factors that modify the genetic expression at the translational level, such as alternative splicing, RNA editing, and regulation by ncRNAs (Cooper and Hausman, 2013). Recently, ncRNAs have been implicated in disease development and manifestation and in their epigenetic transmission (Peschansky and Wahlestedt, 2014). ncRNAs are not translated into proteins. Only 2% of RNA is mRNA and becomes a functional and structural component of the cell. The remaining 98%, however, is far from “junk,” as once believed. Many genes are translated into ncRNA (Liu et al., 2013). What do these molecules do? As we will discuss below, many groups (e.g., Amaral et al., 2013 Peschansky and Wahlestedt, 2014) have exhaustively reviewed the functional properties of these newly implicated species in epigenetic regulation and inheritance, highlighting their direct and indirect functions.

Non Coding RNA and Epigenetic Regulation

ncRNAs that are less than 200 nucleotides are labeled “short” or “small,” whereas those that exceed this length are defined as “long” (lncRNAs). These two groups can be subdivided, depending on their genomic origin and biogenic activity.

lncRNAs are divided into five subgroups:

natural antisense transcript (NAT), a complementary sequence to a coding RNA at the same locus (cis-NAT) or a distal genomic locus (trans-NAT).

long intergenic ncRNA (lincRNA), which is encoded from the introns of intergenic regions (macroRNA or vlincRNA).

sense overlapping, which is transcribed from the same DNA strand as another transcript.

sense intronic, originating from the introns of coding genes.

processed transcript, an RNA transcript that is spliced or polyadenylated.

Whereas NATs primarily regulate the expression of the sense partner transcript, the activities of the other four classes remain unknown, but they are likely to include transcriptional regulation, RNA stability, and the recruitment of protein complexes and other subcellular elements. lncRNAs are usually transcribed and processed similarly to coding mRNAs (Peschansky and Wahlestedt, 2014).

Small RNAs are grouped into five clusters: PIWI-interacting RNAs (piRNAs), endogenous short interfering RNAs (endo-siRNAs), miRNAs (or miRs), transfer-derived RNAs (tDRs or tsRNAs) and small nucleolar RNAs (snoRNAs). PiRNAs are usually composed of 26� nucleotides and can silence the transcription of target RNAs, promoting the trimethylation of histone 3 lysine 9 (H3K9me3), a marker of inactive chromatin, by a histone methyltransferase (Luteijn and Ketting, 2013).

The function of endo-siRNAs is not well understood, but it appears to require extensive sequence complementarity to repress genes (Okamura et al., 2008). miRNAs are 20�-nucleotide segments that usually target mRNAs by complementarity to a 6-nucleotide seed region in the 3′-UTR or 5′-UTR (Vidigal and Ventura, 2012). tsRNAs are derived from the rigid processing of mature precursor tRNAs at the 5’ or 3’ end and have a similar function as miRNA, regulating RNA-silencing activities (Haussecker et al., 2010). snoRNAs are involved in modifications to ribosomal RNAs but snoRNA is also a miRNA precursor and has a similar function to miRNAs (Ender et al., 2008).

Our understanding of the processes that generate mature small ncRNAs is patchy. Only the biogenesis of miRNAs has been determined. The formation of miRNAs begins in the nucleus with the transcription of a primary miRNA (pri-miRNA) by RNA polymerase II (RNA Pol II). Pri-miRNAs are attacked by the microprocessor complex, composed of RNase III (Drosha) and DGCR8 (Pasha). Drosha cleaves pri-miRNA into a shorter transcript, whereas Pasha stabilizes the interaction between Drosha and pri-mRNA. This catalytic event produces a stem-loop structure, the precursor miRNA (pre-miRNA). The pre-miRNA is then exported to the cytoplasm by Ran-GTP, which energizes the transport system, and exportin-5 (EXP5), which interacts directly with the stem-loop structure. Here, the pre-miRNA associates with Dicer (another RNase III), which cleaves it into two molecules of approximately 22 nucleotides: guide strand (or mature miRNA) and passenger strand (or miRNA*). These two species are then loaded into argonaute (Ago) proteins, which select the mature miRNA (while miRNA* is degraded) and deliver it to the RNA-induced silencing complex, through which it arrives at its targets, destabilizing mRNA and inhibiting transcription (Blahna and Hata, 2012).

In general, lncRNAs and small RNAs intervene in several regulatory processes in nuclear architecture, chromatin regulation, transcriptional regulation and RNA processing (Amaral et al., 2013 Quinn and Chang, 2016). lncRNAs regulate epigenetics by remodeling chromatin structure, whereas the function of miRNAs in epigenetic processes is linked to their direct or indirect regulation of DNMT expression during embryonic development and in somatic cells (Peschansky and Wahlestedt, 2014).

ncRNAs can be epigenetic targets and epigenetic effectors. Their genetic loci can be subject to epigenetic regulation, like protein-coding genes, becoming susceptible of environmental influences further, they govern gene expression (Peschansky and Wahlestedt, 2014 Szyf, 2015). This dual nature of ncRNAs implicates them as 𠇌hange amplifiers.” In this sense, ncRNAs are similar to transcription factors.

Small RNAs and Epigenetic Inheritance

Among all classes of small RNAs, miRNAs are the most frequently cited with regard to epigenetic inheritance. Recently, the miRNA expression patterns in placental (Gu et al., 2013 Maccani et al., 2013) and germ cells (Soni et al., 2013 Rodgers et al., 2015) have been implicated in fetal programming, and increasing evidence is considering the function of miRNAs in mediating transgenerational epigenetic inheritance of stress responsivity (Babenko et al., 2015 Fraser and Lin, 2016 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018).

As discussed, fetal programming alone does not account for epigenetic transmission, unless we include the effect of previous environmental factors (i.e., AIE) in its definition. As pointed out by Bohacek and Mansuy (2015), germ cell reprogramming could be a key mechanism of transgenerational epigenetic inheritance. Notably, miRNAs control de novo DNA methylation by regulating transcriptional repressors (Sinkkonen et al., 2008). Epigenetic changes in germ cells arise and are maintained throughout methylation and acetylation, but miRNAs, particularly those in sperm, appear to have important functions (e.g., Bohacek and Mansuy, 2015 Rodgers et al., 2015 Fraser and Lin, 2016 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018).

Conversely, global suppression of miRNA (paired with the functional predominance of endo-siRNAs) has been observed in mature oocytes and during early embryonic development (Ma et al., 2010 Suh et al., 2010). Consistent with these data, oocytes lack DGCR8 (Pasha), which is necessary for miRNA but not endo-siRNA pathways (Ma et al., 2010). miRNAs could be important mediators of placental development through their regulation of genetic expression (Babenko et al., 2015). Their function in the latter phases of zygote development remains unknown, but as we will discuss, there is evidence of the role of miRNAs in the regulation of oocyte function (Tang et al., 2007 Soni et al., 2013). piRNAs are another class of small RNAs that are important in epigenetic inheritance and are highly expressed in sperm and oocytes tsRNAs, which are enriched in mature mouse sperm, are critical in epigenetic inheritance (Peng et al., 2012 Roovers et al., 2015 Chen Q. et al., 2016 Sharma et al., 2016). However, much work is needed to determine their functions.

Mechanisms of Epigenetic Inheritance: An Overview

Epigenetic inheritance has been suggested to be governed by the crosstalk between canonical epigenetic mechanisms (primarily methylation) and the regulation of gene expression by ncRNAs at the translational and transcriptional levels, as proposed by several groups (e.g., van Otterdijk and Michels, 2016 Houri-Zeevi and Rechavi, 2017 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018). Although there is no direct evidence of the exact mechanisms that are involved, some hypotheses can be introduced.

NcRNAs might mediate the establishment of new patterns of gene expression by regulating DNMT1 and TET in adult somatic cells (DE). Following fertilization, synchronous alterations to the intrauterine environment could define new expression patterns (WIE), particularly through the activities of small ncRNAs on DNMT1, DNMT3A/B/L and TET, interfering with the maintenance of preexisting epigenetic hallmarks. Depending on when an environmental change occurs, the influence on the offspring might depend on the offspring’s sex and materialize using a sex-specific cluster of enzymes (see Figure ​ Figure4 4 ).

The most notable𠅊lbeit more obscure and less extensively studied𠅏unction of ncRNAs could be to establish the intrauterine environment and gametes before conception, producing new, stable epigenetic marks, such as methylation, that are stably maintained at least across one generation (AIE). Further, the direct transmission of ncRNAs through paternal sperm or fluids and maternal germ cells could intervene in setting epigenetic patterns. Conversely, the presence or absence of molecular tags (such as UHRF1) could influence the expression of crucial ncRNAs during the first or second stage of demethylation, also sex-dependently (Figure ​ (Figure4). 4 ). These models are only some of the hypotheses that our current understanding allows, and surely overlooks other less well-understood processes, such as histone modification and retention, DNA hydroxymethylation, and chromatin remodeling. These mechanisms are suggested to be relevant to epigenetic inheritance and subject to some form of regulation by ncRNAs, necessitating further evidence of their implication (Babenko et al., 2015 Bohacek and Mansuy, 2015 van Otterdijk and Michels, 2016).


DNA sequence-dependent epigenetic inheritance of gene silencing and histone H3K9 methylation

Epigenetic inheritance mechanisms play fundamental roles in maintaining cellular memory of gene expression states. In fission yeast, histone H3 lysine 9 (H3K9) is methylated (H3K9me) at heterochromatic domains. These domains can be epigenetically inherited when epe1 + , encoding an enzyme that promotes H3K9 demethylation, is deleted. How native epigenetic states are stably maintained in epe1 + cells remains unknown. Here, we developed a system to examine the role of DNA sequence and genomic context in propagation of a cis-heritable H3K9me-dependent silenced state. We show that in epe1 + cells, in addition to sequence-independent mechanisms that propagate H3K9me, epigenetic inheritance of silencing requires binding sites for sequence-dependent activating transcription factor (ATF)-adenosine 3',5'-monophosphate (cAMP) response element-binding protein (CREB) family transcription factors within their native chromosomal context. Thus, specific DNA sequences contribute to cis inheritance of H3K9me and silent epigenetic states.

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Fig. 1. Construction of a modified mating-type…

Fig. 1. Construction of a modified mating-type (mat) locus that allows examination of the role…

Fig. 2. Sequences within the mating-type locus…

Fig. 2. Sequences within the mating-type locus and binding sites for the ATF-CREB transcription factors…

Fig. 3. Contributions of chromatin versus sequence-dependent…

Fig. 3. Contributions of chromatin versus sequence-dependent mechanisms to cis inheritance of silencing and H3K9me


Description of content: Regulation of gene expression and of chromatin function is pivotal for the understanding of (early) development programs, cellular homeostasis and many disease states. The transcription process is critically linked to the regulation of chromatin function. Epigenetic mechanisms such as histone modifications can transmit active/inactive states of a gene through cellular divisions, which are particularly relevant during early mammalian development. The study of transcription, chromatin regulation and early development received a great impetus through the availability of whole genome sequences, which sparked development of many novel high-throughput sequencing technologies. Integration of biochemistry, molecular biology, genomics, proteomics and cell biology now provides unprecedented insight into transcription and chromatin regulation in health and disease.
This course will teach the crucial concepts of regulation of gene expression, with a focus on the process of transcription at the molecular level, and also including concepts derived from cellular, developmental and disease states. Epigenetics, chromatin and genome organization will be taught, as well as state-of-the-art strategies and techniques in the field of gene regulation and genome research, all with a reference to human disease and development.
The covered topics are: genome/gene organization, pol II transcription initiation/elongation, chromatin remodeling, chromatin modifications, epigenetic inheritance, nuclear organization, early vertebrate embryonic development, signals and pathways, cell lineage specification, pluripotency, germ cells and genomic imprinting. Many techniques will be explained, including classical assays used to investigate transcription, as well as high-throughput genomic approaches and systems biology analyses. If you are only superficially interested in the mechanisms of gene expression, epigenetics and development, this course is not suitable for you.

Course outline: The course consists of a combination of lectures, exercises, literature and discussions and closes with a written exam. A large part is taught by leading scientists (9-10 different instructors in total) working in gene expression, chromatin control and early development. The course is intense and challenging and requires full attention throughout its entire duration. Although many basic molecular principles will be reintroduced, the course is only suited for students with a basic molecular understanding of gene expression and chromatin through Biomolecular Sciences bachelor programs taught from textbooks like Molecular Biology of the Cell (“Alberts”) or Genes (“Lewin”).

Instructors:
Genevieve Almouzni (Institut Curie, Paris)
Sebastian Arnold (Dept. of Pharmacology, Freiburg)
Susan Gasser (FMI, Basel)
Nicola Iovino (MPI, Freiburg)
Ana Pombo (MDC, Berlin)
Wolf Reik (Babraham Institute, Cambridge)
Marc Timmers (Dept. of Urology/DKTK, Freiburg)
Maria-Elena Torres-Padilla (LMU, Munich)
Peter Verrijzer (EMC, Rotterdam)

Schedule: The course is full-time (9-17 h). A detailed schedule will be sent two weeks prior to the course. Following the entire course throughout is compulsory without exceptions.

Requirements: The course is aimed at Ph.D. researchers of the SGBM and Master students from Freiburg in their last year of study. The course is also open to Ph.D. and Master students from other programs (i.e. IMPRS graduate school, Molecular Medicine) and from similar programs outside of Freiburg. Participants should already have a basic understanding of cellular and molecular biology.

Cadastro: Please download the application form aqui, fill it out and send it back to This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it until latest May 31, 2021.
SGBM fellows have priority in registration until 6 weeks before the course. The participation fee of € 100 is requested for external students. Maximum participation (Master + PhD fellows) is 25, so please register well ahead of the deadline. Successful applicants will be notified 4 weeks in advance.


Assista o vídeo: Epigenética - A Regulação da Vida. Biologia com Samuel Cunha Entrevista Leandro Garcia (Dezembro 2021).