Tecnologia Científica

Como as mudanças epigenéticas controlam a expressão do gene
A criação de uma única proteína é um processo longo e complicado. Até mesmo a geração de seu projeto, conhecido como transcrição de codificação, a partir de um modelo de DNA envolve várias etapas e jogadores.
Por Instituto de Tecnologia de Tóquio - 11/12/2020


A acetilação de histona específica do local pode afetar diferencialmente os estágios sequenciais da transcrição. Crédito: Pesquisa de Ácidos Nucleicos

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio decifraram como avaliar quantitativamente os efeitos de mudanças epigenéticas específicas na taxa de transcrição, desenvolvendo um modelo matemático. Usando seu método, eles geraram com sucesso modificações de histonas portadoras de cromatina reconstituídas in vitro. Seu estudo publicado na Nucleic Acids Research fornece uma abordagem quantitativa precisa para entender como as alterações específicas do local nas proteínas histonas afetam a acessibilidade da cromatina e os níveis de expressão gênica.

A criação de uma única proteína é um processo longo e complicado. Até mesmo a geração de seu projeto, conhecido como transcrição de codificação, a partir de um modelo de DNA envolve várias etapas e jogadores. Para começar, o DNA é geralmente encontrado perfeitamente enrolado em proteínas chamadas histonas para formar um nucleossomo, a subunidade fundamental de uma estrutura fortemente condensada chamada cromatina. A extensão de sua condensação determina quanto do DNA está disponível para o processo de transcrição. As alterações nessas histonas, como a acetilação, também influenciam a acessibilidade da cromatina para a expressão gênica. Essas modificações epigenéticas desempenham um papel crucial na regulação da expressão gênica. Até o momento, ainda há muito a ser explorado sobre como esses efeitos epigenéticos podem ser quantificados com precisão e como as modificações de histonas específicas do local podem afetar a expressão gênica.

Para responder a essas perguntas, um grupo de pesquisadores liderado pelo Prof. Masahiro Takinoue do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Prof. Kohki Okabe da Universidade de Tóquio e Prof. Takashi Umehara do Centro RIKEN para Pesquisa Dinâmica de Biossistemas, Japão, desenvolveram um modelo cinético quantificar a contribuição das mudanças epigenéticas nas taxas de transcrição com base em resultados experimentais altamente quantitativos. Falando sobre seu trabalho recente publicado na Nucleic Acids Research , Takinoue explica: "A contribuição de cada modificaçãoO estado de cada histona para as etapas sequenciais da transcrição da cromatina ainda não foi quantificado devido à dificuldade na reconstituição precisa de um molde de cromatina com a (s) modificação (ões) epigenética (ões) de interesse e quantificação da transcrição de RNA a partir dele. Usando a expansão do código genético e a síntese de proteínas livres de células, sintetizamos a histona H4 contendo acetilação (ões) específica (s) do local projetada e reconstituímos um nucleossomo tetraacetilado. "

Este modelo cinético do estudo pode ser aplicado para quantificação de mudanças
epigenéticas na taxa de transcrição. Crédito: Pesquisa de Ácidos Nucleicos

As modificações das histonas têm como alvo vários estágios (conforme descrito na Figura 1) no processo de transcrição no nível da cromatina, o que pode, por sua vez, afetar a taxa de transcrição. O primeiro estágio, acessibilidade à cromatina, envolve a abertura da estrutura fortemente condensada para torná-la acessível à máquina de transcrição. O segundo estágio é a formação de cromatina transcricionalmente competente, que prepara a cromatina para a ligação de complexos sintetizadores de transcritos. O terceiro estágio é o priming antes da transcrição, o que auxilia na montagem de proteínas acessórias necessárias para iniciar a transcrição. O estágio final da transcrição envolve a adição sequencial de nucleotídeos para formar a transcrição.
 
Para estudar como as modificações específicas da histona, incluindo a acetilação, afetam os estágios da transcrição, os pesquisadores criaram um nucleossomo reconstituído carregando duas cópias de uma sequência codificadora de RNA de Xenopus, uma espécie de sapo, com acetilação em locais específicos das proteínas histonas . Este sistema simula as mudanças dinâmicas na cromatina dentro da célula viva, que afetam a transcrição. Eles desenvolveram um sistema de detecção baseado em fluorescência preciso e altamente sensível que pode medir as concentrações mínimas de transcritos em tempo real. Ao aplicar seu modelo cinético (ver Figura 2), eles descobriram que a acetilação em quatro locais específicos da histona aumenta a acessibilidade da cromatina três vezes quando comparada com a cromatina sem acetilação.

A versatilidade do modelo também permite que seja usado para quantificar outras modificações epigenéticas. Destacando as aplicações potenciais de seu estudo, Takinoue diz: "Nosso modelo cinético descrito matematicamente nos permitiu determinar as taxas de transcrição da cromatina de modelos de cromatina não acetilada e tetra-acetilada. Nossa metodologia será aplicável a uma ampla variedade de modelos de cromatina mediada por cromatina reações para compreensão quantitativa da importância das modificações epigenéticas . "

 

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