Controle do imprinting gênico - Genética

Universidade de São Paulo
Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Curso de Mestrado
Imprinting Gênico
Luíza Lane de Barros Dantas
Orientador: Marcio de Castro Silva Filho

Nos organismos eucariotos de
reprodução sexuada, o zigoto
recebe um alelo de cada
parental e cada um deles tem
iguais chances de ser
expresso.
Entretanto, a expressão de alguns alelos está
intimamente relacionada à sua origem parental.

Primeiras evidências do imprinting:
Primeiras observações em D. melanogaster;
Trabalhos publicados em 1935, 1944, 1946 e 1947;
Gene scute.
Quando o gene era herdado do parental ♂, ocorria
heterocromatinização e manchas oculares surgiam no inseto.

Primeiras evidências do imprinting:
♂ ♀
O cromossomo X de origem paterna é sempre eliminado.

Primeiras evidências do imprinting:
Genetics 66:69-85 September 1970
Alelo R – pigmentação da aleurona
R ♂ - poucos grãos com manchas
R♀ - muitos grãos com manchas e
grãos pigmentados

Primeiras evidências do imprinting:
É necessário o equilíbrio
entre alelos ♀ e ♂ para a
sobrevivência do
organismo.

Mais evidências do imprinting:

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
É a expressão tendenciosa de alelos de acordo com sua origem
parental;
Enquanto um dos alelos é expresso, o outro é silenciado.
Não ocorre, portanto, expressão aleatória dos alelos herdados
pelo parental masculino ou feminino.

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
Um exemplo simplificado do imprinting gênico:
Gisele Büdchen e
Tom Brady
F1 com
imprinting
Alelos de Gisele expressos
Alelos de Tom expressos

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
Um exemplo simplificado do imprinting gênico:
Gisele Büdchen e
Tom Brady
F1 sem
imprinting
Expressão aleatória dos
alelos herdados de
Gisele e de Tom.

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
Rompe as leis mendelianas;
Meiotic drive?
Gregor Mendel

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
É um fenômeno observado em mamíferos placentários, plantas
Angiospermas, insetos e nematóides;
Os genes que sofrem imprinting podem ser observados nas
células somáticas e germinativas do organismo ou apenas em
determinadas estruturas.

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
A cada geração o imprinting é renovado.

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
Algumas das funções associadas aos genes que
sofrem imprinting:
Desenvolvimento;
Nutrição embrionária;
crescimento e proliferação celular;
Homeostase.

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
Até agora, 10 genes associados ao imprinting foram
descritos em plantas...

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
... e 11 genes com imprinting foram encontrados em D.
melanogaster...

Mas afinal, o que é imprinting gênico?
... enquanto que em mamíferos há 80 genes que sofrem imprinting.
Morison et al (2005). TRENDS in Genetics Vol.21: 458 – 460.

E como um organismo consegue distinguir um gene
que sofre imprinting de um que não sofre?
Poucos e menores íntrons
Em média, os íntrons de genes que sofrem imprinting são menores e menos
numerosos quando comparados aos genes que não sofrem imprinting.

E como um organismo consegue distinguir um gene
que sofre imprinting de um que não sofre?
Sequências repetitivas
Características dos genes com imprinting
Gene
CpG
rica
Direção RepetiçõesTamanho
Repetidas Único
Genes com imprinting têm mais sequências repetitivas.
Localização
da metilação

E como um organismo consegue distinguir um gene
que sofre imprinting de um que não sofre?
Translocações
A translocação confere
manchas oculares tanto
em ♀ quando em ♂
quando herdada do
parental ♂.

Como surgiu o imprinting gênico?
Nos mamíferos, o surgimento
do imprinting acompanhou a
divergência que gerou os
mamíferos placentários, há
cerca de 150 milhões de anos
atrás.
Neste grupo, há genes que sofrem imprinting tanto no embrião
quanto na placenta, estrutura voltada para a nutrição embrionária.

Como surgiu o imprinting gênico?
Em plantas, o aparecimento
do imprinting seguiu a
origem das Angiospermas, há
cerca de 140 milhões de anos
atrás.
Nas Angiospermas, há genes que sofrem imprinting apenas no
endosperma, tecido voltado para a nutrição embrionária.

Como surgiu o imprinting gênico?
Então a origem do imprinting gênico estaria associada à
estruturas voltadas para a nutrição embrionária?
Como poderia ser explicada a evolução do imprinting?
Parental Materno
Igualmente ligado a
todas as proles que tiver
na vida;
Necessidade de divisão
equitativa dos recursos
para cada prole;
Sobrevivência de todas
as proles.
A Teoria do Conflito Parental
Parental Paterno
Ligado apenas à(s)
sua(s) prole(s);
Tendência em alocar os
recursos maternos para
sua prole;
Sobrevivência de sua
prole.

Como surgiu o imprinting gênico?
A Teoria do Conflito Parental
Ao longo da evolução, o parental masculino desenvolveu
estratégias para maximizar o investimento dos recursos
femininos na sua prole, ao passo que o parental feminino
opôs-se procurando dividir igualmente os recursos entre
cada prole.

Como surgiu o imprinting gênico?
Então como explicar o surgimento do imprinting nestes animais?

Como surgiu o imprinting gênico?

Como surgiu o imprinting gênico?
A teoria baseada na recombinação
meiótica sugere uma ligação entre
o imprinting a recombinação que
acontece durante a meiose.

Como surgiu o imprinting gênico?
Esta teoria conta com experimentos que demonstraram que regiões do
genoma humano que sofrem imprinting apresentam altas taxas de
recombinação:

Como surgiu o imprinting gênico?
A teoria da bomba relógio ovariana propõe que o imprinting
evoluiu para evitar a partenogênese.
Esta teoria tem suporte nos experimentos feitos com
mamíferos em que os embriões diplóides ginogenéticos ou
androgenéticos não eram viáveis:

Como surgiu o imprinting gênico?
As espécies apomíticas desenvolvem-se de um óvulo não fertilizado, porém as
sementes só são viáveis quando contém genoma ♂ no endosperma
(pseudogamia) na proporção 2 ♀: 1♂.

Controle do imprinting gênico
O sistema regulatório de genes que sofrem
imprinting é baseado em:
ICRs (Regiões Controladoras do
Imprinting);
Metilação;
Modificações histônicas;
RNAi;
PcG (Complexo Polycomb);
Autorregulação.

Controle do imprinting gênico
As ICRs (Regiões Controladoras do Imprinting):
Conhecidas por Domínios/Regiões Diferencialmente Metilados (DMR/
D);
Sítios de metilação e de modificações histônicas baseados na origem
parental da sequência de DNA;
Grandes regiões não conservadas;
Ricas em ilhas de dinucleotídios CpG;
Nos mamíferos, há formação de clusters de genes que sofrem
imprinting em tornos das ICRs;
F e il & B e rg e r (2 0 0 7 ). T R E N DS in G e ne tic s V ol.2 3 N o.4 , p. 1 9 3 .

Controle do imprinting gênico
As ICRs (Regiões Controladoras do Imprinting):
Deleções nas ICRs levam à perda do imprinting dos genes sob sua
regulação.

Controle do imprinting gênico
Metilação:
Presente em todas as espécies que têm imprinting gênico;
A citosina das CpGs é metilada no seu carbono 5 (5-metil-citosina);
Ocorre dentro das ICRs.

Controle do imprinting gênico
Metilação:

Controle do imprinting gênico
Metilação:
Nas cochonilhas, todo o
genoma ♂ é silenciado
nos embriões ♂,
entretanto o genoma ♀ é
hipermetilado.

Controle do imprinting gênico
Modificações histônicas:
Acompanham a metilação;
Podem acontecer dentro e fora das ICRs.

Controle do imprinting gênico
RNAi:
RNAs longos não-codificantes;
siRNAs, snoRNAs e miRNAs.
Os miRNAs de Gtl2 possuem complementariedade perfeita com
Rtl1, de modo que degradam todo o mRNA e silenciam a
expressão de todo o cluster Dkl1/Gtl2 em camudongos .

Controle do imprinting gênico
PcG (Complexo Polycomb) e autorregulação:
O PcG é bem estudado em plantas;
A autorregulação só foi descrita em Arabidopsis até agora.
Genes relacionados ao PcG:
MEA - ♀ expresso
FIS2 - ♀ expresso
FWA - ♀ expresso
PHE1 - ♂ expresso
O gene MEA autorregula a sua expressão.

Controle do imprinting gênico
PcG (Complexo Polycomb)

Controle do imprinting gênico
Autorregulação:
O gene MEA de Arabidopsis tem seu imprinting regulado
independentemente tanto pelo complexo PcG quanto por
autorregulação.

Renovação do imprinting gênico
Mamíferos:
A cada geração, o imprinting é “apagado” ainda na fase
embrionária e posteriormente, ao final da gametogênese é
restaurado. Foi sugerido que o mesmo acontece com insetos.

Renovação do imprinting gênico
Plantas:
Como o imprinting é restrito ao endosperma, não é necessário
um mecanismo de seu restabelecimento a cada geração.

Conclusões
O imprinting é um mecanismo epigenético de regulação da
expressão gênica;
Favorece a expressão de alelos baseado na sua origem parental;
Foge, portanto, das leis mendelianas;
É um mecanismo conservado, sendo observado em vários grupos
de organismos;
Está associado ao desenvolvimento embrionário;
A teoria do conflito parental propõe-se a explicar a evolução do
imprinting, embora outras teorias se oponham (recombinação e
prevenção de partenogênese);
Há regiões específicas para controlar o imprinting, as ICRs;
O silenciamento dos alelos que sofrem imprinting e não são
expressos pode se dar por metilação, modificações histônicas,
autorregulação ou através de complexos protéicos (PcG);
A cada geração o imprinting se renova nas espécies animais.

Obrigada!
Perguntas?