5.8: Remodelação de Nucleossomos

Os nucleossomos são as unidades básicas de compactação da cromatina. Cada nucleossomo consiste no DNA firmemente ligado ao núcleo de uma histona, o que torna o DNA inacessível às proteínas de ligação ao DNA, como a DNA polimerase e a RNA polimerase. Assim, o problema fundamental é garantir o acesso ao DNA quando apropriado, apesar da estrutura compacta e protetora da cromatina.

Complexo de remodelação de nucleossomos

As células eucarióticas possuem enzimas especializadas chamadas enzimas de remodelação do nucleossomo dependentes de ATP. Essas enzimas se ligam tanto à histona quanto ao DNA da ferida e podem facilitar o deslizamento do nucleossomo - um processo em que o DNA é empurrado em relação ao núcleo da histona, ou substituição parcial ou completa do núcleo da histona, alterando a composição dos nucleossomos e afetando indiretamente o dobramento da cromatina. Um dos complexos de remodelação mais conhecidos é o Swi/Snf, originalmente identificado em leveduras.

Mecanismo de ação

Dois modelos são propostos para explicar o deslizamento do nucleossomo - difusão Twist e propagação Loop/bulge. Ambos os modelos sugerem que a distorção do DNA se propaga pela superfície do nucleossomo.

Modelo de difusão torcida

De acordo com este modelo, um único par de bases é transferido entre o DNA ligado e o DNA enrolado no núcleo da histona. Essa mudança de base faz com que o DNA nucleossômico se torça ou se desenrole para acomodar o ganho/perda de pares de bases. O defeito de torção então se propaga ao redor do nucleossomo de um segmento de DNA para o próximo em um processo conhecido como difusão por torção. Desta forma, o octâmero de histonas mudaria junto com o DNA pelo tamanho da distorção.

Modelo de laço/protuberância

De acordo com este modelo, o DNA da região ligante muda transitoriamente em torno do nucleossomo, criando uma protuberância/alça. O loop então percorre a histona, criando ou interrompendo as interações histona-DNA. Dessa forma, o núcleo do nucleossomo desliza na fita de DNA, expondo regiões do DNA para atividades genéticas.

Dada a complexidade do dobramento da cromatina, ambos os modelos mencionados acima podem coexistir. No entanto, existem questões específicas que ambos os modelos não explicam, indicando que os processos reais podem ser ainda mais complexos. Por exemplo, como é alcançada a processabilidade durante o deslizamento? Como cada elemento do complexo de remodelação participa do processo? Como os remodeladores cooperam com os acompanhantes das histonas?

A ATPase de remodelação do nucleossomo está envolvida em vários mecanismos genéticos, como expressão gênica de desenvolvimento, transcrição rápida em resposta a estímulos ambientais, replicação do genoma, vigilância de danos no DNA e reparo.

Defeitos no complexo de remodelação do nucleossomo têm uma ampla gama de consequências. Durante o desenvolvimento embrionário, a falha na remodelação do nucleossomo pode afetar a viabilidade e causar defeitos morfológicos. Também pode levar a problemas na reparação do DNA, resultando em instabilidade do genoma e cancro.

O arranjo ordenado de nucleossomas resulta em uma organização compacta e protetora da cromatina, que pode obstruir o acesso à informação genética de várias maneiras. Primeiramente, as proteínas DNA-ligantes, tais como RNA polimerase não podem facilmente associar-se com o DNA ligado a superfície da histona. Além disso, o DNA enrolado em torno da histona é altamente dobrado, fazendo com que fique não reconhecível pelas proteínas de ligação de DNA.

Finalmente, proteínas não histona pode ser associada com nucleossomas, causando mais compactação. Portanto, células eucarióticas têm enzimas chamado ATP-dependente cromatina remodelando complexos, que podem temporariamente e localmente remodelar os nucleossomas. Estes complexos contêm uma subunidade de hidrolisação de ATP que liga ambas às proteínas histonas e à ferida do DNA em torno dela.

A hidrólise de ATP fornece a energia necessária para interromper a interação Entre o núcleo histona e o DNA. A energia obtida de múltiplas rodadas de hidrólise de ATP permite que os complexos de remodelação causem deslizamento nucleário, um processo onde a histona é movido ao longo do DNA sem dissociar dele. O deslizamento do núcleo é explicado melhor pelo modelo da propagação do laço-bulge.

Aqui, o DNA da região do ligante é empurrado para o núcleo da histona, formando um loop. Este Bulge propaga então em torno do núcleo da histona como uma onda, quebrando e reformando interações do DNA da histona. Este processo muda o núcleo da histona ao longo do DNA, expondo as sequências de DNA até então inacessíveis.

Complexos remodelando, na associação com chaperones histonas, facilitam parcial ou completamente A recolocação de núcleos octâmero de nucleossomas, indiretamente afetando o dobramento da cromatina. Por exemplo, a substituição da histona H3 com histonas H3 por centrômeros específicos, marca a localização do centrômero no cromossoma. As proteínas não-histonas de ligação ao DNA também influenciam a posição e estabilidade do nucleossoma.

Algumas proteínas ligadas podem favorecer a formação de nucleossomas. E outras proteínas não podem permitir que nucleossomas se formem em sua vizinhança. A localização exata dos nucleossomas depende, portanto, da natureza das proteínas não-histonas de ligação ao DNA.

E devido à presença dos complexos remodelando a cromatina, a composição e o arranjo de nucleossomas é altamente dinâmico.