Epigenética é o estudo de alterações hereditárias na expressão genética que ocorrem sem alterações na sequência de DNA subjacente. Estes mecanismos são essenciais para o desenvolvimento normal, diferenciação celular e impressão genómica, e a sua desregulação contribui para o cancro e outras doenças.
Metilação do DNA
A metilação do DNA ocorre principalmente em bases de citosina dentro de dinucleotídeos CpG, catalisada por DNA metiltransferases (DNMTs). DNMT3A e DNMT3B estabelecem padrões de metilação durante o desenvolvimento (metilação de novo), enquanto DNMT1 mantém padrões de metilação durante a replicação do DNA, copiando a metilação da fita parental para a filha. Ilhas CpG, regiões de alta densidade de CpG frequentemente encontradas em regiões promotoras de genes, são tipicamente não metiladas em genes ativos. A metilação das ilhas promotoras CpG está associada à repressão transcricional, seja bloqueando diretamente a ligação do fator de transcrição ou recrutando proteínas do domínio de ligação ao metil-CpG (MeCP2, MBD1-4) que recrutam histonas desacetilases e complexos de remodelação da cromatina. Os padrões de metilação do DNA são reprogramados durante a embriogênese e a gametogênese, com a desmetilação global ocorrendo logo após a fertilização, seguida pela remetilação específica da linhagem.
Modificações de histonas
As proteínas histonas sofrem uma série diversificada de modificações pós-traducionais em suas caudas N-terminais, incluindo acetilação, metilação, fosforilação, ubiquitinação e sumoilação. A acetilação das histonas, catalisada pelas histonas acetiltransferases (HATs), neutraliza a carga positiva dos resíduos de lisina, reduzindo a afinidade entre as histonas e o DNA e criando uma estrutura de cromatina aberta e transcricionalmente ativa. As histonas desacetilases (HDACs) revertem essa modificação, restaurando a carga positiva e promovendo a compactação da cromatina e o silenciamento dos genes. A metilação das histonas pode ser ativadora ou repressiva, dependendo do resíduo específico e do grau de metilação. A trimetilação H3 lisina 4 (H3K4me3) marca promotores ativos, a trimetilação H3 lisina 36 (H3K36me3) marca corpos gênicos transcritos e a trimetilação H3 lisina 27 (H3K27me3) depositada pelo complexo repressivo Polycomb 2 (PRC2) marca genes de desenvolvimento silenciados. A trimetilação da lisina 9 H3 (H3K9me3) está associada à heterocromatina constitutiva nos centrômeros e telômeros.
Remodelação da Cromatina
Os complexos de remodelação da cromatina dependentes de ATP usam a energia da hidrólise do ATP para deslizar, ejetar ou reestruturar os nucleossomos, tornando o DNA acessível a fatores de transcrição e outras proteínas reguladoras. A família SWI/SNF (complexos BAF em mamíferos) mobiliza nucleossomos para promover a ligação do fator de transcrição e sofre frequentemente mutação no câncer, com mutações em ARID1A, SMARCA4 e SMARCB1 encontradas em cânceres de ovário, pulmão e pediátrico. Os complexos da família ISWI promovem o espaçamento dos nucleossomos e a compactação da cromatina, os complexos da família CHD (incluindo NuRD) têm papéis tanto na ativação quanto na repressão, e os complexos da família INO80 estão envolvidos no reparo e replicação do DNA. A ação combinatória desses complexos de remodelação estabelece a paisagem de acessibilidade à cromatina que define a identidade celular.
Impressão genômica
A impressão genômica é um fenômeno epigenético em que um subconjunto de genes é expresso de maneira específica do pai de origem. Os genes impressos são marcados pela metilação diferencial do DNA durante a gametogênese, com o alelo materno ou paterno sendo metilado e silenciado. O locus IGF2/H19 é um exemplo clássico: o IGF2 é expresso apenas a partir do alelo paterno, enquanto o H19 é expresso apenas a partir do alelo materno, regulado por uma região de controle de impressão (ICR) que se liga ao CTCF no cromossomo materno para bloquear o acesso do intensificador ao IGF2. Os distúrbios de imprinting incluem a síndrome de Prader-Willi (deleção paterna de 15q11-q13, com alelo materno silenciado por imprinting) e síndrome de Angelman (deleção materna da mesma região, com alelo paterno silenciado), demonstrando a importância clínica dos efeitos dos pais de origem.
Inativação do cromossomo X
Nas fêmeas de mamíferos, um dos dois cromossomos X é transcricionalmente silenciado em um processo denominado inativação do X, equalizando a expressão gênica ligada ao X entre fêmeas XX e machos XY. O processo é iniciado pelo longo RNA não codificante Xist, que é transcrito do futuro cromossomo X inativo e o reveste em cis, recrutando modificadores de cromatina que depositam marcas repressivas, incluindo H3K27me3 e H2AK119ub. O cromossomo X inativo torna-se um corpo de Barr compacto, replica-se no final da fase S e a maioria de seus genes é silenciada de forma estável. A inativação do X é aleatória no próprio embrião, mas impressa (X paterno silenciado) nos tecidos extraembrionários. O X inativo é reativado durante a ovogênese, mas permanece inativo nos espermatozoides.
Reprogramação Epigenética em Desenvolvimento
Após a fertilização, o genoma paterno sofre rápida desmetilação ativa antes da replicação do DNA, enquanto o genoma materno é desmetilado mais gradualmente através de diluição passiva. Este apagamento de marcas epigenéticas específicas dos pais é seguido pela metilação de novo no estágio de blastocisto, estabelecendo os padrões epigenéticos que impulsionam a expressão gênica específica da linhagem. As células germinativas primordiais passam por uma reprogramação epigenética mais completa, incluindo o apagamento de impressões, para restaurar a totipotência. Células-tronco pluripotentes induzidas são geradas pela reprogramação de células somáticas através da expressão forçada de fatores de transcrição (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc), acompanhada por remodelação epigenética global que apaga a memória das células somáticas.
Epigenética na doença
Padrões aberrantes de metilação do DNA são uma marca registrada do câncer, com hipometilação global promovendo instabilidade genômica e hipermetilação focal de promotores de genes supressores de tumor (como BRCA1, MLH1, CDKN2A) causando seu silenciamento. Mutações em modificadores epigenéticos são elas próprias oncogênicas, incluindo mutações IDH1/IDH2 que produzem 2-hidroxiglutarato, inibindo desmetilases TET e causando um fenótipo metilador de ilha CpG. As terapias epigenéticas incluem inibidores da DNA metiltransferase (azacitidina, decitabina) para síndrome mielodisplásica e leucemia mieloide aguda, e inibidores de HDAC (vorinostat, romidepsina) para linfoma cutâneo de células T. Fatores ambientais, incluindo dieta, estresse e tabagismo, podem alterar as marcas epigenéticas, ligando o estilo de vida às alterações na expressão genética e ao risco de doenças através do campo emergente da epigenética ambiental.
