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A metilação do DNA é um processo no qual um grupo metil é anexado à base de citosina da molécula de DNA, e uma das principais formas pelas quais o DNA é marcado epigeneticamente. As modificações epigenéticas podem atuar como interruptores liga-desliga para regular a expressão genética e ajudar a gerar diversos tipos de células sem alterar a sequência de DNA subjacente. É como o corpo garante que genes relacionados ao cérebro não sejam ativados em células cardíacas, por exemplo.
Por esse motivo, a manutenção do padrão de metilação do DNA é importante para garantir a função correta e consistente de cada tipo de célula. Mas isso não é tarefa fácil: o padrão de metilação do DNA pode mudar ao longo do tempo, e isso está ligado a uma variedade de doenças. Uma delas é uma condição genética rara chamada síndrome de imunodeficiência, instabilidade centromérica e anomalias faciais (ICF), cujos sintomas incluem infecções respiratórias recorrentes, anomalias faciais e crescimento e cognição retardados.
Embora se saiba que as mutações no CDCA7 gene causa a síndrome ICF, pouco se sabia sobre a função molecular do gene. Agora, o laboratório Funabiki da Universidade Rockefeller, em colaboração próxima com pesquisadores da Universidade de Tóquio e da Universidade da Cidade de Yokohama, identificou uma característica funcional única do CDCA7 que garante a herança precisa da metilação do DNA.
Os pesquisadores descobriram que o CDCA7 detecta a hemimetilação em eucariotos — uma descoberta importante, porque a detecção da hemimetilação há muito tempo é considerada realizada exclusivamente por uma proteína chamada UHRF1. Eles publicaram seus resultados em Avanços da Ciência.
“É uma descoberta incrível”, diz a coautora Isabel Wassing, pós-doutoranda no Laboratório de Cromossomo e Biologia Celular, liderado por Hiro Funabiki. “Aprender que o CDCA7 também atua como um sensor explica por que sua mutação leva a doenças como a síndrome ICF e preenche uma grande lacuna no campo da epigenética. Mas também introduziu novas questões. Por que, por exemplo, a célula precisa de dois sensores de hemimetilação diferentes?”
Um estado de transição
Ciclos massivos de divisão celular, nos quais uma célula parental é dividida em duas células-filhas idênticas, dão origem aos trilhões de células que compõem o corpo humano. A replicação cuidadosa e a segregação da molécula de DNA, empacotada em cromossomos, permitem a herança precisa de instruções genéticas para cada nova célula-filha.
A replicação do DNA é um processo complicado. No coração do núcleo de uma célula está a cromatina, um complexo de macromoléculas composto de DNA fita dupla e proteínas histonas, que o DNA enrola como uma corda em um ioiô para formar nucleossomos. Durante a replicação, a fita de DNA fita dupla se desenrola ao redor da histona e se divide em duas fitas simples; as DNA polimerases então costuram nucleotídeos complementares em cada fita, resultando em duas cópias da molécula de DNA fita dupla.
No entanto, os grupos metil não são copiados automaticamente para a fita de DNA recém-sintetizada, tornando-a temporariamente hemimetilada: a fita de DNA parental antiga é metilada, enquanto os nucleotídeos recém-incorporados na fita de DNA filha não são, o que sinaliza que a manutenção da metilação do DNA é necessária. De fato, a detecção da hemimetilação por UHRF1 é o primeiro passo crucial; a proteína então recruta e ativa a DNA metiltransferase DNMT1, que deposita a marca de metila na fita de DNA recém-sintetizada.
Os riscos são altos, pois a capacidade da célula de detectar a presença de hemimetilação tem um prazo rigoroso: se o estado hemimetilado do DNA não for reconhecido antes da próxima rodada de replicação, a marca de metilação epigenética será perdida permanentemente.
O problema da cromatina
Os cientistas sabem que o acesso de muitas enzimas e proteínas de ligação ao DNA é restrito pela cromatina, incluindo aquelas que são necessárias para introduzir metilação no DNA. Pesquisas anteriores do laboratório Funabiki mostraram que o CDCA7 forma um complexo com a proteína codificada pelo INFERNOS gene, cujas mutações também causam a síndrome ICF. HELLS é um remodelador de nucleossomo, que pode desembrulhar temporariamente a molécula de DNA do nucleossomo.
“Nós imaginamos que o complexo CDCA7-HELLS é importante para ajudar a célula a superar a barreira da heterocromatina compactada e tornar a molécula de DNA acessível à deposição de metilação”, explica Funabiki. “Mas há muitos remodeladores de nucleossomo diferentes que são capazes de expor a molécula de DNA dessa forma. Permaneceu um mistério para nós por que o CDCA7-HELLS é o único complexo de remodelação de nucleossomo diretamente associado à manutenção da metilação do DNA. Agora que mostramos que o CDCA7 recruta especificamente o HELLS para o DNA hemimetilado, isso finalmente fornece uma explicação.”
Neste novo modelo, o CDCA7 reconhece o DNA hemimetilado na cromatina e recruta HELLS para o local, que, como um remodelador do nucleossomo, desliza o nucleossomo para fora do caminho, revelando o local de hemimetilação para UHRF1.
A transferência da detecção de hemimetilação indica que o CDCA7 é melhor em detectar hemimetilação dentro da heterocromatina densa do que o UHRF1. Isso também explica a necessidade da célula de dois sensores diferentes. “Para que esses sensores detectem a hemimetilação, eles devem ligar direta e seletivamente o substrato de DNA hemimetilado”, diz Wassing. “O CDCA7 parece excepcionalmente capaz de fazer isso enquanto o DNA está enrolado ao redor do nucleossomo. Sem ele, o UHRF1 ficaria cego ao sinal de hemimetilação dentro das partículas do nucleossomo.”
Esse novo entendimento pode ajudar a iluminar os mecanismos subjacentes de doenças nascidas da metilação disfuncional. No futuro, eles buscarão funções para sensores de hemimetilação além da manutenção da metilação do DNA.
“Como algumas regiões cromossômicas são conhecidas por preservar o status de hemimetilação, seu reconhecimento pelo CDCA7 pode ter papéis muito mais amplos na regulação genética e na organização dos cromossomos”, diz Funabiki. “É uma possibilidade empolgante.”
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