Intensificadores e Silenciadores do Desenvolvimento

Intensificadores (enhancers) e silenciadores são elementos reguladores distais de DNA que, respetivamente, aumentam e diminuem a transcrição dos seus genes-alvo, e são os principais interruptores através dos quais os programas de desenvolvimento são executados. Durante a diferenciação, os intensificadores são seletivamente ativados ou desativados e os silenciadores impõem repressão, de modo que o mesmo genoma impulsiona diferentes programas de expressão em diferentes linhagens. O seu estado de atividade é lido por marcas de cromatina características, tornando visível o panorama regulador de uma célula.

Definition

Intensificadores e silenciadores do desenvolvimento são elementos cis-reguladores distais que ativam ou reprimem a expressão génica específica da linhagem durante o desenvolvimento; a sua atividade é marcada por modificações de histonas características — notavelmente H3K4me1 em intensificadores, com H3K27ac distinguindo estados ativos de preparados — que mudam à medida que as células se diferenciam.

Scope

Este tópico abrange as assinaturas de cromatina que distinguem elementos reguladores ativos, preparados (poised) e silenciosos; como os intensificadores preparados antecipam a ativação posterior; como os repertórios de intensificadores mudam à medida que as células se comprometem com linhagens; e como os silenciadores e a repressão por Polycomb desativam genes. Trata os elementos cis-reguladores do desenvolvimento como um tópico na epigenética da diferenciação, como material de referência e não como orientação clínica.

Core questions

• Quais marcas de cromatina distinguem elementos reguladores ativos, preparados e silenciosos?
• Como os intensificadores preparados antecipam a ativação posterior de um gene?
• Como o repertório de intensificadores muda à medida que uma célula se compromete com uma linhagem?
• Como os silenciadores e os domínios Polycomb impõem uma repressão estável?

Key concepts

• Intensificadores e silenciadores como elementos reguladores distais
• Marca de intensificador H3K4me1
• H3K27ac e intensificadores ativos versus preparados
• Intensificadores preparados antecipando a ativação
• Desativação de intensificadores na diferenciação
• Silenciamento mediado por Polycomb
• Mapas de estado da cromatina

Key theories

Assinaturas de cromatina de intensificadores

Os intensificadores são marcados por H3K4me1, e a presença adicional de H3K27ac distingue intensificadores ativos de preparados; a leitura destas marcas em todo o genoma permite inferir o estado regulador de uma célula e o seu estágio de desenvolvimento.

Segmentação do estado da cromatina

Combinações de marcas de histonas definem um pequeno conjunto de estados de cromatina recorrentes — promotores, intensificadores ativos e preparados, regiões reprimidas — que podem ser mapeados em diferentes tipos de células para traçar como os elementos reguladores são implantados e ativados durante a diferenciação.

Mechanisms

Intensificadores e silenciadores exercem os seus efeitos recrutando fatores de transcrição e correguladores que se ligam e modulam os promotores-alvo. A sua atividade é codificada na cromatina: os intensificadores adquirem H3K4me1, e a aquisição de H3K27ac (e a perda de H3K27me3) marca a transição de um estado preparado para um estado ativo, enquanto a desativação reverte este processo. Os intensificadores preparados (poised enhancers) carregam a assinatura do intensificador sem ativação total, permitindo que os genes sejam preparados antes de serem necessários. À medida que as células se diferenciam, os intensificadores específicos da linhagem são ativados, enquanto os de destinos alternativos são desativados, e os silenciadores, juntamente com os domínios marcados por Polycomb, impõem uma repressão estável. Mapas de estado da cromatina em todo o genoma revelam estes elementos e como os seus estados mudam entre os tipos de células.

Clinical relevance

Como os intensificadores do desenvolvimento controlam onde e quando os genes são expressos, a sua disrupção está ligada a fenótipos de desenvolvimento e doença, e os mapas de intensificadores informam a interpretação da variação reguladora não codificante. Este tópico explica como os elementos reguladores padronizam a expressão génica; descreve a biologia e não é uma base para decisões individuais de diagnóstico ou tratamento.

History

A identificação sistemática de intensificadores pelas suas assinaturas de cromatina avançou rapidamente por volta de 2010, quando estudos mostraram que H3K4me1 marca intensificadores e que H3K27ac distingue estados ativos de preparados (Creyghton et al., 2010; Rada-Iglesias et al., 2011). A segmentação do estado da cromatina em todo o genoma em múltiplos tipos de células humanas forneceu então mapas de como os elementos reguladores são implantados e ativados durante a diferenciação (Ernst et al., 2011), e as sínteses conectaram a regulação dos intensificadores à sua desregulação em doenças (Lee & Young, 2013).

Debates

Quão preditivas são as marcas de cromatina da verdadeira função do intensificador?

Assinaturas de histonas como H3K4me1 e H3K27ac sinalizam de forma confiável intensificadores candidatos, mas se a presença da marca equivale à atividade reguladora funcional num dado contexto é debatido, uma vez que muitos elementos marcados mostram efeitos fracos ou dependentes do contexto quando testados.

Key figures

• Joanna Wysocka
• Alvaro Rada-Iglesias
• Rudolf Jaenisch
• Bradley Bernstein
• Richard Young

Seminal works

• rada-iglesias-2010
• creyghton-2010
• ernst-2011

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre um intensificador ativo e um preparado?

Ambos carregam a marca de intensificador H3K4me1, mas os intensificadores ativos adicionalmente possuem H3K27ac e impulsionam a transcrição, enquanto os intensificadores preparados não a possuem (e podem carregar H3K27me3 repressivo) e são mantidos em prontidão para ativação posterior.

Por que os intensificadores são importantes para o desenvolvimento?

Intensificadores e silenciadores determinam onde e quando os genes são ativados ou desativados, de modo que a ativação e desativação seletiva desses elementos é como um único genoma impulsiona os distintos programas de expressão génica de diferentes linhagens celulares.