Epigenética em Pediatria:

da teoria para a clínica

Edna Maria Vissoci Reiche

Imunologia Clínica e Diagnóstico Molecular

PAC/CCS/UEL

Perguntas

• Quando um gene, que está “empacotado”

e “escondido” no núcleo, sabe quando tem

que ser expresso e por quanto tempo?

• Como diferentes células sabem quais os

genes que devem ser expressos para

síntese de diferentes proteínas que elas

precisam?

Epigenética

• Mesmo que as células do organismos

possuem o mesmo genoma,

– Temos diferenças na expressão gênica

– Controle da expressão gênica

• Processos que regulam a função de

genes são células e tecidos específicos ao

longo do tempo em resposta ao

ambiente, idade e outros fatores

Figure 1: Genetically identical, epigenetically different

These three mice are genetically identical. Epigenetic differences, however, result in vastly different phenotypes.

© 1994 Nature Publishing Group Duhl, D. et al. Neomorphic agouti mutations in obese yellow mice. Nature Genetics 8, 60. All rights reserved.

Um gatilho suspeito: substância química encontrada em garrafas plásticas,

incluindo mamadeiras, chamada bisfenol A.

A metilação do DNA nos locais do gene agouti foi reduzida em 31%.

Metilação do DNA foi reduzida em outros genes também.

Hipótese: bisfenol A altera a ação dos epigenomas dos organismos

removendo os grupos metil do DNA.

Dolinoy, D. C., et al. Maternal nutrient supplementation counteracts bisphenol A-induced DNA

hypomethylation in early development. Proceedings of the National Academy of Sciences 104,

13056-13061 (2007) doi:10.1073/pnas.0703739104

Nem todos os genes estão ativos em todos os momentos.

A metilação do DNA é um dos vários mecanismos epigenéticos

que as células usam para controlar a expressão gênica.

Metilação do DNA – gene off

Acetilação do DNA- gene on

Citosina

DNA metil transferase (DNMT)

5-metil-citosina

Silencia o gene (gene off)

Epigenética

• O termo epigenética engloba a regulação da

atividade celular e expressão gênica por

mecanismos que não alteram o código genético

(sequência de DNA).

• Estuda mecanismos que determinam e / ou

perpetuam a genômica hereditária, sem

alterações na sequência de DNA.

Epigenética

• Nova fronteira na interação entre genoma

e meio ambiente

• Todos os mecanismos epigenéticos

compartilham a característica de não

alterar a sequencia do DNA

• Apenas a possibilidade de que sequências

genéticas sejam transcritas sob condições

específicas

Regulação da expressão gênica

• Nível transcricional DNA RNA

• Regulação epigenética

– Metilação do DNA em sítios ricos em CpG

• ilhas de CpG: citosina-fosfato-guanina

• DNA metiltransferases (DNMTs)

– Deacetilação de genes

• Histona deacetilases (HDACs)

• Ativam a transcrição de genes

metilação do DNA

• Ocorre em todo o genoma nos locais CpG, onde uma citosina é

imediatamente seguida por uma guanina na direção de 5 ′ a 3 ′

• Grupos metílicos (CH3) são adicionados às bases da citosina,

resultando em 5-metilcitosina

• Ilhas CpG

– frequentemente localizadas perto das regiões promotoras dos genes

• Resulta em cromatina mais compacta e menos acessível,

geralmente levando à supressão ou regulação negativa da

expressão gênica

Acetilção e desacetilação da histona

• Retirada do grupamento acetil (+)

– Em resíduos de lisina

– Fonte acetil: acetil coenzima A

• Histona acetil transferase (HAT)

• Histona deacetilase (HDAC)

– Resulta em cromatina mais compacta e

menos acessível, geralmente levando à

supressão ou regulação negativa da

expressão gênica.

microRNA

Molecular Epigenetic Modifications

McEwen BS, et al. Mechanisms of stress in the brain. Nat Neurosci. 2015; 18(10):1353-63.

Epigenética

• Ao contrário das mutações no DNA, as

modificações epigenéticas são dinâmicas,

constantemente afetadas por fatores

ambientais e de estilo de vida, o que torna

as enzimas que afetam as mudanças

epigenéticas alvos procurados para o

desenvolvimento de drogas.

– DNMT

– Acetilases

Epigenética

• Sistemas

• Pulmomar

• Imunológico

• Gastrointestinal

• Endrócrino

• Cardiovascular

• Reprodutivo

• Outros

• Podem ser afetados pelos mecasnismos epigenéticos

• Manifestação de doenças

Eventos epigenéticos

• The Dutch Famine or “Hunger Winter”

• A fome holandesa ou "inverno da fome“

• 1944–1945

• Alfa-fetoproteína

• Cromossomo X

Timing of terminal differentiation of hepatocytes. We quantified Afp (a marker of hepatocyte precursors)

and Tdo2 (a marker of differentiated hepatocytes) using qRT-PCR in liver at ages from E18.5 through 9

wk. Afp decreased dramatically between P10 and P15 (boxed), which was the same time period during which a

large increase in Tdo2occurred. E, embryonic day; P, postnatal day; qRT-PCR, quantitative reverse transcription-

polymerase chain reaction.

Eventos epigenéticos

• Diferenciação em LTh1, Th2,

Th17, Treg

Fenômenos epigenéticos

• Cromossomo X

• A importância do processo de metilação

do DNA na expressão gênica é bem

representado pelo equilíbrio

cromossômico sexual

• As fêmeas são caracterizada por

supressão transcricional parcial do

cromossomo X, obtido pela metilação de

sequências genéticas específicas

Epigenética em Pediatria

• Epigenética

• Tem um papel fundamental em muitas doenças que

se manifestam em populações pediátricas

– Desenvolvimento humano inicial

– Períodos embrinário e fetal

– Infância

– Adolescência

Epigenética em Pediatria

• Exemplos de doenças pediátricas específicas com componente epigenético

conhecido ou suspeito:

• Síndrome de Beckwith-Wiedemann

• Leucemia na infância

• Alergias

• Asma

• Obesidade infantil

• Diabetes mellitus tipo 2

•

Estresse precoce

• Muitos estudos relataram uma relação

entre o estresse precoce e a metilação

aberrante do DNA de muitos genes,

• Ex:

• gene do receptor de glicocorticóides e

• gene do receptor 1A da serotonina

Methylation of the NR3C1 promoter in the hippocampus

Em humanos, o abuso na infância altera as respostas ao estresse da HPA e

aumenta o risco de suicídio.

Examinamos as diferenças epigenéticas em um promotor de receptor de

glicocorticóide específico de neurônios (NR3C1)

hipocampo post-mortem obtido de vítimas de suicídio com histórico de abuso

infantil versus de vítimas de suicídio sem abuso ou controle na infância

Hippocampal glucocorticoid receptor expression

Tabaco

• O uso do tabaco tem sido relacionado a mudanças na metilação do

DNA de sítios CpG relacionados ao desenvolvimento e à função

dos sistemas celular, cardiovascular, de desintoxicação,

hematológico, imunológico, tumorigênico e de reprodução

• Fumar tem sido associado a alterações na expressão de miRNAs

como miR-21, miR-34b, miR-125b, miR-146a, miR-223 e miR-340

Tabaco

• Estudos identificaram um conjunto de genes com alterações de

metilação presentes ao nascimento em crianças cujas mães

fumaram durante a gravidez.

• Crianças cujas mães fumaram durante a gravidez são mais

prováveis ter problemas

– Baixo peso ao nascimento

– Asma

– Obesidade

– Câncer

– Hipertensão

Tabaco

• Adolescentes e crianças que foram

expostas à nicotina pré-natal

• Apresentam risco aumentado de

– Transtorno de déficit de atenção (TDAH)

– Transtorno depressivo maior (TDM)

– Abuso de substâncias

Epigenome-wide association study (EWAS)

• Investigaram alterações na metilação do DNA em bebês expostos in

utero ao fumo materno

• Metilação do DNA no sangue total de 889 crianças log após o

Nascimento

• Das 889 mães, 287 fumavam

• Identificaram 185 CpGs com metilação do DNA alterada

• FRMD4A, ATP9A, GALNT2 e MEG3

– genes implicados em processos relacionados à dependência de nicotina,

cessação do tabagismo e desenvolvimento placentário e embrionário

Manhattan plot of epigenome-wide results based on model 1. The

lower gray horizontal line marks genome-wide significance using

FDR q < 0.05 as a cutoff (n = 185 CpGs); the higher gray horizontal

line marks genome-wide significance using a Bonferroni correction

(n = 68 CpGs, p < 1.40 × 10–7). Blue crosses represent CpG sites that

met genome-wide significance (FDR q < 0.05) and showed decreased

methylation in infants whose mothers smoked. Red triangles represent

CpG sites that met genome-wide significance and showed increased

methylation in infants whose mothers smoked.

Álcool

• O álcool pode interferir no metabolismo da

metionina pela inibição da metionina

sintase

• O uso prolongado de álcool pode levar a

uma diminuição no nível de SAM dos

hepatócitos (S-acetilmetionina)

• Menor regulação miR-125 e miR-126 foi

observada no consumo de álcool

relacionado ao carcinoma hepatocelular

Scheme of methionine pathway. A metabolic pathway which represents the synthesis of

SAM through folate intake. SAM: S-adenosylmethionine; SAH: S-

adenosylhomocysteine.

Álcool

• Etanol induz a ativação do gene pelo

aumento na acetilação de histonas H3 e H4

Cesariana x parto vaginal

• Resultam em diferentes microbiomas inicialmente colonizando o

neonato,

– Cesariana: refletindo microbiota da pele materna e da superfície local

– Parto vaginal: refletindo microbiota vaginal materna

• Clinicamente, as crianças nascidas por cesariana são mais

susceptíveis a rinite, asma, diabetes mellitus tipo 1 e doença celíaca

• Parto vaginal

– Promove a produção de citocinas e receptores solúveis

– IL-6, IL-1β, sIL-2R, sIL4R, IFN-γ, TNF-α

– tanto no soro materno quanto no sangue do cordão umbilical neonatal,

Relacionados à ativação imune

Asma

• O desenvolvimento da asma pode iniciar

no útero.

• O tabagismo materno durante a gravidez

é um fator de risco bem conhecido e

significativo para a asma infantil

• Fumar na gravidez:

– asma, câncer, obesidade e diabetes tipo II

Depressão materna X neurodesenvolvimento

• O exon 6 do gene BDNF parece ser

particularmente sensível à modificação

epigenética de fatores ambientais relacionados

à depressão. • Fator Neurotrófico Derivado do Cérebro

– Especificamente, o estresse crônico resulta em

alterações epigenéticas nas histonas relacionadas ao

BDNF do hipocampo que reduzem a expressão

– O tratamento com o antidepressivo imipramina

resulta em alterações epigenéticas de histonas

associadas ao mesmo exon que aumentam as taxas

de expressão

• Revisão dos moduladores dos mecanismos epigenéticos como drogas

promissoras no tratamento do meduloblastoma (MB)

• Entretanto, há uma longa estrada ainda a percorrer

• Inespecíficos

• Epigenética dos subgrupos de MB (WNT, SHH, Grupo 3, Grupo 4)

• Permeabilidade da BHE

Epigenética

• Terapias baseadas na epigenética

• FDA/USA tem aprovado vários

medicamantos que atuam nos

mecanismos epigenéticos

• International Human Epigenome

Consortium

FDA-approved and on-clinical-trial epigenetic drugs for cancer therapy

especially for DNMT and HDAC inhibitors

• No núcleo paraventricular do hipotálamo, a resiliência ao

estresse social correlaciona-se com o status de

metilação do DNA do gene CRHs.

• O doador de metil SAM demonstrou ter efeitos

antidepressivos em humanos

• Muitas destas alterações são potencialmente reversíveis

por meio de intervenções ambientais ou farmacológicas

Mecanismos epigenéticos

• Polifenóis

• Estima-se que existem mais de 8000 polifenóis dietéticos distintos

• resveratrol (encontrado em uvas),

• epigalocatequina-3-galato (EGCG, em chá verde),

• sulforafano (SFN) em brócoles

• curcumina (em açafrão)

• O potencial na quimioprevenção do câncer parece ser

mediado por mecanismos epigenéticos

– inibição da atividade da DNMT e da HDAC

Doadores de metil• Folato

– a ingestão de folato na dieta está relacionada ao status

epigenético em mamíferos

• Metionina

– está envolvida na via metabólica da SAM e tem sido relacionada

com distúrbios hepáticos dependentes da epigenética

• Vitamina B12

– desempenha um papel importante no metabolismo dos

adipócitos, e sua deficiência leva ao aumento do colesterol total,

limitando a S-adenosil metionina

Doadores de metil

• Selênio

– capaz de modificar o status epigenético de células de câncer de

próstata e reduzir os níveis de DNA e histona de metilação

– tem sido sugerido para melhorar a prevenção do câncer através

da ativação de genes silenciados

Medicamentos

• O tratamento farmacológico também pode

induzir alterações epigenéticas em todo o

genoma.

• Valproato de sódio (VPA)

– Inibidor de HDAC

Medicamentos

• Procaína

– Anestésico local

– É agora conhecido por induzir a desmetilação do

DNA

• Pirazinamida

– Droga antituberculose clássica

– Altera a metilação do DNA

Stress X epigenética

• O estresse tem um impacto claro em

muitos tipos de mecanismos epigenéticos

moleculares

– modificações nas histonas

– metilação do DNA / hidroximetilação

– expressão de RNA não-codificante.

Stress X epigenética

• Poucos estudos avaliaram mecanismos

epigenéticos moleculares no contexto do

estresse adolescente

• Perspectiva: estudos que examinam a

interação do estresse na vida precoce com

o comportamento durante a adolescência.