Medicínské aspekty epigenetiky
Boris Vyskot
Oddělení vývojové genetiky, Biofyzikální ústav AV ČR v Brně
Negeneticky kódovaná informace
(tj. mimo sekvence nukleotidů) je
přenášena mitoticky v průběhu ontogeneze
a/nebo do (fenotypu) pohlavního potomstva.
Negeneticky kódovaná informace
(tj. mimo sekvence nukleotidů) je
přenášena mitoticky v průběhu ontogeneze
a/nebo do (fenotypu) pohlavního potomstva.
s neurčitou pravděpodobností,
tj. s neúplnou penetrancí
a/nebo variabilní expresivitou
kombinuje …
preformistickou genetiku
(studium dědičného materiálu
nacházejícího se v zygotě)
a vývojovou biologii
(studium změn, ke kterým dochází
v postzygotickém období - epigeneze)
individuální vývoj organismů spočívá
v postupném vzrůstu jejich komplexity
Aristoteles
(384-322 př.Kr.)
Conrad Waddington
(1905-75)
EPIGENEZE
EPIGENETIKA
Gregor Mendel John Maynard Smith
(1822-1884) (1920-2004)
EPIGENETICKÉ JEVY
PŘEDSTAVUJÍ VÝJIMKY
Z MENDELOVÝCH ZÁKONŮ
Princip NEZÁVISLÉ SEGREGACE ALEL : dvě odlišné alely – paternálního a
maternálního původu – v heterozygotu při meiose segregují a v nezměněné
podobě se přenášejí do potomstva …..
….. Alely se mohou podrobovat vzájemným interakcím, které mají za následek
dědičnou změnu jejich exprese : PARAMUTACE
Pravidlo IDENTITY RECIPROKÝCH KŘÍŽENÍ : pohlaví rodičů nemá vliv na
dědičnost (expresi) genu …..
….. Některé genomy, chromosomy či lokusy jsou v průběhu gametogeneze
sex-specificky reverzibilně modifikovány, což vede k jejich umlčení
ve filiální generaci : PARENTÁLNÍ IMPRINTING
Robin Holliday
Nová teorie karcinogeneze
(Brit J Cancer, 1979)
Dědičnost epigenetických defektů
… a new definition of epigenetics …
(Science, 1987)
Andrew P. Feinberg and Bert Vogelstein (Nature, 1983)
Hypometylace DNA rozlišují
některé nádory člověka
od normálních tkání
OBJEV ROKU 1984
GENOMOVÝ (PARENTÁLNÍ) IMPRINTING
Davor Solter Azim Surani
(Philadelphia) (Cambridge)
Evoluce spočívá ve zdědění Modely duálního
změn individuálního vývoje systému dědičnosti
… the role of epigenetics in evolution …
Richard B. Goldschmidt John Maynard Smith
“Weismannova bariéra” (1889): somatické změny získané v
průběhu života neovlivňují reprodukční buňky či potomstvo
evoluce
ontogeneze, embryogeneze,
vývojová biologie
(genotyp, transmisní genetika, zárodečná dráha )
(soma, fenotyp)
Po selekci se dědí (přenáší) genotyp,
selekce se však realizuje na bázi fenotypu …
Rostliny a nižší živočichové tuto bariéru nemají !
Craig Mello,
Andrew Fire
2006: NOBELOVA CENA
SELEKTIVNÍ UMLČOVÁNÍ GENŮ
PROSTŘEDNICTVÍM
dsRNA INTERFERENCE
červi Caenorhabditis tvořící Escherichia coli
fluoreskující protein produkující dsRNA
Prolog
Genetika je podstatně složitejší než jsme si mysleli.
Současný pokrok v epigenetice oživuje
filozofii zatracovaného Lamarcka.
Bude rehabilitováno kacířství ?
GENETIKA
nauka o dědičnosti
znaků či vloh,
přenos informace
klasická genetika na
bázi „naivních“ genů
/DNA (Mendel, Weismann,
Watson, Crick)
epigenetika
na bázi „jiné“ informace
(dědičnost stavů regulace exprese
genů: Waddington, Holliday)
Murray Barr Mary Lyon X-vázaný gen pro pigment
(1949) (1961)
(Ne)náhodná heterochromatinisace jednoho chromosomu X
u samic savců
zygota časné embryo
Barrovo
tělísko
Murray Barr Mary Lyon X-vázaný gen pro pigment
(1949) (1961)
(Ne)náhodná heterochromatinisace jednoho chromosomu X
u samic savců
zygota časné embryo
Barrovo
tělísko
Jak se jmenovala první klonovaná kočka
získaná přenosem jádra do vaječné buňky ?
Zita
Žofie
Marie-Terezie
Sisi
Proč se klonované kočce říkalo SiSi?
„cc“ (cloned cat)
„cc“ (anglický výraz pro „čiči“)
„cc“ (carbon copy)
pocta manželce císaře Františka-Josefa
matka dcera SiSi
náhradní matka
• Náhodná inaktivace jednoho
chromozomu X (maternálního resp.
paternálního) v somatických buňkách
samiček savců
(lyonizace,
Barrovo tělísko)
pohlavně specifická modifikace genů v parentální
generaci vede k funkčním rozdílům mezi
paternálním a maternálním genomem (alelami) v potomstvu
GENOMOVÝ (PARENTÁLNÍ) IMPRINTING
maternální paternální
Parentální imprinting je reversibilní umlčování genů
ve filiální generaci způsobené modifikací chromatinu
imprinting je imprinting není
závislý na pohlaví závislý na pohlaví
rodiče potomstva
imprintový imprintový
záznam je záznam se
obvykle vymaže
stabilní před meiosou
po celý život a znovunastaví
jedince dle pohlaví jedince
Dědičnost
řídí epigenetika
i
mendelismus
… některé geny se
dědí mendelisticky
(A/a, dominance
versus recesivita)
… jiné jsou imprintovány
(dědičnost závisí na
pohlaví rodiče
z kterého je alela
přenášena
– b paternálně,
- c maternálně)
David Haig
(Harvard 1991)
Teorie parentálního konfliktu
souboj mezi matkou a potomstvem in utero
paternálně exprimované geny podporují prenatální růst
maternálně exprimované geny jsou růstovými supresory
vítězná MATKA : vítězný OTEC :
pohádka o Palečkovi pohádka o Otesánkovi
Chybný imprint P-alely (insulinový růstový faktor) či
M-alely (růst suprimující H19-RNA) vede k BeckwithWiedemannově
syndromu (aneb příběh Otesánka)
P
M
P
M
normál
BWS
Igf2 H19
Russell-Silverův syndrom :
maternální disomie chromosomu 7
- růstová retardace in utero
- postnatální růstová deficience
- asymetrický dwarfismus
POTLAČUJE MATKA
VÝVIN SVÝCH DĚTÍ ?
aneb příběh Palečka
bialelický gen
maternálně
exprimovaný
paternálně
exprimovaný
biparentální maternální paternální
kombinace UPD UPD
Genomový imprinting a uniparentální disomie
M P M M P P
(a) (b)
+ +
oocyt spermie oocyt spermie
diploidní zygota trizomická
embryogeneze
maternální
dizomie
standardní vzrůs vzrůst trpasličí
x x x
oba rodiče zdraví mutantní otec mutantní matka
paternální imprinting lokusu ve filiální generaci
m p m p m p
zdravé dítě dítě – přenašeč postižené dítě
imprinting v diploidních
somatických buňkách
vymazání imprintingu
v diploidních
zárodečných buňkách
založení nového imprintu
při gametogenezi
zygota (a somatické linie
následující generace)
oocyt spermie
matka otec
dítě
(syn nebo dcera)
„Maternální“ Kaguya (Nature 428: 860, 2004):
vyřazení imprintovaných genů může vést k vývinu
plodné myši partenogenetického původu
Klonování savců vede k poruchám imprintingu
Rudolf Jaenisch
… imprinting
Severino Antinori
… klonování
Parentální imprinting u rostlin : maternální efekt genu
MEDEA
... příběh
Otesánka
Ueli Grossniklaus
(Zurich 1998)
wt-alela: kontrola (redukce)
embryonální proliferace
wt
wt
MM/-
mm/-
DEMETER řídí maternální expresi genu MEDEA
(DNA glykosyláza)
Steve Jacobsen
(UCLA 2002)
DME / DME dme / DME dme / dme
abort
viabilní
GUS GFP
exprese
v centrální
buňce
samičího
gametofytu
Carl Linnaeus Charles Darwin Enrico Coen
(1744) (1868) (1999)
Vznik a dědičnost rostlinných monster (epimutace)
metylace?
Linnaeus … pelorie u lnice, historicky první
doložená mutace?
Darwin … křížení normálních a pelorických forem
v F2 127:37 (Variation of Animals and Plants
under Domestication)
Coen … hypermetylace homologu genu Cycloidea
Beckwith-Wiedeman Russel-Silver
Prader-Willi Angelman
Martin-Bell Rett
Parentální imprinting
růstových faktorů:
převaha otce (chr11) převaha matky (chr7)
Parentální imprinting
genového shluku (ch15):
paternální delece maternální delece
X-chromosom vázané
mentální retardace:
metylace CGG mC-vazebný protein
Příklad maternálního imprintingu
Prader-Willi:
V prezentovaném příkladu je metylována
(a umlčována = imprintována) maternálně
zděděná alela. Paternální alela metylována
není a je standardně exprimována.
V jiných lokusech tomu může být obráceně:
maternálně zděděná alela metylována není,
zatímco paternální alela je metylována a
umlčována.
CH3
CH3
CH3
časné
zárodečné
buňky
pozdní
zárodečné
buňky
CH3CH3
CH3
somatické buňky
CH3 CH3
Imprinting!
rodiče
Obraz maternální imprintingové
metylace
Prader-Williův syndrom
V tomto případě je exprimována vždy pouze
paternálně zděděná alela.
Je proto lhostejné, jestliže je přítomna
mutace, která eliminuje expresi maternálně
děděné alely.
Mutace eliminující expresi paternálně
děděné alely má však důsledek v projevu
choroby.
U normálního individua má metylace
za následek blokádu exprese.
somatické
buňky
CH3
CH3
CH3 CH3CH3
CH3
rodiče
somatické buňkyčasné zárodečné
buňkypozdní buňky
nepostižení
nepostižení
CH3
CH3
pacienti
s Prader-Williovým
syndromem
retroelement
hair-cycle-specific Agouti coding exons
non coding exons
Agouti Viable Yellow - epigenetický mozaicismus :
metylace retroelementu vede k umlčení ektopické exprese
žlutá myš : tmavá myš :
hypometylace hypermetylace
alely Avy alely Avy
ektopická umlčení agouti
exprese = pseudoagouti
agouti
eumelanin phaeomelanin
agouti
Fenotypová (maternální) dědičnost
Viable Yellow
Avy/a x a/a
výsledky
reciprokých křížení
s recesívním
mutantem
Emma Whitelaw
(Sydney 1999)
standardní
výživa
Nedostatečný CH3-metabolismus
gravidní samičky nezajistí metylaci
paternálního transposonu
… ektopická exprese Agouti
Avy / a
žlutá srst
retroelement
metylačně
bohatá výživa
Maternální CH3 metabolismus-podporující
dieta zvyšuje metylaci paternálního
genomu v potomstvu
… přirozená exprese genů
Avy / a
hnědá srst
retroelement
Tyto dvě myši mají stejný genotyp (Avy/a) i fenotyp (pseudoagouti) … ale odlišné potomstvo
více jedinců s fenotypem pseudoagouti více žlutých myší
Klasifikace epigenetických jevů podle
(i) mediátoru přenosu informace
- (m)DNA, RNA, histony, jiné proteiny ?
(ii) pravděpodobnosti jevu
- obligatorní, stochastické
(iii) vzdálenosti přenosu informace
- mitotický bookmarking, meiotická transmise
dědičná pohlavní reverse
sameček hermafrodit
5-azacytidin, butyrát
Klasifikace epigenetických jevů podle
(i) mediátoru přenosu informace
- (m)DNA, RNA, histony, jiné proteiny ?
(ii) pravděpodobnosti jevu
- variabilní penetrance a expresivita
(iii) vzdálenosti přenosu informace
- mitotický bookmarking, meiotická transmise
Neúplná penetrance a variabilní expresivita
epi-lokusu vedou i k mozaikovému fenotypu
Stochastická epigenetická variabilita
Příklad: divergence epigenotypu v průběhu stárnutí
v somatických liniích buněk člověka
Klasifikace epigenetických jevů podle
(i) mediátoru přenosu informace
- (m)DNA, RNA, histony, jiné proteiny ?
(ii) pravděpodobnosti jevu
- variabilní penetrance a expresivita
(iii) vzdálenosti přenosu informace
- mitotický bookmarking, meiotická transmise
PcGBuněčná
paměť – Gene bookmarking
je epigenetický proces, kterým mitoticky se dělící
buňky přenášejí specifické stavy svých genových aktivit
Maternální programování epigenetických stavů
Maternální péče jako model „experience-dependent chromatin plasticity“
mateřská péče o novorozence
(lízání a mazlení)
DOBRÁ MATEŘSKÁ PÉČE
exprese genu kódujícího
glukokortikoidní receptor STABILNÍ
PSYCHIKA POTOMSTVA
DNA-metyltransferáza
ŠPATNÁ MATEŘSKÁ PÉČE
nízká exprese genu GR,
STRESOVÁ PSYCHIKA
DOSPĚLÉHO POTOMSTVA
DNA
demetylázy
histon-acetyltransferázy
serotonin
mozkový transmitter
mozkový transkripční faktor
cyklický adenosin monofosfát
protein kináza A
EPIGENETIKAA LIDSKÉ CHOROBY
[1] PORUCHY IMPRINTINGU
Beckwith-Wiedemannův syndrom
Russell-Silverův syndrom
Angelmanův syndrom
Prader-Williův syndrom
Pseudohypoparatyreóza
[2] PORUCHY METYLACE DNA
Imunodeficience ICF syndrom
Metyléntetrahydrofolát reduktáza
Rettův syndrom
[3] PORUCHY STRUKTURY CHROMATINU
Schimkeho imunoskeletální dysplázie
Rubinstein-Taybiho syndrom
Facioscapulohumerální svalová dystrofie
[4] X-VÁZANÉ EPIGENETICKÉ PORUCHY
Martin-Bellův syndrom
Mentální retardace vázaná na α-thalasemii
Cofflin-Lowryho syndrom
[5] NÁDOROVÉ BUJENÍ
Wilmsův renální tumor
FRAGILNÍ HROMOSOM X
(Martin-Bellův syndrom)
q27.3
normální X má 6-60 tripletů CGG v 5'UTR genu FMR1 :
(CGG)10AGG(CGG)9AGG(CGG)9
muži-přenašeči nesou premutaci mezi 60 and 200 kopiemi
M-B pacienti mají přes 200 kopií repetice
Epigenetické „intergenerační“ programování porodní váhy
a rizika ke kardiovaskulárním chorobám
původní environmentální vliv
v době těhotenství
drogy, léky, choroby, výživa, chování matky,
postnatální péče …
dítě
nízká porodní váha
dospělec (matka)
zvýšené riziko kardiovaskulárních
chorob, hormonální aktivita, stres
permanentní programování
funkcí
přenos epigenetického stavu
do další generace
vzrůst … maternálního kortisolu, insulinu,
maternálního krevního tlaku …
další předávání
epigenetického programu
(DNA metylační záznam)
dospělec
progresivní udržování /
stabilizace
“syndromu choroby”
Epigenetické změny zahrnující metylace DNA vedou k nádorovému
růstu prostřednictvím různých mechanizmů
ztráta metylace hydrolytická deaminace
vede k nestabilitě metylC vede
genomu k bodové mutaci
hypermetylace promotorů vede metylace CpG zesiluje vazbu
k dědičnému umlčování a k chemických karcinogenů k DNA
inaktivaci nádorových supresorů a zvyšuje rychlost UV-indukovaných mutací
… samičky hrotnatky Daphnia
si po ataku predátora vytvářejí
ochrannou přílbu, tento znak
pak přenášejí do potomstva
… rostliny ohnice Raphanus raphanistrum
v reakci na požer housenkou Pieris rapae
syntetizují odpudivé hořčičné látky, znak
přetrvává minimálně do další generace
Meiotický přenos epigenetického stavu (fenotypu)
aneb environmentální indukce dědičných změn
- genotrofy u lnu (vliv podnebí a výživy na větvení)
bez hnojení bez hnojení
F1, F2, …
hnojení bez hnojení
F1, F2, …WT
F0
F0
LIN specific sequence
- vývojové abnormality drosofily
způsobené deficiencí heat-shock proteinů
Vliv environmentálních faktorů
Tepelný šok navozuje fenokopie
vzorce zbarvení křídel motýlů (Aglais urticae)
Richard B. Goldschmidt
(1879-1958)
středoevropská heat-shock fenokopie Sardinská
varianta připomínající formu ze Sardinie varianta
možné výsledné fenotypy (kanalizace)
Waddington: Diferenciace je epigenetický proces
ovlivňovaný prostředím
… adaptivní změny genové exprese mohou být za určitých
podmínek v ontogenezi stabilizovány (asimilovány)
… evoluce je fixace ontogenetických změn
ChR = remodelátory chromatinu
DNMT = DNA metyltransferásy
HAT = histon acetyltransferásy
HDAC = histon deacetylásy
HMT = histon metyltransferásy
HDM = histon demetylásy
DDM = DNA demetylásy
TF = transkripční faktory
NeGenetika: zdánlivá maternální dědičnost šedivosti
myšího kožíšku ve stáří je způsobena přenosem viru leukémie
v mateřském mléce (virus nevstupuje do gamet)
tato myška věkem šediví tato myška věkem nešediví
pregnantní šedivá matka
porod císařským řezem a kojení náhradní matkou