Epigenetika Boris Výskot Oddělení vývojové genetiky, Biofyzikálni ústav Akademie věd ČR, Brno Jsou stejné a přitom tak rozdílné: tyto dvě myši mají zcela shodnou genetickou konstituci, liší se jen v rozdílné funkci jediného genu (Agouti), který odpovídá za barvu srsti Epigenetika je negeneticky kódovaná informace (tj. mimo sekvence nukleotidů) je , s neurčitou pravděpodobností, tj. s neúplnou penetrancí a/nebo variabilní expresivitou přenášena mitoticky v průběhu ontogeneze a/nebo do (fenotypu) pohlavního potomstva Penetrance vyjadřuje pravděpodobnost, s jakou se gen (vloha) projeví ve fenotypu následné generace Expresivita je míra projevu příslušného genu Mendel si do svých pokusů zásadně vybíral jen ty znaky, které měly vysokou penetranci a stabilní míru projevu ... semeno květ lusk stonek tvar dělohy barva tvar barva umístění velikost • co Q _ šedý& kulatý žluté bílá plný žlutý lusky a květy podél stonku dlouhý ® CO q m bílý& svrasklý zeleně fialová přiškrcený zelený koncové lusky, vrcholový květ krátký 1 2 3 4 5 6 7 ...v praxi je tomu ovšem často jinak. Znaky (geny) mívají různě vysokou penetranci a variabilní míru projevu. • Epigenetika pojednává o regulacích funkce genů. • Hlavními komponentami buněčného jádra (chromatinu) jsou DNA a proteiny (histony) a tyto bývají často chemicky modifikovány. • Tyto modifikace vedou ke změně struktury chromatinu, což se odráží v aktivaci nebo inaktivaci příslušných genů. Chromatin je tvořen především DNA a histony Histone tail The fundamental unit of chromatin is the nucleosome, which consists of -147 base pairs of DNA wrappecRround a core histone octamer (-1.65 turns). Each octamer contains two copies each of the histones H2A, H2B, H3 and H4 The nucleosomal struc- ture of chromatin allows DNA to be tightly packaged into the nucleus by organized folding5. Intricate chromatin remodelling mechanisms ensure that DNA remains accessible to the transcriptional machinery. These epigenetic mechanisms alter gene activity by modulating DNA-protein interactions without changing the genetic code. Histone Chemické modifikace DNA: metylace cytozinu vede k umlčování genů adice metylové skupiny (CH3) na 5. uhlík cytozinu cvtozin 5-metvlcvtozin NH2 I DNA metyltransferáza 3 N C-CH °"C\N/C H S-adenosylmetionin °^C\N/C H 1. t Epigenetické umlčování nemetylovaný promotor 5' transkripční faktor hypermetylovaný promotor CH, CH3 ChY 5' hypermetylovaný promotor (kondenzovaný) transkripční faktor gen transkripce mRNA gen \7 gen translace 3' protein kondenzace promotoru chromatin 3' umlčení genu Histony jsou často chemicky modifikovány, což ovlivňuje expresi genů EPIGENEZE dividuální vývoj organismů spočívá v postupném vzrůstu jejich komplexity Aristoteles (384-322 př.Kr.) EPIGENETIKA kombinuje ... genetiku (studium dědičného materiálu nacházejícího se v zygotě) a vývojovou biologii (studium změn, ke kterým dochází v postzygotickém období - epigeneze) Conrad Waddington (1905-75) EPIGENETICKE JEVY PŘEDSTAVUJÍ VÝJIMKY Z MENDELOVÝCH ZÁKONŮ Gregor Mendel (1822-1884) John Maynard Smith (1920-2004) 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 Praotec epigenetiky: Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) a jeho filozofie dědičnosti získaných znaků 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) Snížená metylace DNA rozlišuje některé nádory člověka od normálních tkání Cancer epigenetics takes center stage Andrew P. Feinberg Institute of Genetic Medicine, Departments of Medicine, Molecular Biology and Genetics, and Oncology, Johns Hopkins University School of Medicine, 1064 Ross, 720 Rutland Avenue, Baltimore, MD 21205 Next year will mark 20 years since I developed a Southern blot showing altered DNA methylation in cancer. This discovery (1) was met with some skepticism, primarily because it was thought that aberrant methylation in cancer was an epiphenomenon, somehow linked to a generalized disruption of gene regulation in cancer cells and arising after the cancer, rather than playing a causal role itself. This essay will address how cancer epigenetics has overcome these objections, and a report in this issue by Nakagawa etal. (2) adds significantly to this argument. methylation of CpG islands (5), CpG-rich sequences in the promoters of housekeeping genes that are generally protected from methylation. This hypermethylation may lead to aberrant silencing of tumor suppressor genes (6). In addition, we and others have discovered loss of imprinting (LOI) in cancer (7, 8). Genomic imprinting, the subject of the report by Nakagawa et al. (2), is an epigenetic modification of a specific parental allele of a gene, or the chromosome on which it resides, in the gamete or zygote, leading to differential expression of the two alleles of the gene in Genetics CTCT DMR Epigenetics OBJEV ROKU 1984 GENOMOVÝ (PARENTÁLNÍ) IMPRINTING injection of male nucleus Si female removal \ ^ M fertilisation If.) Davor Solter Azim Surani zygote male removal female injection activation M M w androgenesis gynogenesis parthenogenesis (Philadelphia) (Cambridge) Otcovské a mateřské genomy nejsou shodné: jen kombinace těchto dvou (odlišných) genomů vede k řádnému vývoji savčího embrya Prolog Genetika je podstatně složitější 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 (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) zygota časné embryo Náhodné umlčování jednoho chromozomu X u samic savců Klonování jedinci| cestou přenosu buněčného jádra do vaječné buňky náhradní matky • Náhodná inaktivace jednoho chromozomu X (mateřského resp. otcovského) v somatických buňkách samiček savců (lyonizace, Barrovo tělísko) 0 GENOMOVÝ (RODIČOVSKÝ) IMPRINTING => pohlavně specifická modifikace genů v generaci rodičů vede k funkčním rozdílům mezi paternálním a maternálním genomem (alelami) v potomstvu Parentální imprinting je umlčování genů v následné generaci způsobené modifikací chromatinu imprinting je závislý na pohlaví rodiče imprintový záznam je obvykle stabilní po celý život . v J materna ni jedince """" + imprinting není závislý na pohlaví potomstva imprintový záznam se vymaže před meiozou - . - , a znovu nastaví paternaini d[e pohlaví jedince Tina dominant alleles A dislikes spicy foods B normal risk of cancer C proficient at crossword puzzles female imprinted gene imprint egg sperm Tim's Tim's genotype phenotype Aa dislikes spicy foods high risk of cancer proficient at crossword puzzles Tom m recessive alleles 3 likes spicy foods b high risk of cancer 0 not especially good at crossword puzzles male imprinted gene Dědičnost je řízena mendelisticky ■ I epigeneticky ... 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 somatic cell Teorie rodičovského konfliktu souboj mezi matkou a potomstvem in utero paternálně exprimované geny podporují prenatální růst maternálně exprimované geny jsou růstovými supresory David Haig (Harvard 1991) maternal imprinting limits use of maternal resources by baby in utero paternal imprinting maximizes use of maternal resources by baby in utero vítězná MATKA: pohádka o Palečkovi vítězný OTEC : pohádka o Otesánkovi Chybný imprint P-alely (insulinový růstový faktor) či M-alely (růst suprimující H19-RNA) vede k Beckwith-Wiedemannově syndromu (aneb příběh Otesánka) Nejčastější příčina „epigenetických" chorob: uniparentální dizomie O (a) standardní kombinace oocyt diploidní (b) chyba v meioze standardní spermie oocyt zygota spermie trizomická embryogenéze maternální dizomie vzrůst trpasličí Příklad výskytu mutace v paternálně umlčovaném genu: O O O • • o ^oba rodiče zdravy mutantní otec ^ mutantní matka ^ paternální imprinting lokusu ve filiální generaci zdravé dítě dítě - přenašeč postižené dítě = umlčený gen | = mutovaný gen Založení a vymazání genomového imprintingu u savců imprinting v diploidních somatických buňkách vymazání imprintingu v diploidních zárodečných buňkách založení nového imprintu při gametogenezi o otec spermie (samčí imprinting) zygota (a somatické linie následující generace) Q = exprimovaný gen | = umlčený gen Beckwith-Wiedeman Parentální imorintinq růstových faktorů: převaha otce (chr11) Russel-Silver převaha matky (chr7) Prader-Willi Parentální imorintinq qenového shluku (chrl 5): paternální delece Angelman maternální delece Martin-Bell X-chromosom vázané mentální retardace: metylace CGG — - Rett mC-vazebný protein retroelement agouti eumelanin ^^^^ phaeomelanin it hair-cycle-specific Agouti coding exons non coding exons Agouti Viable Yellow - epigenetický mozaicismus : metylace retroelementu vede k umlčení ektopické exprese žlutá myš : hypometylace retroelementu >. ektopická exprese agouti MĚk tmavá myš : hypermetylace etroelementu umlčení agouti Fenotypová (maternální) dědičnost genu Agouti Viable Yellow Avy/a x a/a výsledky reciprokých křížení s recesívním mutantem Emma Whitelaw (Sydney 1999) žádný vliv paternálního fenotypu maternální fenotyp ovlivňuje složení potomstva 1 39% 43% 18% 57% 43% 42% 42% 16% 44% 47% 9% i 40% 46% 14% 40% 40% 20% O Mexprese, <^ skvrnitá (intermediátní) ^» pseudoagouti (téměř černá, nízká exprese) Klasifikace epigenetických jevů podle (i) mediátoru přenosu informace - (m)DNA, RNA, histony, jiné proteiny ? (ii) pravděpodobnosti jevu - obligatórni, stochastické (iii) vzdálenosti přenosu informace - mitotický bookmarking, meiotická transmise One Epigenetic Mechanism for Repressing Transcription 5-azacytidin, butyrát dědičná pohlavní reverse u knotovky bílé sameček hermafrodit Paramutable possibilities Vol 441 25 May 2006 doi;10.1038/nature04674 nature RNA-mediated non-mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse Minoo Rassoulzadegan1'2, Valérie Grandjean1,2, Pierre Gounon3, Stéphane Vincent1,2t, Isabelle Gillot1'2 & Francois Cuzin1,2 Paramutation is a heritable epigenetic modification induced in plants by cross-talk between allelic loci. Mere we report a similar modification of the mouse Kit gene in the progeny of heterozygotes with the nu II mutant Kit"1"** (a lacZ insertion). In spite of a homozygous wild-type genotype, their offspring maintain, to a variable extent, the white spots characteristic of Kit mutant animals. Efficiently inherited from either male or female parents, the modified phenotype results from a decrease in Kit messenger RNA levels with the accumulation of non-polyadenylated RNA molecules of abnormal sizes. Sustained transcriptional activity at the postmeiotic stages—at which time the gene is normally silent-leads to the accumulation of RNA in spermatozoa. Microinjection into fertilized eggs either of total RNA from Kit ,miAlf/i heterozygotes or of K/t-specific microRNAs induced a heritable white tail phenotype. Our results identify an unexpected mode of epigenetic inheritance associated with the zygotic transfer of RNA molecules. Klasifikace epigenetických jevů podle (i) mediátoru přenosu informace - (m)DNA, RNA, histony, jiné proteiny ? (ii) pravděpodobnosti jevu - variabilní penetrance a expresivita (777) vzdálenosti přenosu informace - mitotický bookmarking, meiotická transmise Náhodná epigenetická variabilita Příklad: divergence epigenotypu v průběhu starnutí v somatických liniích buněk člověka QOverexpressed ■ Repressed Klasifikace epigenetických jevů podle (i) mediátoru přenosu informace - (m)DNA, RNA, histony, jiné proteiny ? (ii) pravděpodobnosti jevu - variabilní penetrance a expresivita (Hi) časové vzdálenosti přenosu - mitotický bookmarking, meiotická transmise Buněčná paměť - Gene bookmarking je epigenetický proces, kterým mitoticky se dělící buňky přenášejí specifické stavy svých genových aktivit Localization of Polycomb protein on Drosophila polytene chromosomes Maternální programování epigenetických stavů Maternální péče jako model „experience-dependent chromatin plasticity glukokortikoidní receptor - DNA-metyltransferáza stresová psychika stabilní psychika potomstva dospelého potomstva VLIV VNĚJŠÍCH FAKTORŮ ??? Umlčování genů prostřednictvím potravy obsahující dvouvláknovou RNA! Timmons and Fire - Nature 295: 854, 1998 Baktérie exprimující dsRNA GFP-exprimující červi .... ....pojídající ....pojídající standardní baktérie baktérie exprimující GFP dsRNA O barvě myšího kožíšku rozhoduje i dieta matky v těhotenství Av/a cj standardní výživa 6$ Ayy/a Nedostatečný CH3-metabolismus gravidní samičky nezajistí metylaci paternálního transposonu ... ektopická exprese Agouti žlutá srst > Agouti retroelement O barvě myšího kožíšku rozhoduje i dieta matky v těhotenství metylačně bohatá výživa Maternální CH3 metabolismus-podporující dieta zvyšuje metylaci paternálního genomu v potomstvu ... přirozená exprese genů ^^^^^^ Aw/a retroelement hnědá srst Methyl donor supplementation No supplementation Tyto dvě myši mají stejný genotyp (>Wa) i fenotyp (pseudoagouti)... ale odlišné potomstvo ^ Germ cells carry the epigenetic benefits of It! grandmother's diet Craig A. Cooney* Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of Arkansas for Medical Sciences, Little Rock, AR 72205 Epigenetické „mezigenerační" programování porodní váhy a rizika ke kardiovaskulárním chorobám původní environmentálni vliv v době těhotenství drogy, léky, choroby, výživa, chování matky, postnatální péče ... permanentní programování funkcí dítě nízká porodní váha přenos epigenetického stavu do další generace vzrůst... maternálního kortisolu, insulinu, maternálního krevního tlaku ... dospělec (matka) zvýšené riziko kardiovaskulárních chorob, hormonální aktivita, stres další předávání epigenetického programu (DNA metylační záznam) dospělec progresivní udržování / stabilizace "syndromu choroby" Epigenetics: A Landscape Takes Shape Aaron D. Goldberg,1 C. David Allis,1* and Emily Bernstein1'* 'Laboratory of Chromatin Biology, The Rockefeller University, New York, NY 10021, USA "Correspondence: alliscd@rockefeller.edu (C.D.A.), bernste@rockefeller.edu (E.B.) DO110.1016/j.cell.2007.02.006 Epigenetics has recently evolved from a collection of diverse phenomena to a defined and far-reaching field of study. In this Essay, we examine the epistemology of epigenetics, provide a brief overview of underlying molecular mechanisms, and suggest future challenges for the field. ChR = remodelatory chromatinu DNMT = DNA metyltransferazy HAT = histon acetyltransferazy HDAC = histon deacetylazy HMT = histon metyltransferazy HDM = histon demetylazy DDM = DNA demetylazy TF = transkripcnf faktory http://wwwJbp.cz/cs/oddeleni/ vyvojova-genetika-rostlin/ e-learning/epigenetika/