Epigenetika – pojítko mezi geny a prostředím - seminář Kateřina Straková k.strakova@med.muni.cz Epigenetické značky: A. způsobují změnu nukleotidové sekvence DNA B. zahrnují přidání -CH3 skupiny na specifické báze v DNA C. zahrnují post-translační modifikace histonů, například jejich acetylaci a methylaci D. jsou tvořeny kovalentními modifikacemi, a proto je nelze odstranit E. mají vždy za následek umlčení genové exprese F. se většinou při mitóze dědí do dceřiných buněk 01:49 Not Voted:43 (43,0%) Epigenetické značky: A. způsobují změnu nukleotidové sekvence DNA B. zahrnují přidání -CH3 skupiny na specifické báze v DNA C. zahrnují post-translační modifikace histonů, například jejich acetylaci a methylaci D. jsou tvořeny kovalentními modifikacemi, a proto je nelze odstranit E. mají vždy za následek umlčení genové exprese F. se většinou při mitóze dědí do dceřiných buněk Epigenetické značky - chemické modifikace DNA a histonů, které nemají vliv na sekvenci DNA - methylace cytosinu v DNA - modifikace histonů - acetylace - methylace - fosforylace - ubikvitinace - … - ovlivňují prostorové uspořádání chromatinového vlákna, a tím také expresi genů cytosin methylovaný cytosin methyl- transferáza - existují specializované enzymy (writers), které katalyzují připojení těchto značek - stejně tak lze ale tyto značky odstranit (většinou buď aktivně působením jiných enzymů – erasers, nebo se to někdy může samo „pasivně vyředit“ při následujících replikacích) Epigenetické značky a jejich vliv na expresi genů Acetylace histonů - rozvolňuje strukturu chromatinu (a tím zvyšuje intenzitu genové exprese) 1) tím, že odebírá kladný náboj z histonů 2) tím, že mění tvar a náboj histonů, také indukuje vazbu dalších proteinů (readers), které dále ovlivňují expresi HDAC (histon deacetyláza)HAT (histon acetyltransferáza) Epigenetické značky a jejich vliv na expresi genů Methylace cytosinů v DNA - potlačuje genovou expresi 1) tím, že neumožňuje vazbu transkripčních faktorů na promotor 2) tím, že methylovaný cytosin indukuje modifikace histonů vedoucí ke kondenzované struktuře chromatinu (např. deacetylaci histonů) - děje se v CpG sekvencích (cytosinový nukleotid vedle guaninového oddělené fosfátem) - CpG sekvence jsou v lidském genomu nahloučené v místech, kterým se říká „CpG ostrovy“ – ty se vyskytují často v promotorech – u house-keepingových genů, jsou aktivně udržovány demethylované a udržují tak stálou expresi těchto genů (ostatní epigenetické značky mohou mít různé důsledky a nelze je takto zjednodušit) geny kódující proteiny nebo funkční RNA, které jsou potřeba ve všech buňkách našeho těla (například geny pro RNA-polymerázu, rRNA, …) - výsledná kombinace všech epigenetických značek ovlivňuje tvar a náboj modifikovaného místa a je „čtena“ vazbou proteinových komplexů (readers), které mohou vyvolat různé odpovědi (nejenom změny v genové expresi, ale mohou také rozšířit danou modifikaci na právě vznikající sesterskou chromatidu nebo do sousedních oblastí chromatinu, či indukovat opravu DNA) - jejich připojení/odebrání je katalyzováno na základě buněčné signalizace (vedoucí k aktivaci writerů/eraserů) kovalentní modifikace (značka) na konci histonu čtecí komplex (reader complex) proteiny vážící se na specifické histonové modifikace na nukleozomu proteinové lešení ČTECÍ KOMPLEX SE NAVÁŽE A UMOŽNÍ VAZBU DALŠÍCH PROTEINŮ komplex proteinů s katalytickou aktivitou a s dalšími vazebnými místy připojení k dalším proteinům v jádře, vedoucí ke genové expresi, umlčení exprese nebo k jiným biologickým funkcím Epigenetické značky indukují komplexní odpovědi Epigenetické značky: A. se mohou měnit řízeně při normálním vývoji organismu B. obsažené v gametách rodičů se většinou dědí do somatických buněk jejich dětí C. v gametách a v somatických buňkách jednoho člověka jsou stejné D. v neuronech a v jaterních buňkách jsou u jednoho člověka stejné E. ve vajíčku a ve spermii se liší F. se mohou měnit v závislosti na buněčné signalizaci Epigenetické značky: Not Voted:45 (45,0%) 01:30 A. se mohou měnit řízeně při normálním vývoji organismu B. obsažené v gametách rodičů se většinou dědí do somatických buněk jejich dětí C. v gametách a v somatických buňkách jednoho člověka jsou stejné D. v neuronech a v jaterních buňkách jsou u jednoho člověka stejné E. ve vajíčku a ve spermii se liší F. se mohou měnit v závislosti na buněčné signalizaci Dynamika methylace genomové DNA ② krátce po oplození probíhá rozsáhlá demethylace genomu – většina epigenetických značek je vymazána (imprinting ale zůstává a některé geny tak budou nadále exprimovány pouze z jedné alely) ① každá gameta si s sebou přináší specifické epigenetické značky (včetně rozdílné methylace genomu specifické pro spermii/vajíčko – genomický imprinting) ③ následně probíhá vlna všeobecné methylace, která znemožní expresi většiny specializovaných genů (promotory house-keepingových genů ale zůstávají demethylované) - tato methylace (nebo absence methylace) se dědí při následujících buněčných děleních - během vývoje organismu se postupně diferencují specializované buněčné linie – diferenciace zahrnuje změnu epigenetických modifikací, které v dané buněčné linii zapnou expresi potřebných genů - ve výsledku mají různé buněčné typy methylované (a jinak modifikované) různé geny ④ v budoucích zárodečných buňkách proběhne další rozsáhlá demethylace, která odstraní i imprinting – poté je indukována nová methylace, specifická pro spermie nebo pro vajíčko (nový imprinting – gametově specifický) ⑤ kromě imprintingu ale gamety (a všechny ostatní buňky našeho těla) mohou získávat další epigenetické modifikace – některé se transgeneračně dědí, ale většina ne http://missinglink.ucsf.edu/lm/genes_and_genomes/imprinting.html http://medgen.genetics.utah.edu/photographs.htm spermie vajíčko X delece X Produkty těchto genů úplně chybí (od otce deletované, od matky umlčené imprintingem) spermie vajíčko X delece XProdukty těchto genů úplně chybí (od matky deletované, od otce umlčené imprintingem) Prader-Williho syndrom Otcovský chromozom 15 s delecí (zahrnující oba imprintované úseky) spárovaný s maternálně imprintovaným chromozomem 15 vyústí v PraderWilliho syndrom. Angelmanův syndrom Mateřský chromozom 15 s delecí (zahrnující oba imprintované úseky) spárovaný s paternálně imprintovaným chromozomem 15 vyústí v Angelmannův syndrom. Imprinting se po oplození nevymaže, bude tlumit genovou expresi po zbytek života BUNĚČNÁ SIGNALIZACE ZMĚNA EPIGENETICKÝCH MODIFIKACÍ DIFERENCIACE (aktivace writerů/eraserů) ZMĚNA GENOVÉ EXPRESE Klinický případ • chlapec 3 roky • opožděný psychomotorický vývoj, hyperaktivita • zvětšené odstáté uši, protáhlý obličej • má staršího bratra s podobnými symptomy Co navrhujete vyšetřit? Diagnóza: Syndrom fragilního X • karyotyp • molekulárně biologická DNA diagnostika (většinou PCR) 220 kopií repetice „CGG“ v promotoru genu FRM1 (standardní počet je okolo třiceti – liší se v různých rodinách) normální chromozom X „fragilní“ chromozom X konstrikce 46,XY,fra(X)(q27.3) Syndrom fragilního X - čím vyšší úroveň methylace DNA, tím těžší forma syndromu - nejčastější dědičná forma mentální retardace - vzniká z důvodu expanze repetic trinukleotidu CGG v promotoru genu FRM1 – díky tomu je promotor rozpoznán DNA methyltransferázou, která promotor methyluje a tím umlčí expresi tohoto genu - ve zdravých buňkách vzniká expresí FRM1 protein FRMP, který potlačuje expresi některých genů v neuronech - nevzniká-li funkční FRMP, těchto proteinů vznikne nadbytek a to dereguluje vývoj a fungování nervové soustavy (histon deacetyláza) Epigenetické značky: A. se mohou změnit, pokud jsou buňky vystaveny účinku cizorodých chemických látek B. se mohou změnit, pokud je organismus stresován nedostatečnou výživou C. se mohou patologicky změnit a tím přispět ke vzniku rakoviny D. v buňkách jednovaječných dvojčat jsou všechny stejné E. v gametách mohou ovlivnit predispozice k některým onemocněním u následujících generací 01:29 Not Voted:48 (48,0%) Epigenetické značky: A. se mohou změnit, pokud jsou buňky vystaveny účinku cizorodých chemických látek B. se mohou změnit, pokud je organismus stresován nedostatečnou výživou C. se mohou patologicky změnit a tím přispět ke vzniku rakoviny D. v buňkách jednovaječných dvojčat jsou všechny stejné E. v gametách mohou ovlivnit predispozice k některým onemocněním u následujících generací Environmentální stimuly mohou skrze buněčnou signalizaci indukovat epigenetické změny - tyto změny mohou ovlivnit, jak intenzivně se určité geny budou exprimovat. Epigenetické modifikace se mohou měnit v důsledku vnějších vlivů BUNĚČNÁ SIGNALIZACE ZMĚNA EPIGENETICKÝCH MODIFIKACÍ DIFERENCIACE (aktivace writerů/eraserů) ZMĚNA GENOVÉ EXPRESE CHEMICKÉ LÁTKY (přijaté zvenčí nebo vytvořené naším tělem na základě našeho chování) změna fenotypu predispozice k chorobám rakovina S věkem se zvětšují rozdíly v epigenetických modifikacích v buňkách jednovaječných dvojčat Vlevo: V chromozomech (1, 3, 12 a 17) jednovaječných dvojčat byla analyzována intenzita methylace DNA metodou komparativní genomové hybridizace. Žluté regiony jsou sekvence, které jsou methylovány stejně intenzivně u obou dvojčat. Zelené a červené regiony jsou sekvence, které jsou methylovány s různou intenzitou.Dvojčata ve věku 3 let Dvojčata ve věku 50 let Epigenetické modifikace získané během vývoje nás mohou ovlivnit po zbytek života Vliv výživy plodu na fenotyp včely STRAVA mateří kašička STRAVA výživa dělnice rychlejší vývoj (13 dní) pomalejší vývoj (18 dní) MATKA DĚLNICE http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/rats/ Glukokortikoidový receptor (GR) v neuronech snižuje hladinu stresu (stresový hormon kortizol se váže na GR a spouští signalizaci, která utlumí tvorbu dalšího kortizolu)  mateřská péče v prvním týdnu života vede k demethylaci promotoru genu pro GR  po celý život vzniká v neuronech více glukokortikoidového receptoru  při setkání se stresem se daný potkan rychleji "uklidní"  málo péče na začátku života vede k většímu množství stresu v dospělosti  ovlivnění exprese stovky dalších genů Epigenetické modifikace získané během vývoje nás mohou ovlivnit po zbytek života Vliv mateřské péče na hladinu stresu u potkanů mládě mládě vychovávané úzkostlivou, málo pečující matkou, vyroste v úzkostlivého dospělce mládě vychovávané uvolněnou, dobře pečující matkou, vyroste v pohodového dospělce injekce chemické látky, která přidává methylovou skupinu uvolněné opečovávané mládě úzkostlivý dospělec - význam stravy bohaté na donory methylové skupiny (vitamín B12, methionin, kyselina listová) The role of Bisphenol A in shaping the brain, epigenome and behavior Vliv maternální diety v těhotenství Některé modifikace se mohou dědit do následujících generací geneticky identické myši F0, F1, F2 – 3 po sobě jdoucí generace matka krmena bisfenolem A posun ke žluté barvě srsti barva srsti přetrvává matka krmena folátem (donor methylu) posun k barvě srsti pseudo- agouti barva srsti přetrvává žlutá pseudo- agouti skvrnitá methylace DNA v lokusu agouti u potomstva Gen Agouti obézní predisponovaná k rakovině a diabetu štíhlá zdravá methylové skupiny Žena, která kouří v těhotenství, může epigeneticky ovlivnit až 2 budoucí generace svých potomků - nalezená souvislost např. s obezitou.  životní styl může ovlivňovat genovou expresi následujících generací Některé modifikace se mohou dědit do následujících generací Generace I Generace II Generace III - moderní, rozvinutá země, přesné záznamy, follow-up pacientů => jedinečná kohorta U sourozenců, kteří zažili hladomor in utero (ve srovnání s ostatními sourozenci): Ale i transgenerační vliv: vyšší prevalence obezity a diabetu II. typu změny v metabolismu glukózy změny v lipidovém profilu defekty neurální trubice schizofrenie Změny v methylaci IGF2? (insulin-like growth factor 2, ovlivňuje růst embrya; maternálně imprintovaný) Hladomor v Holandsku v zimě 1944/1945 (Dutch famine, Hongerwinter) horší pokud k expozici došlo během 1. trimestru vývoje plodu vs. I II III hladovění během 1. trimestru I II III Některé modifikace se mohou dědit do následujících generací Vlivy paternální prekoncepční expozice alkohol (chronická i akutní expozice) => méně potomstva, menší porodní váha, hyperaktivita, menší mozek i další orgány, kognitivní a behaviorální defekty, náchylnost k infekcím vysokotučná dieta => deregulace β-buněk slinivky u samičích potomků => vyšší BMI, poruchy metabolismu glukózy, insulinová rezistence (lze upravit cvičením otce) nízkoproteinová dieta => změny v metabolismu lipidů a cholesterolu kokain => poruchy učení a paměti stres => behaviorální defekty https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4913293/ častá souvislost se sníženou aktivitou DNA methyltransferáz => hypomethylace a aktivace běžně „vypnutých“ genů Ale na potomstvo se přenášejí i epigenetické modifikace ve spermiích ...pokud nejsou po oplození vymazány http://www.tylervigen.com/spurious-correlations Korelace nezaručuje kauzalitu  K čemu je epigenetika dobrá? Proč se evolučně vyvinula? - obecně aby se mohla různými způsoby regulovat genová exprese - dynamicky v závislosti na akutní potřebě buňky, ale i stabilně pro vytvoření nějaké formy buněčné paměti (diferenciace) - také ve specifických případech jako je mateřsky-otcovská kompetice při růstu embrya (genomický imprinting) nebo kompenzace genové dávky (inaktivace X) - abychom mohli přizpůsobit svoje chování a metabolismus měnícím se podmínkám prostředí - rychlejší adaptace než skrze klasické evoluční adaptační strategie (variabilita potomstva, mutace a následná selekce) - někdy nás mohou tyto modifikace sloužící zřejmě primárně k adaptaci ve výsledku znevýhodnit (ostatně stejně jako variabilita a mutace) Transgenerační přenos epigenetických značek u lidí je stále velmi kontroverzní