Struktura chromatinu a epigenetické procesy v
Eva Bártová
Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Brno
Epigenetika podle
Wikipedie: je v moderním
slova smyslu vědní
podobor genetiky, jenž
studuje změny v genové
expresi, které nejsou
způsobeny změnou
nukleotidové sekvence
DNA. Epigenetické jevy
mohou být děděny z buňky
na buňku a z generace na
generaci, tedy jak při
mitóze, tak při meióze.
Genom včetně
epigenetických změn se
označuje jako epigenom.
Co je epigenetika?
Během posledních 50 let však samotný význam epigenetiky prošel
vývojem, a to z důvodů rostoucích znalostí v oblasti molekulární
biologie. Epigenetické principy jsou základem regulace exprese
genů u eukaryot. Je evidentní, že vzory genové exprese se velmi
liší mezi různými typy buněk a tyto vzory mohou být klonálně
zděděny (Gary Felsenfeld, Cold Spring Harb. Perspect Biol., 2014)
Riggs (1975) a Holliday a Pugh (1975) navrhli, že methylace DNA
může působit jako epigenetická značka, zodpovědná inaktivaci X
chromosome.
V roce 1956 zveřejnil britský vývojový biolog Conrad
Waddington svůj článek v časopise Evolution (Waddington,
1956), ve kterém se podařilo prokázat dědičnost znaků získaných
v populaci v reakci na environmentální podněty.
Methylace DNA je pojem, kterým rozumíme modifikaci nukleových bází
cytosinu a adeninu kovalentním připojením methylového zbytku.
Přítomnost 5-methyl cytosinu u eukaryot společně s post-translačními
úpravami histonů patří mezi epigenetické modifikace DNA, kteréžto
bez nutnosti změny genetického kódu regulují genovou expresi v dané
buňce.
Methylaci DNA, u savců tedy vznik 5-methyl cytosinu (5mC), katalyzují
enzymy zvané methyltransferázy, které přenášejí methyl (alkyl
methanu) z S-adenosyl-1-methioninu na pátý uhlík cytosinové báze.
https://neuroamer.com/
Epigenetické modifikace ve vztahu k inaktivaci X chromosomu
Chadwick nad Willard, PNAS, 101, p.17450-17455
Inaktivace X chromosomu ve vztahu k epigenetickým modifikacím
Inactivation of X chromosome in hESCs in comparison to MEFs
Bártová et al. (2008)
Epigenetika: Reverzibilní procesy v chromatinu, které jsou z
velké části dědičné, ale mohou nastat i v důsledku vlivů
prostředí (nebo vlivem epi-diety), což se většinou projevuje
změnami v procesech probíhajících v buněčném jádře.
Nedochází však ke změnám v sekvenci DNA.
Tyto děje se odráží ve fenotypu organizmu.
Epi-dieta - nutrigenetika kombinuje molekulární genetiku s vědou
o zdravé výživě.
Nutridieta (epi-dieta): Nově se rozšiřuje poznání v oblasti
epigenetiky a zde je důležité zjištění, že vlivy vnějšího prostředí,
jako např. výživa, mohou zásadním způsobem změnit aktivitu genů
řídících činnost mozku nebo diferenciaci střevních buněk.
Je to obecně považováno za jeden z největších objevů ve výzkumu
za posledních deset let.
Například kurkumin (nebo látky na bázi HDAC inhibitorů v potravě)
nedokáže přímo ovlivnit DNA, ale může ovlivnit genom
prostřednictvím zjištěných epigenetických mechanizmů, jako je
metylace DNA, acetylace, nebo další modifikace histonů, změny v
miRNA, a tím ovlivní, který gen se projeví a který nikoliv.
Joon et al., J. Cell Biol. (2018)
Co označujeme za epigenetické faktory
• Nomenklatura modifikací histonů: Brno nomenclature for
histone modifications (Turner, 2005)
• Definice epigenetiky: Cold Spring Harbor Laboratories
(CSHL) (2008)
Acetylace histonů je
katalyzována histon acetyltransferázami
(HATs). K
deacetylaci histonů
dochází za účasti histon
deacetyláz (HDACs).
HDACs odstraní
acetylskupinu, která je
nahrazena methyl skupinou
za účasti HMTs (Suv39H1human,
Clr4 – S.pombe)
2004: Objev demethylace
histonů za účasti aminové
oxidasy LSD1 (KIAA0601)
(Shi et al., Cell 2004).
LSD1 specificky
demethyluje H3 (K4),
epigenetickou modifikaci
zodpovědnou za
transkripční aktivitu.
Crystal structure of human MYST histone
acetyltransferase 3 in complex with
acetylcoenzyme A (Wu, et al. PDB database)
Inhibition of HATs and HDACs
Šustáčková et al. (2012) Bártová et al. (2005)
Varianty histonů
H1: varianty H1o, H5 a testis-specific varianta H1. Varianty H1 se různě
uplatňují během buněčného cyklu, diferenciace a vývoje. RA diferenciace
myších F9 je doprovázena zvýšenou transkripci histonu H1o.
H2A: H2A.X, H2A.Z, MacroH2A, H2A-Bbd, H2AvD, H2A.X. varianta H2A.Z
je konzervativní během evoluce. Macro H2A se vyskytuje u Xi, zatímco H2ABbd
u Xa chromosomu a autosomů. H2A.Z se vyskytuje v intergenických
oblastech.
H2B: nemá varianty, uplatňuje se při regulaci kondenzace chromatinu,
represi transkripce a během gametogeneze, H2B je zodpovědný za
uspořádání chromatinu u spermií.
Uspořádání chromatinu u somatických buněk a spermií
Krejčí et al., (2015)
Krejčí et al. (2015)
Mitochondrial Eve
Varianty histonu H3:
H3: existují dvě hlavní varianty H3.3 a
centromerické varianty H3 (cenH3) = CENP-A:
jsou zodpovědné za vazbu kinetochoru a
segregaci sesterských chromatid u eukaryot.
Phosphorylace CENP-A na Ser-7 je nezbytná pro
funkci kinetochoru.
Varianty histonů H4: většina genů kódujících hlavní histonové proteiny jsou
exprimovány během S fáze buněčného cyklu. V případě H4, geny jsou konstitutivně
exprimovány během buněčného cyklu. Pro H4 nejsou známy žádné varianty.
Histon H4
IMPRINTING
Myší embryo: samičí alela
je zamethylována, nevyjadřuje se
Dospělý jedinec: obě alely jsou
demethylovány
Gametogeneze: se obnoví původní
Stav. Platí pro gen IGF II.
ISSN1471-0056
Polycomb group proteins
Experiments of Gabriela Šustáčková
YujunGeorgeZheng
Biochemistry,OrganicChemistry
Metody vhodné ke studiu histonového kódu
1. imunofluorescence-konfokální mikroskopie
2. GFP-technologie
3. ChIP-PCR
4. ChIP-on-chip