NPO-4 Pokročilé metody v genomice a proteomice, NPO_MUNI_MSMT-16606/2022 EPIGENETIKA Miloslava Fojtová Molekulární komplexy chromatinu, Mendlovo centrum genomiky a proteomiky rostlin, CEITEC MU Národní centrum pro výzkum biomolekul, PřF MU fojtova@sci.muni.cz 2 dostupné na: https://bpsbioscience.com/ [vid. 19.6.2023] Epigenetická informace Mitoticky i meioticky děděné změny genové exprese, které nesouvisí se změnou primární struktury DNA Epigenetickou kontrolu zprostředkovávají • modifikace makromolekul; DNA a histonů: METHYLACE DNA MODIFIKACE (methylace, acetylace, fosforylace, ubiquitinace) histonových proteinů • malé a nekódující molekuly RNA • architektura chromatinu Regulace aktivity a exprese genů během vývoje a diferenciance, reakce na změněné podmínky Spojka mezi genotypem a fenotypem 3 4 převzato z: Ariv et al., Hypertension Res 2019 doi: 10.1038/s41440-019-0248-0 Epigeneze – Aristoteles, 384-322 př. n. l. individuální vývoj organismů souvisí s postupným růstem jejich komplexity (individuální tvorba tvarů během ontogeneze) X Proreformismus – ontogeneze je řízena předem danými strukturami individuální (ontogeneze; tvorba a vývin tvarů během životního cyklu individua) VÝVOJ historický (evoluce,fylogeneze; fixace tvarů – selekce, genetika) Historie termínu epigenetika 5 Historie termínu epigenetika Jean Baptiste Lamarck (1744-1829): • první pokus o výklad evoluční teorie • příroda se pod tlakem podmínek vyvíjí – teorie adaptivní evoluce • adaptivní změny jsou dědičné (teorie dědičnosti získaných znaků) August Weismann (1834-1914): • sledování dědičnosti indukovaných změn v somatické dráze • teorie divergence zárodečné a somatické dráhy – Weismannova bariéra Conrad Hal Waddington (1905-1975): • „epigenetika“, výsledná podoba organismu není předem absolutně daná, vzniká postupnými kreativními procesy • „epigenetická krajina“ 6 epigenetická krajina dostupné na: http://chreoda.nosquare.net/?page=chreoda&action=history&time=20080812-1446.bak [vid. 19.6.2023] Richard B. Goldschmidt (1878-1958) • fenotypová změna souvisí s vlivy prostředí • vzniká jen omezený počet fenotypů 7 Chromatin 8 dostupné na: https://www.genome.gov [vid. 19.6.2023] Převzato z učebnice Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008), obrázek 4-20 Převzato z učebnice Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008), obrázek 8-10 11 dostupné na: https://www.quora.com [vid. 19.6.2023] Převzato z učebnice Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008), obrázek 4-26 Stavy chromatinu Heterochromatin – vysoce spiralizovaný (kompaktní) chromatin; transkripčně neaktivní geny, repetitivní sekvence; oblast centromer, pericentromer a telomer Konstitutivní a fakultativní heterochromatin (methylovaná DNA, deacetylované histony, specifická methylace histonů) Euchromatin – rozvolněné uspořádání, obsahuje transkribující se geny (nemethylovaná DNA, acetylované histony, specifická methylace histonů) 13převzato z: Adock et al., Respiratory Res 2006 doi: 10.1186/1465-9921-7-21 Methylace DNA 14 Převzato z učebnice: B. Vyskot, Epigenetika (UP Olomouc, 2010) Methylace DNA Modifikace cytosinu v poloze 5, nejčastější modifikace DNA u eukaryot Postreplikativní modifikace SAM – S-adenosyl-methionin; v transmethylační reakci se konvertuje na S-adenosyl-homocystein 15 Methylace C v symetrických sekvencích – klíčové pro dědičnost methylačního obrazu - CpG (dublety) - CpHpG (triplety; rostliny; H = A,T,C) Distribuce methylace v genomech: převzato z: Chan et al., Nat Rev Genet 2005 doi.org/10.1038/nrg1601 16 Methylace DNA Methylace C v symetrických sekvencích – klíčové pro dědičnost methylačního obrazu - CpG (dublety) - CpNpG (triplety; rostliny) Methylace C v asymetrických sekvencích (rostliny, omezeně u živočichů) Distribuce methylace v genomech: Methylace DNA 17 převzato z: Chan et al., Nat Rev Genet 2005 doi.org/10.1038/nrg1601 Methylace DNA a exprese genů UMLČENÍ GENU TRANSKRIPČNÍ POSTTRANSKRIPČNÍ - inaktivní promotor (žádný transkript nebo pouze malé množství) - methylace DNA v oblasti promotoru - normální transkripční aktivita promotoru - nestabilní transkript - methylace DNA v transkribované oblasti (hlavně na 3´konci genu) dostupnéna:http://mmg-233-2014-genetics-genomics.wikia [vid.19.6.2023] upravenopodleKasinathanetal.,NatMethods2014 doi:10.1038/nmeth.2766 18 Živočišné DNA methyltransferázy Udržovací (maintenance): methylace hemimetylovaných vláken po replikaci DNA; cytosiny v symetrických motivech (správný embryonální vývoj, imprinting, inaktivace chr. X) de novo: methylace dosud nemethylovaných úseků; musí existovat podnět (třeba přítomnost regulačních molekul RNA-dokázáno pouze v rostlinách; interakce DNA-DNA v repeticích; neobvyklé struktury DNA)Dnmt2 - u savců, rostlin; Drosophila – slabá non-CG methylace v časných fázích vývoje; S. pombe – mutace, kóduje nefunkční protein, ale je exprimován 2006 - v savčích buňkách methyluje tRNA (Asp) převzato z: Bird A, Science 1999 doi:10.1126/science.286.5448.2287 DnmtL – DNA methyltransferázový motiv, katalyticky inaktivní Funkční kooperace s Dnmt3a/b, nezbytná pro genový imprinting 19 MET1 (Methyltransferase 1) - udržovací methylace cytosinů v dubletech CG; homolog Dnmt1 CMT2/3 (Chromomethylase 2/3) - methylace cytosinů v tripletech CHG; unikátní pro rostliny DRM2 (Domains Rearranged Methyltransferase 2) (DDM1 (Decrease in DNA methylation 1) – kóduje protein, který je součástí komplexu remodelujícího chromatin, role v udržování CG i non-CH methylace) Rostlinné DNA methyltransferázy 20 převzato z: Yaari et al., Nat Commun 2019 doi: 10.1038/s41467-019-09496-0 1. PASÍVNÍ – ne-funkce udržovacích methyltransferáz Inhibitory DNA methyltransferáz Analogy cytosinu: 5-aza-deoxycytidine zebularine DHPA: (S)-9-(2,3-dihydroxypropyl)adenin (inhibitor SAH-hydrolázy) homocysteinmethionin SAH hydroláza cytosin 5-methylcytosin DHPA Prof. Antonín Holý 21 Demethylace DNA 1. PASÍVNÍ – ne-funkce udržovacích methyltransferáz 2. AKTIVNÍ (v rostlinách) DEMETER (DME) REPRESOR OF SILENCING (ROS) DNA glykosylázová doména – odstraní 5-mC, lyáza otevře vlákno. Polymerázy a ligázy doplní mezeru. DME – vývoj rostliny; kontroluje parentální imprinting genů v endospermu – hypomethylace promotorů maternálních alel genů MEA (regulátor vývoje endospermu) a FWA (transkripční faktor, podílí se na kontrole doby kvetení). ROS – uvolňuje TGS transgenů s hypermetylovanými promotory převzato z: Kim and Zilbermann, Trends Plant Sci 2014 doi: 10.1016/j.tplants.2014.01.014 22 Demethylace DNA 1. PASÍVNÍ – ne-funkce udržovacích methyltransferáz 2. AKTIVNÍ (v živočišných buňkách) dostupné na: http://he-group.uchicago.edu [vid. 19.6.2023] 5-hmC 2006 – objeven v myších a lidských mozcích Funkce (?) v regulaci exprese genů, korelace s acetylací histonů (pozitivní epigenetické značka) TET – methylcytosine dioxygenase TDG /BER thymin DNA glycosylase / base excision repair 23 Demethylace DNA převzato z: Elhamamsy, Cell Biochem Funct 2016 doi: 10.1002/cbg.3183 Změny methylace DNA během vývoje - savci převzato z: Zeng and Chen, Genes 2019 doi: 10.3390/genes10040257 Změny methylace DNA během vývoje - rostliny převzato z: Han et al., Plants 2019 doi: 10.3390/plants8120564 Modifikace histonů Methylace – např. lysin v poloze 9 na histonu H3 (H3K9) Distribuce euchromatinových a heterochromatinových značek v Arabidopsis thaliana a myši (podle Fransz et al., Chromosome Res 2006; doi: 10.1007/s10577-005-1022-5) Modifika ce Stupe ň A. thaliana myš euchromati n hererochromat in euchromati n heterochromat in H3K9 mono - + + di - + + tri + - - + H4K20 mono - + + di + - + tri + - - + 5m-C - + - + Jde o druhově- a dokonce lokus-specifické, dynamické modifikace 27 Modifikace histonů Acetylace – přídavek acetylové skupiny kompenzuje kladný náboj lysinových zbytků – oslabení interakcí mezi DNA a histony Acetylovaný chromatin – euchromatin Deacetylovaný chromatin – heterochromatin Enzymy: histon acetyltransferázy histondeacetylázy 28 dostupné na: https://api.semanticscholar.org/CorpusID:59440563 [vid. 19.6.2023] 29 Writers, readers, erasers převzatoz:BiswasandRao,EurJPharmacol2018 doi:10.1016/j.ejphar.2018.08.021 30 Epigenetika a nemoci převzato z: Tzika et al., Front Genet 2018 https://doi.org/10.3389/fgene.2018.00361 31 Genomový imprinting dostupné na: https://geneticeducation.co.in/the-molecular-mechanism-of-genomic-imprinting/?utm_content=cmp-true [vid. 19.6.2023] 32 Genomový imprinting Imprintovaný klastr genů na v oblasti 11p15.5 převzato z: Monk et al., Nat Rev Genet 2019 doi: 10.1038/s41576-018-0092-0 33 1 / 10 500 - 13 700 novorozenců dostupné na: https://www.verywellhealth.com [vid. 19.6.2023] Beckwith-Wiedemannův syndrom 34 Algelmanův syndrom 1 / 15 000 - 20 000 novorozenců dostupné na: https://cureangelman.org [vid. 19.6.2023] • novorozenci mají problém s příjmem potravy • problémy s rovnováhou • motorické poruchy (nekteří nechodí) • záchvaty • poruchy spánkového rytmu • usměvavá tvář, trhané pohyby „happy puppets“ (šťastné loutky) oblast q11-13 maternálního chromozómu 15 Prader-Williho syndrom: Defekt ve stejné oblasti, gen SNRPN (normálně je aktivní P kopie), porucha funkce hypothalamu • extrémní problémy s krmením nebo • extrémní chuť k jídlu • snížení svalového tonusu – problémy s motorikou Epigenetika a nádory převzato z: Chen et al., Oncology Reports 2013 https://doi.org/10.3892/or.2013.2913 Epigenetika a nádory převzato z: Tsai and Baylin, Cell Res 2011 doi: 10.1038/cr.2011.24 Epigenetika a nádory převzato z: Tsai and Baylin, Cell Res 2011 doi: 10.1038/cr.2011.24 Epigenetika a nádory převzato z: Dawson and Kouzarides, Cell 2012 doi: 10.1016/j.cell.2012.06.013 Epigenetika a nádory EPICUP – diagnostický systém založený na epigenetickém profilování Analýza methylace DNA – časná identifikace primárních nádorů neznámého původu (cancers of unknown origin – CUP) Počet vzorků pro „trénování“: 2 790 „validaci“: 7 691 38 typů nádorů, platí i pro velkou většinu metastáz. převzato z: Moran et al., Lancet Oncol 2016 doi: 10.1016/S1470-2045(16)30297-2 Epigenetika a nádory převzato z: Ibrahim et al., Eur J Cancer 2023 https://doi.org/10.1016/j.ejca.2022.10.015 Epigenetika a nádory převzato z: Ibrahim et al., Eur J Cancer 2023 https://doi.org/10.1016/j.ejca.2022.10.015 Epigenetika a závislosti Převzato z: Kaplan et al., Front Genet 2022 doi: 10.3389/fgene.2022.806685 43 Pinterest blog post by Caroline Relton