Epigenetyczna kontrola
ekspresji genu
Epigenetyczna kontrola
ekspresji genu
Epigenetyka
Oznacza naukę o mechanizmach
różnicowanie i rozwoju organizmów
Zajmuje się badaniem dziedziczności
pozagenowej oraz zjawisk
towarzyszących ekspresji genów
Epigenetyka c.d.
Bada mechanizmy rozwojowe prowadzące do
powstawania cech dziedzicznych nie
związanych z mutacjami (dziedziczność
pozagenowa - niezwiązana z sekwencja DNA)
Przykłady:
mechanizmy wyciszania transkrypcji
inaktywacja chromosomu X
wyciszanie ekspresji w rejonach centromerów i
telomerów
Dziedziczność pozagenowa -
przykłady
kontrola transpozycji transpozonów i
retrotranspozonów - przez metylację DNA
dziedziczenie związane z prionami (u drożdży)
dziedziczenie mitochondrialne
(niemendlowskie)
interferencja RNA
Mechanizmy molekularne
epigenetyki
Metylacje
Acetylacje
Fosforylacje
dotyczy głównie histonów i DNA
ma wpływ na aktywność genów
Metylacja
Dodanie grupy metylowej do zasady azotowej, zwykle
cytozyny (czasem adeniny), powstaje 5-metylocytozyna
katalizowana przez metylazy DNA
np. metylacja histyny 9 w histonie H3
spadek ekspresji genów
czasem metylacja może powodować wzrost ekspresji
wzrost metylacji części regulatorowej genu (promotora)
spadek ekspresji genu
Uważa się że metylacja jest skutkiem procesu
wyciszania transkrypcji, a nie jego przyczyną.
Metylacja c.d.
Odpowiada za:
Imprinting rodzicielski (zapobieganie partenogenezie)
Inaktywacja chromosomu X w komórkach samic ssaków
łożyskowych
Regulacja ekspresji genu (co pozwala na różnicowanie
komórek i tkanek)
Modulacja struktury chromatyny (euchromatyna -
heterochromatyna)
Metylacja c.d.
Jest odpowiedzialna za różnicowanie komórek i tkanek
wzór metylacji ustala się tylko raz w danej komórce (linii
komórek) i jest przekazywany w kolejnych rundach
replikacyjnych (dokonują tego metylazy DNA zdolne do
rozpoznawania hemimetylowanego DNA - tylko 1 nić
zmetylowana)
wzór metylacji jest wymazywany w zygocie i przywracany
przed gastrulacją
jest on ustalany zgodnie z płcią osobnika!
kobiety i mężczyźni mają inne wzory metylacji (w rejonach
niektórych genów)
u ssaków ok. 5% DNA jest stale zmetylowane
Imprinting
Imprinting genomowy, rodzicielskie piętno genomowe,
naznaczenie genetyczne - polega na różnym stopniu metylacji
genów w komórkach jajowych i komórkach plemnikowych. Gen jest
metylowany na allelu pochodzącym od jednego z rodziców. Nakładanie
imprintingu zachodzi w czasie gametogenezy. (matczyny - podczas
dojrzewania oocytu, ocjowski - w spermatocytach I rzędu) Wtedy jest
znoszony wzór metylacji odziedziczony po rodzicach i nakładany nowy,
zależny od płci. Do zmetylowanego nukleotydu nie mogą się
przyczepić czynniki transkrypcyjne, co powoduje wyciszenie genu.
Zjawisko to pozwala zapobiegać partenogenezie, która jest możliwa u
niewielkiej liczby gatunków (np. u pszczół) i powoduje zmniejszenie
zmienności organizmów. Imprinting jest wynikiem konkurencji
materiału genetycznego żeńskiego (przekazywanie genów,
wychowanie potomstwa) i męskiego (odżywianie i rozwój zarodka).
Imprinting c.d.
Gdy z zygoty u myszy, przed zlaniem się jąder komórkowych
plemnika i komórki jajowej usuwa się przedjądrze męskie i
wprowadza żeńskie, to zarodek zamiera na skutek
niedorozwoju trofoblastu, a gdy usuwa się przedjądrze żeńskie
i wprowadza męskie - zarodek zamiera na skutek niedorozwoju
zarodka.
Przykładowo imprintingowi ulegają geny:
IGF2 - insulinopodobny czynnik wzrostu; pracuje głównie w
macicy, ale niezmetylowany jest allel ojcowski
H19 - gen, który wycisza ekspresję Igf2 i ustala się równowaga
w rozwoju zarodka między genomem męskim i żeńskim.
Hipermetylacja wysp CpG
wyspy CpG normalnie pozostają niezmetylowane.
konsekwencją hipermetylacji jest wyciszenie funkcji genów
supresorowych
Przykładem może być hipermetylacja promotora genu p16 (INK4A),
która występuje w wielu nowotworach. p16 jest inhibitorem kinazy
cyklinozależnej, który negatywnie reguluje przejście komórki z fazy G1
do S. Zatem nieprawidłowa ekspresja prowadzi do zaburzeń cyklu
komórkowego i utratą kontroli nad nim, co stymuluje proliferację i
wpływa na rozwój nowotworu.
Metylacja zależy od typu nowotworu w przypadku następujących genów:
– BRCA1- rak piersi i jajników
– hMLH1- rak odbytu, endometrium, żołądka
– p73 i p15 w białaczce
Inaktywacja chromosomu X u kobiet
Zachodzi ok. 16 dnia po zapłodnieniu
skondensowany chromosom X tworzy ciałko Barra
(grudka chromatyny płciowej)
dochodzi do niej losowo - w jednych komórkach
wyciszany jest X od matki, w innych od ojca
(mozaicyzm)
dzięki temu kobiety znacznie rzadziej chorują na
zaburzenia sprzężone z chromosomem X (bo mają 2
rodzaje kopii chromosomu X - w części komórek
matczyną, w innych - ojcowską, produkt genu z jednej
populacji komórek zwykle wystarcza na prawidłowe
funkcjonowanie lub lżejszy przebieg zaburzeń)
Inaktywacja chromosomu X - podstawy
molekularne
Proces ten przebiega wskutek:
– hipermetylacji lizyny 9 histonu H3
– deacetylacji histonów
– metylacjii DNA
regulują go cząsteczki RNA - produkty genu Xist
(regulacja pamięci epigenetycznej)
nieaktywny chromosom X jest reaktywowany w linii
płciowej
– zanik ekspresji genu Xist
– w profazie 1. podziału mejotycznego
Zaburzenia epigenetyczne
Zespół łamliwego chromosomu X
Z. Retta
Z. Praddera-Williego
Z. Angelmana
Z. BWS (zespół uszkodzenia imprintingu genów
ojcowskich)
Z. ICF (defekt acetylotransferazy)
Z. ATR-X (zaburzenia metylacji)
niektóre nowotwory - zaburzenia imprintingu
arterioskleroza - zaburzenia różnicowania
komórek mięśni gładkich
Zespół Retta
Mutacja w genie MECP2 (locus Xq28)
dziedziczenie dominujące (sprzężone z X)
często spontaniczna mutacja (zdrowa rodzina)
produkt białkowy steruje pracą genów:
– produkcji mózgowego czynnika wzrostu nerwów
– mitochondrialnych
u chłopców bardzo ciężkie uszkodzenie - wada letalna
więc przeżywają prawie wyłącznie dziewczynki!
– nasilona dyspraksja (problemy z poruszaniem się)
– ruchy stereotypowe w obrębie kończyn górnych
– upośledzenie umysłowe