Medicínské aspekty epigenetiky. Boris Vyskot Oddělení vývojové genetiky, Biofyzikální ústav AV ČR v Brně

Transkript

1 Medicínské aspekty epigenetiky Boris Vyskot Oddělení vývojové genetiky, Biofyzikální ústav AV ČR v Brně

2 Negeneticky kódovaná informace (tj. mimo sekvence nukleotidů) je přenášena mitoticky v průběhu ontogeneze a/nebo do (fenotypu) pohlavního potomstva.

3 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.

4 EPIGENEZE individuální vývoj organismů spočívá v postupném vzrůstu jejich komplexity Aristoteles ( př.kr.) EPIGENETIKA kombinuje preformistickou genetiku (studium dědičného materiálu nacházejícího se v zygotě) a vývojovou biologii (studium změn, ke kterým dochází v postzygotickém období - epigeneze) Conrad Waddington ( )

5 EPIGENETICKÉ JEVY PŘEDSTAVUJÍ VÝJIMKY Z MENDELOVÝCH ZÁKONŮ Gregor Mendel John Maynard Smith ( ) ( ) 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

6 Robin Holliday Nová teorie karcinogeneze (Brit J Cancer, 1979) Dědičnost epigenetických defektů a new definition of epigenetics (Science, 1987)

7 Andrew P. Feinberg and Bert Vogelstein (Nature, 1983) Hypometylace DNA rozlišují některé nádory člověka od normálních tkání

8 OBJEV ROKU 1984 GENOMOVÝ (PARENTÁLNÍ) IMPRINTING Davor Solter Azim Surani (Philadelphia) (Cambridge)

9 Richard B. Goldschmidt John Maynard Smith Evoluce spočívá ve zdědění změn individuálního vývoje Modely duálního systému dědičnosti the role of epigenetics in evolution

10 Po selekci se dědí (přenáší) genotyp, selekce se však realizuje na bázi fenotypu (soma, fenotyp) ontogeneze, embryogeneze, vývojová biologie evoluce (genotyp, transmisní genetika, zárodečná dráha ) Weismannova bariéra (1889): somatické změny získané v průběhu života neovlivňují reprodukční buňky či potomstvo Rostliny a nižší živočichové tuto bariéru nemají!

11 Craig Mello, Andrew Fire 2006: NOBELOVA CENA SELEKTIVNÍ UMLČOVÁNÍ GENŮ PROSTŘEDNICTVÍM dsrna INTERFERENCE červi Caenorhabditis tvořící Escherichia coli fluoreskující protein produkující dsrna

12 Prolog Genetika je podstatně složitejší 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 /DNA (Mendel, Weismann, Watson, Crick) epigenetika na bázi jiné informace (dědičnost stavů regulace exprese genů: Waddington, Holliday)

13 Murray Barr Mary Lyon X-vázaný gen pro pigment (1949) (1961) Barrovo tělísko zygota časné embryo (Ne)náhodná heterochromatinisace jednoho chromosomu X u samic savců

14 Murray Barr Mary Lyon X-vázaný gen pro pigment (1949) (1961) Barrovo tělísko zygota časné embryo (Ne)náhodná heterochromatinisace jednoho chromosomu X u samic savců

15

16 Jak se jmenovala první klonovaná kočka získaná přenosem jádra do vaječné buňky? Zita Žofie Marie-Terezie Sisi

17 Proč se klonované kočce říkalo SiSi? cc (cloned cat) cc (anglický výraz pro čiči ) cc (carbon copy) pocta manželce císaře Františka-Josefa

18 matka dcera SiSi náhradní matka

19 Náhodná inaktivace jednoho chromozomu X (maternálního resp. paternálního) v somatických buňkách samiček savců (lyonizace, Barrovo tělísko)

20 GENOMOVÝ (PARENTÁLNÍ) IMPRINTING pohlavně specifická modifikace genů v parentální generaci vede k funkčním rozdílům mezi paternálním a maternálním genomem (alelami) v potomstvu

21 Parentální imprinting je reversibilní umlčování genů ve filiální generaci způsobené modifikací chromatinu imprinting je závislý na pohlaví rodiče imprinting není závislý na pohlaví potomstva imprintový záznam je obvykle stabilní po celý život jedince maternální paternální imprintový záznam se vymaže před meiosou a znovunastaví dle pohlaví jedince

22 Dědičnost řídí epigenetika i mendelismus 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)

23 Teorie parentálního konfliktu souboj mezi matkou a potomstvem in utero paternálně exprimované geny podporují prenatální růst maternálně exprimované geny jsou růstovými supresory David Haig (Harvard 1991) vítězná MATKA : vítězný OTEC : pohádka o Palečkovi pohádka o Otesánkovi

24 Chybný imprint P-alely (insulinový růstový faktor) či M-alely (růst suprimující H19-RNA) vede k Beckwith- Wiedemannově syndromu (aneb příběh Otesánka) P M normál P BWS M Igf2 H19

25 Russell-Silverův syndrom : maternální disomie chromosomu 7 - růstová retardace in utero - postnatální růstová deficience - asymetrický dwarfismus POTLAČUJE MATKA VÝVIN SVÝCH DĚTÍ? aneb příběh Palečka

26 Genomový imprinting a uniparentální disomie biparentální maternální paternální kombinace UPD UPD bialelický gen maternálně exprimovaný paternálně exprimovaný M P M M P P

27 (a) (b) + + oocyt spermie oocyt spermie diploidní zygota trizomická embryogeneze maternální dizomie standardní vzrůs vzrůst trpasličí

28 x x x oba rodiče zdraví mutantní otec mutantní matka paternální imprinting lokusu ve filiální generaci m p m p m p zdravé dítě dítě přenašeč postižené dítě

29 imprinting v diploidních somatických buňkách matka otec vymazání imprintingu v diploidních zárodečných buňkách založení nového imprintu při gametogenezi oocyt spermie dítě (syn nebo dcera) zygota (a somatické linie následující generace)

30 Maternální Kaguya (Nature 428: 860, 2004): vyřazení imprintovaných genů může vést k vývinu plodné myši partenogenetického původu

31 Klonování savců vede k poruchám imprintingu Rudolf Jaenisch imprinting Severino Antinori klonování

32 Parentální imprinting u rostlin : maternální efekt genu MEDEA... příběh Otesánka wt Ueli Grossniklaus (Zurich 1998) wt wt-alela: kontrola (redukce) embryonální proliferace MM/- mm/-

33 DEMETER řídí maternální expresi genu MEDEA (DNA glykosyláza) DME / DME dme / DME dme / dme abort viabilní Steve Jacobsen (UCLA 2002) exprese GUS v centrální GFP buňce samičího gametofytu

34 Vznik a dědičnost rostlinných monster (epimutace) Carl Linnaeus Charles Darwin Enrico Coen (1744) (1868) (1999) Linnaeus pelorie u lnice, historicky první doložená mutace? Darwin křížení normálních a pelorických forem v F2 127:37 (Variation of Animals and Plants under Domestication) metylace? Coen hypermetylace homologu genu Cycloidea

35 Beckwith-Wiedeman Parentální imprinting růstových faktorů: převaha otce (chr11) Russel-Silver převaha matky (chr7) Prader-Willi Parentální imprinting genového shluku (ch15): paternální delece Martin-Bell X-chromosom vázané mentální retardace: metylace CGG Angelman maternální delece Rett mc-vazebný protein

36 Příklad maternálního imprintingu Prader-Willi: V prezentovaném příkladu je metylována (a umlčována = imprintována) maternálně zděděná alela. Paternální alela metylována není a je standardně exprimována. V jiných lokusech tomu může být obráceně: maternálně zděděná alela metylována není, zatímco paternální alela je metylována a umlčována.

37 rodiče Obraz maternální imprintingové CH3 metylace somatické buňky CH3 CH3 Imprinting! CH3 časné pozdní zárodečné zárodečné buňky buňky CH3 CH3 CH3

38 Prader-Williův syndrom V tomto případě je exprimována vždy pouze paternálně zděděná alela. Je proto lhostejné, jestliže je přítomna mutace, která eliminuje expresi maternálně děděné alely. Mutace eliminující expresi paternálně děděné alely má však důsledek v projevu choroby. U normálního individua má metylace za následek blokádu exprese.

39 nepostižení CH3 CH3 CH3 rodiče somatické časné zárodečné buňky buňky pozdní buňky CH3 CH3 nepostižení CH3 somatické buňky CH3 CH3 pacienti s Prader-Williovým syndromem

40 retroelement eumelanin agouti phaeomelanin hair-cycle-specific Agouti coding exons non coding exons Agouti Viable Yellow - epigenetický mozaicismus : metylace retroelementu vede k umlčení ektopické exprese žlutá myš : tmavá myš : hypometylace hypermetylace alely Avy alely Avy ektopická umlčení agouti exprese = pseudoagouti agouti

41 Fenotypová (maternální) dědičnost Viable Yellow A vy /a x a/a výsledky reciprokých křížení s recesívním mutantem Emma Whitelaw (Sydney 1999)

42 standardní výživa A vy / a Nedostatečný CH 3 -metabolismus gravidní samičky nezajistí metylaci paternálního transposonu ektopická exprese Agouti retroelement žlutá srst

43 metylačně bohatá výživa A vy / a Maternální CH 3 metabolismus-podporující dieta zvyšuje metylaci paternálního genomu v potomstvu retroelement přirozená exprese genů hnědá srst

44 více jedinců s fenotypem pseudoagouti více žlutých myší Tyto dvě myši mají stejný genotyp (A vy /a) i fenotyp (pseudoagouti) ale odlišné potomstvo

45 Klasifikace epigenetických jevů podle (i) mediátoru přenosu informace - (m)dna, RNA, histony, jiné proteiny? (ii) pravděpodobnosti jevu - obligatorní, stochastické (iii) vzdálenosti přenosu informace - mitotický bookmarking, meiotická transmise

46

47 5-azacytidin, butyrát dědičná pohlavní reverse sameček hermafrodit

48

49 Klasifikace epigenetických jevů podle (i) mediátoru přenosu informace - (m)dna, RNA, histony, jiné proteiny? (ii) pravděpodobnosti jevu - variabilní penetrance a expresivita (iii) vzdálenosti přenosu informace - mitotický bookmarking, meiotická transmise

50 Neúplná penetrance a variabilní expresivita epi-lokusu vedou i k mozaikovému fenotypu

51 Stochastická epigenetická variabilita Příklad: divergence epigenotypu v průběhu stárnutí v somatických liniích buněk člověka

52 Klasifikace epigenetických jevů podle (i) mediátoru přenosu informace - (m)dna, RNA, histony, jiné proteiny? (ii) pravděpodobnosti jevu - variabilní penetrance a expresivita (iii) vzdálenosti přenosu informace - mitotický bookmarking, meiotická transmise

53 Buněčná paměť Gene bookmarking je epigenetický proces, kterým mitoticky se dělící buňky přenášejí specifické stavy svých genových aktivit PcG -

54 Maternální programování epigenetických stavů Maternální péče jako model experience-dependent chromatin plasticity serotonin mozkový transmitter mateřská péče o novorozence (lízání a mazlení) DNA demetylázy cyklický adenosin monofosfát protein kináza A histon-acetyltransferázy mozkový transkripční faktor DOBRÁ MATEŘSKÁ PÉČE exprese genu kódujícího glukokortikoidní receptor - STABILNÍ PSYCHIKA POTOMSTVA DNA-metyltransferáza ŠPATNÁ MATEŘSKÁ PÉČE nízká exprese genu GR, STRESOVÁ PSYCHIKA DOSPĚLÉHO POTOMSTVA

55 EPIGENETIKA A LIDSKÉ CHOROBY [1] PORUCHY IMPRINTINGU Beckwith-Wiedemannův syndrom Russell-Silverův syndrom Angelmanův syndrom Prader-Williův syndrom Pseudohypoparatyreóza [2] PORUCHY METYLACE DNA Imunodeficience ICF syndrom Metyléntetrahydrofolát reduktáza Rettův syndrom [3] PORUCHY STRUKTURY CHROMATINU Schimkeho imunoskeletální dysplázie Rubinstein-Taybiho syndrom Facioscapulohumerální svalová dystrofie [4] X-VÁZANÉ EPIGENETICKÉ PORUCHY Martin-Bellův syndrom Mentální retardace vázaná na α-thalasemii Cofflin-Lowryho syndrom [5] NÁDOROVÉ BUJENÍ Wilmsův renální tumor

56 FRAGILNÍ HROMOSOM X (Martin-Bellův syndrom) q27.3

57

58 normální X má 6-60 tripletů CGG v 5'UTR genu FMR1 : (CGG) 10 AGG(CGG) 9 AGG(CGG) 9 muži-přenašeči nesou premutaci mezi 60 and 200 kopiemi M-B pacienti mají přes 200 kopií repetice

59

60 Epigenetické intergenerační programování porodní váhy a rizika ke kardiovaskulárním chorobám původní environmentální vliv dítě nízká porodní váha permanentní programování funkcí v době těhotenství drogy, léky, choroby, výživa, chování matky, postnatální péče 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

61 Epigenetické změny zahrnující metylace DNA vedou k nádorovému růstu prostřednictvím různých mechanizmů ztráta metylace hydrolytická deaminace vede k nestabilitě metylc vede genomu k bodové mutaci hypermetylace promotorů vede metylace CpG zesiluje vazbu k dědičnému umlčování a k chemických karcinogenů k DNA inaktivaci nádorových supresorů a zvyšuje rychlost UV-indukovaných mutací

62 samičky hrotnatky Daphnia si po ataku predátora vytvářejí ochrannou přílbu, tento znak pak přenášejí do potomstva

63 rostliny ohnice Raphanus raphanistrum v reakci na požer housenkou Pieris rapae syntetizují odpudivé hořčičné látky, znak přetrvává minimálně do další generace

64 Meiotický přenos epigenetického stavu (fenotypu) aneb environmentální indukce dědičných změn - genotrofy u lnu (vliv podnebí a výživy na větvení) LIN specific sequence bez hnojení F 0 bez hnojení F 1, F 2, WT hnojení bez hnojení F 1, F 2, F 0

65 Vliv environmentálních faktorů - vývojové abnormality drosofily způsobené deficiencí heat-shock proteinů

66 Tepelný šok navozuje fenokopie vzorce zbarvení křídel motýlů (Aglais urticae) Richard B. Goldschmidt ( ) středoevropská heat-shock fenokopie Sardinská varianta připomínající formu ze Sardinie varianta

67 Waddington: Diferenciace je epigenetický proces ovlivňovaný prostředím možné výsledné fenotypy (kanalizace) adaptivní změny genové exprese mohou být za určitých podmínek v ontogenezi stabilizovány (asimilovány) evoluce je fixace ontogenetických změn

68 ChR = remodelátory chromatinu DNMT = DNA metyltransferásy HAT = histon acetyltransferásy HDAC = histon deacetylásy HMT = histon metyltransferásy HDM = histon demetylásy DDM = DNA demetylásy TF = transkripční faktory

69 NeGenetika: zdánlivá maternální dědičnost šedivosti myšího kožíšku ve stáří je způsobena přenosem viru leukémie v mateřském mléce (virus nevstupuje do gamet) pregnantní šedivá matka porod císařským řezem a kojení náhradní matkou tato myška věkem šediví tato myška věkem nešediví

70