Epigenetické regulace. (Viz také speciální přednáška P. Svobody - Epigenetika)

Transkript

1 Epigenetické regulace (Viz také speciální přednáška P. Svobody - Epigenetika)

2 Epigenetická dědičnost Epigenetická regulace genové exprese Definice: Heritabilní změna genové exprese beze změn DNA sekvence. ü Mitotická (klonální) dědičnost ü Změna je heritabilní ale reverzibilní Myš: X-chromosomální inaktivace Genomický imprinting Základní mechanismus: DNA metylace

3 DNA methylace Cytosine-5-methyl transferázy Cytosin 5-Metylcytosin Thymin 5-Hydroxymethylcytosin 1/3 všech bodových mutací, které působí lidské genetické choroby je působena CpG TpG

4 CpG ostrovy CpG dinukleotid má pouze 25% výskyt proti očekávané frekvenci v genomu CpG ostrovy - 0.5kb-2kb nejsou téměř methylované Mimo ostrovy - 70% CpG metylováno Asi 1/2 všech genů má v 5 konci CpG ostrov. Jaká je funkce DNA metylace? 1. DNA obrana k neutralizaci cizí DNA 2. Funkce ve vývoji 3. Genová regulace (ale kvasinky, Drosophila a C. elegans)

5 DNA metyltransferázy Dnmt1 Dnmt2 Dnmt3a Dnmt3b Dnmt3L Udržovací Dnmt Trdmt1 trna metyláza De novo DNA metylace De novo DNA metylace Imprinting v oocytech Transkripční umlčení retropozonů Imprinting X-inaktivace Struktura chromatinu Pathologie - nádory, choroby

6 mcpg vážící proteiny MeCP2 MBD1-4 Rettův syndrom Epigenetická dědičnost vztah k metylaci H3 histonu Histone methyltransferase (PRDM9 H3K4me3) (H3-Lys4, H3-Lys9, H3Lys27) Acetylace a deacetylace histonů (HATs a HDACs)

7 Úroveň DNA metylace ve vývoji

8 Inaktivace X chromozomu v somatických tkáních samic savců 53 let od objevu X-chromozomální inaktivace (lyonizace) Pouze 1 X chromosom zůstává aktivní Výběr je náhodný, ale klonálně dědičný Inaktivace se mění v gametogenezi a po oplození Inaktivní X je heterochromatický a pozdně replikující Xist gen je exprimován na inaktivním X Mary Lyon, Nature 1961 Inaktivace je nenáhodná, paternální v trofektodermu placenty a v embryonálním endodermu Antisense RNA Tsix umlčuje Xist a aktivuje X chr.

9 Lee, JT, Bartolomei, MS, Cell, 2013

10 Overview of XY activity during spermatogenesis. Turner J M A Development 2007;134:

11 Inaktivace paternálního a maternálního X chromosomu vačnatců a placentárních savců Vačnatci Placentální savci Extraembryonální tkáně, Placenta XX Embryonální tkáně XX Xp - Xp Xp Xp Xp/Xm Oogeneze XX? 0 Spermatogeneze XY? Xm

12 X-inactivation center ( Kb)

13

14 Exprese Xist v embryonálních kmenových buňkách

15 Genomický imprinting

16 Definition of genomic imprinting Ø Monoallelic, parent-of-origin dependent expression of a gene +++ Igf2r Igf2r --- Ø Clonally stable mitotic heredity of transcriptional silencing +++ H2K H2K+++ Ø Imprint reversible during gametogenesis

17 D. Solter s experiments

18 Maternal imprinting of Insulin-like growth factor 2 gene (Igf2) Mat Pat ko ko - ko - ko (Efstratiadis, 1991)

19 Paternally imprinted Igf2r gene T hp deletion t Lub2 deletion (D. Barlow, 1991) Viable, short- tail Embryonic lethal

20

21 Genomic imprinting is conserved in evolution. Exceptions: Igf2r, U2af1-rs1. Is it restricted to placental mammals (?)

22 How to identify imprinted genes? A deletion or null mutation of the studied gene Sequence polymorphism in transcribed region of the studied gene Allele-specific transcripts Genome-wide Sequence polymorphism in transcribed region of the studied gene Northern blot comparison of mrna expression RT PCR and sequencing RNA-seq (next generation sequencing) Allele-specific Rnase protection

23 Active copy F e r t i l i s a t i o n Inactive copy Z y g o t e Global demethylation G l o b a l. d e m e t h y l t i o n S p e r m E g g B l a s t o c y s t I m p r i n t. m a i n t a i n e d remethylation S p e r m a t o g e n e s i s O o g e n e s i s I m p r i n t. e s t a b l i s h e d E m b r y o I m p r i n t. m a i n t a i n e d S o m a R e m e t h y l a t i o n I m p r i n t. m a i n t a i n e d F e t a l. g o n a d s I m p r i n t. e r a s e d

24 Imprinting of H19 and Igf2 genes CTCF na ICR

25 Human diseases caused or influenced by imprinted genes!! Disease! Gene/! Chr.!! 1. Diseases with mapped candidate genes! Imprinted allele! Mouse ortholog! Comment! Angelman syndrome! Prader- Willi syndrome! UBE3! (15q11- q13)! SNURF- SNRPN! (15q-q13)! Maternal! Ube3! UBE3 imprinted! only in brain! Paternal! Snrpn! More than 2 genes involved! Beckwith- Wiedeman! syndrome! IGF2, LIT1! H19, CDKN1C! (11p15)! Maternal!! Igf2,! H19, p57kip2! More than 2 genes involved gen! Albright hered.oste o-dystrofy! GNAS1! (20q13)! Maternal! Gnas1! Paternal mutation of GNAS1!

26 Human diseases caused or influenced by imprinted genes! Disease! Gene/! Chr.!! 2. Neurodegenerative or psychiatric diseases!! Imprinted allele! Mouse ortholog! Comment! Autism! Schizofren ia! Gene unknown! 15q11- q13! Gene unknown! (?)! Paternal!?! Maternal duplication of 15q11-q13! Maternal!?! More severe progess with paternal inheritance! Bi-polar syndrome! Gene unknown! (?)! Maternal!! Earlier manifestation with paternal inheritance! Morbus Alzheimer! Gene unknown! (?)! Maternal!! Paternal inheritance more frequent! Disturbed maternal behaviour! Syndrome unknown in human! (?)! Maternal! Peg3, Mest! Females with paternal Peg3 or Mest mutations do not care for newborns!

27