EPIGENETIKA reverzibilních změn funkce genů, Epigenetické faktory ovlivňují fenotyp bez změny genotypu. Epigenetická

Transkript

1 EPIGENETIKA Epigenetika se zabývá studiem reverzibilních změn funkce genů, aniž by při tom došlo ke změnám v sekvenci jaderné DNA. Epigenetické faktory ovlivňují fenotyp bez změny genotypu. Epigenetická informace je přenášena z jedné generace do dal generace jak na buněčné úrovni, tak na úrovni organismu bez ódování této informace do nukleotidové sekvence. Předávání informace je podmíněno buněčnou pamětí. Epigenetické děje se podílejí na buněčné diferenciaci, morfogenezi, proměnlivosti a adaptabilitě organismu, ale neovlivňují totipotenci buněk. Epigenetické mechanismy představují např. rozdíly v methylaci DNA, rozdíly ve struktuře chromatinu (modifikace histonů). Epigenetické mechanismy jsou spontánní a reverzibilní. Mohou být indukovány genetickými faktory i faktory prostředí. V určitém lokusu na homologním chromosomu párové alely mohou navenek skrýt epigenetický statut (viz dále syndrom Prader-Willi / Angelmanův syndrom). Epigenetický typ dědičnosti umožňuje buňkám s identickým genotypem (totipotence) vznik odlišných fenotypů a přenos informace do dceřiných buněk. V mnohobuněčném organismu je to právě epigenetická informace, která zajistí, že z dělících se fibroblastů vzniknou zase fibroblasty a ne jiný typ buněk, ačkoliv jejich DNA obsahuje celý genom. Dceřiné buňky jednotlivých tkání dědí variabilní aktivitu genů, i když původní podněty již nejsou přítomné (viz Embryonální vývoj). Epigenom je celkový epigenetický stav buňky. Jakmile se tvoří embryo a vzniká velké množství buněk, genom jednotlivých typů buněk se podílí na utvář epigenomů. Tento proces je nezbytný pro vývoj organismu. Zahrnuje potlač transkripce genů (gene silencing) v závislosti na buněčné diferenciaci nebo např. regulaci genů, které řídí inaktivaci X chromosomu u samic savců, včetně člověka (viz dále; Prenatální vývoj). Epigenetické procesy zasahují na úrovni transkripční aktivity genů i na úrovni posttranskripční. (i) Regulace na úrovni transkripce má vliv na množství a časování výskytu funkčního produktu genu (RNA nebo proteinu). Epigenetická modifikace DNA je kopírována při replikaci. U lidí je asi 1% basí DNA methylováno. V somatických buňkách eukaryot je v DNA typická CpG methylace, tzn. methylaci některých cytosinů na 5-methylcytosin na 5 uhlíku, která sousedí s nukleotidem obsahujícím guanin. ál Jeho Jeho žit elům m a dal řen

2 a) DNA methylace je typ modifikace DNA, která je děděna bez změny sekvence DNA. Počet a uspořádání methylovaných cytosinů ovlivňuje funkci genů; nízká methylace vede k vysoké aktivitě a naopak. Enzymy skupiny DNA-methyltransferas udržují po replikace DNA identický typ methylace jaký byl před replikací. Přibližně 60 70% CpG je methylováno. CpG jsou seskupeny do shluků (CpG ostrůvky), které jsou přítomny v oblasti promotoru, což je regulační oblast mnoha genů na straně 5' konce. Abnormální hypermethylace CpG v promotoru mnoha tumor-supresorových genů byla zaznamenána např. v DNA izolované z buněk maligních nádorů. U maligních nádorů je tak potlačena transkripce tumor-supresorových genů v důsledku DNA methylace, a tím ovlivněna regulace buněčného cyklu (viz Buněčné děl, Onkogenetika). Jednou z možností cílené léčby nádorových onemocnění je znovu dosáhnout, aby tyto geny byly exprimovány. Farmaceutický přístup je zaměřen, mimo jiné, na inhibici aktivity DNA-methyltransferas. b) Utlum transkripční aktivity na úrovni modifikace histonů, vede k vytvář transkripčně neaktivního heterochromatinu (transkripčně neaktivní oblasti chromatinu, viz Cytogenetika). Struktura chromatinu je velmi důležitá pro regulaci transkripce. NH 2 -skupina lysinu má basický charakter, a proto se lysiny mohou vázat s negativně nabitými fosfáty DNA. Iontovou vazbou se DNA v oblasti lysinů těsně váže k histonům a tím se zamezí transkripci. K zesíl útlumu transkripční aktivity dále dochází i za přítomnosti proteinů, které se mohou vázat k methylovaným CpG. Tyto proteiny stimulují deacetylasy histonů a v kooperaci s dalmi proteiny modulující histony a dochází tak k tvorbě inaktivního chromatinu (heterochomatin viz Cytogenetika). Acetylace histonů (konkrétně určitých lysinů v histonech), které tvoří nukleosom (viz Cytogenetika), představuje regulační mechanismus transkripce genů. Acetylace lysinů v histonech eliminuje jejich positivní náboj a těsná interakce DNA-histon se poru. Transkripční faktory tak mají k DNA přístup, umožní funkci RNA-polymerasy a transkripce genu může nastat. (ii) Post-transkripční utlum aktivity genů má vztah k funkci mrna. Pokud dojde k destrukci mrna neproběhne translace a nedojde k tvorbě produktu genu (většinou proteinu). Mechanismus post-transkripčního utlum aktivity genu působm RNA interference (RNAi). Tento typ utlum endogenních genů je pravděpodobně evolučně velmi starý jev, který chránil organismus např. před infekčními viry. ál Jeho Jeho žit elům m a dal řen

3 RNAi je jeden z epigenetických mechanismů vyvolaný přítomností určitých fragmentů dvouvláknové RNA (dsrna). dsrna je enzymově separována na dvě samostatná vlákna, která jsou schopná zničit jednovláknovou RNA buňky obsahující komplementární oblasti k fragmentu dsrna. dsrna, která je schopna vyvolat RNA interferenci, může být v budoucnu využívána terapeutický prostředek. Mohla by být např. žita k likvidaci patogenních organismů (bakterií, kvasinek atp.) nebo virů, které mají geny odlišné od genů člověka. Terapie založená na RNAi by neměla mít nežádoucí účinky na lidský genom. Z toto důvodu je v centru zájmu farmaceutického průmyslu. Maternální epigenetický efekt V některých případech přenosu genetické informace existuje tzv. maternální efekt, což je jedna z forem epigenetického přenosu informace z jedné generace do dal generace. Epigenetický přenos od otce, na rozdíl od maternálního, je vzácný. Genomický imprinting Při manifestaci některých onemocnění se uplatňuje fenomen zvaný genomický imprinting. Tento genetický jev vná rozpor do základních pravidel Mendelovské genetiky, která říkají, že funkce genu nezávisí na tom, od kterého rodiče je daný gen zděděn. Přibývající informace podložené jak experimentálním tak klinickým pozorováním ukazují, že pro manifestaci určitých genů (alel) může být důležité, zda byly přeneseny od otce nebo matky. Studie na molekulární úrovni ukázaly, že genomický imprinting souvisí s methylací cytosinů. Methylace cytosinů na 5-methylcytosin neovlivňuje replikaci DNA, ale gen, který n funkční. Genomický imprinting je tedy výsledkem odlišného stupně methylace cytosinů na 5-methylcytosin genu na maternálním a paternálním chromosomu. Methylace cytosinů na 5-methylcytosin je děděna z jedné buněčné generace do dal; během života jedince je konzervována v důsledku stabilní enzymové výbavy buňky (soubor příslušných methylas). Změna aktivity (methylace) genu může nastat v zygotě, když dojde k novému vztahu mezi paternálními a maternálními chromosomy, respektive příslušnými geny. Maternální imprinting je známý například při vzniku syndromů Prader-Willi/ Angelman. Oba syndromy jsou vyvolány změnami stejné oblasti chromosomů 15 (kritická oblast 15q11- q13). Rozdílné fenotypy jsou podmíněny tím, zda jde o chromosom paternálního nebo maternálního původu. U většiny případů těchto syndromů jde o mikrodeleci v kritické oblasti ál Jeho Jeho žit elům m a dal řen

4 na q raménku chromosomu 15; v některém případě jsou syndromy asociovány s genomickým imprintingem. V obou případech je to ztráta funkce genů stejné chromosomální oblasti. Syndrom Prader-Willi (sporadický výskyt; 1/ ) je podmíněn změnami na paternálním chromosomu 15 (15q11-q13)pat. U 70% případů jde o deleci, u 5% případů představuje genomický imprinting. Ve zbývajících 25% případů jsou oba chromosomy 15 paternálního původu (uniparentální disomie). Klinické příznaky u dětí jsou obezita, nadměrný apetit, malá postava, hypogonadismus, mentální retardace. Angelmanův syndrom (sporadický výskyt; 1/25 000) je také vyvolán změnami na chromosomu 15 (15q11-q13)mat, ale na chromosomu maternálním. Mikrodelece je příčinou Angelmanova syndromu v 70% případů, u 5% je to uniparentální disomie a u 25-30% případů jde o genomický imprinting. Klinické příznaky jsou odlišné než u syndromu Prader-Willi. Hlavními projevy jsou motorické opožďování, těžká mentální retardace, chybějící vývoj řeči, časté nemotivované záchvaty smíchu, u 30% pacientů jde o epileptické záchvaty před druhým rokem života. maternální paternální ál Jeho Jeho žit elům m a dal řen

5 ANGELMANŮV SYNDROM SYNDROM PRADER-WILLI delece maternální chromosom delece paternální chromosom Imprinting genu/ů maternální chromosom maternální ANGELMANŮV SYNDROM Aktivní geny na paternálním chr. paternální SYNDROM PRADER-WILLI Aktivní geny na maternálním chr. Imprinting genu/ů paternální chromosom ál Jeho Jeho žit elům m a dal řen

6 Imprinting u familiárního výskytu nádorů Na základě genomického imprintingu je možné vysvětlit odchylky od Mendelovské dědičnosti nalézané v rodokmenech s familiárním výskytem určitých nádorů. Wilmsův nádor ledvin postihuje častěji děti postižených matek než postižených otců. Jiným příkladem, kdy se uplatňuje genomický imprinting je autosomálně dominantní onemocnění neurofibromatosa 1 (NF1), kdy jde o zvýšenou závažnost onemocnění při přenosu mutovaného genu od matky (viz Onkogenetika). Genomický imprinting, ovlivňující expresi genů, je spolu s protoonkogeny, tumorsupresorovými geny a mutátorovými geny (viz onkogenetika) považován za dal, epigenetický, faktor podílející se na vzniku nádorových onemocnění. Inaktivace chromosomu X U ženských zárodků dochází v časném období embryonálního vývoje (asi 12. den embryogeneze) k inaktivaci jednoho ze dvou X chromosomů. Většina genů inaktivovaného X chromosomu n transkribována. Pouze 10-15% genů inaktivaci uniká. To u obou pohlaví zajišťuje shodné množství produktů genů lokalizovaných na X chromosomu. Chromosom Y má odlišnou genetickou výbavu než heterochromosom X. Pouze malý úsek chromosomu X a Y je geneticky shodný. Inaktivované geny obsahují 5-methylcytosiny v oblasti promotoru, inaktivace je též provázena modifikací histonů (podrobněji viz Embryonální vývoj). ál Jeho Jeho žit elům m a dal řen