Epigenetika člověka Marie Černá Přednáška No 426-D

Interakce prostředí a genotypu vnější faktor 1 vnější faktor 3 vnější faktor 5 vnější faktor 2 vnější faktor 4 epigenetické modifikace pool genů 5 pool genů 1 pool genů 3 pool genů 2 pool genů 4

Epigenetické modifikace - umožňují interakci okolního prostředí s identickými genotypy a vytváření tak jejich nejrůznějších fenotypů - modifikace genové exprese, které se netýkají nukleotidových změn - mohou být dědičné

Metastabilní epialely - identické alely, které jsou variabilně exprimovány v důsledku epigenetických modifikací, které jsou navozeny během života - mohou být dědičné

Epigenetické modifikace mění hladinu genové exprese Vliv prostředí: - In utero - Ex utero

Epigenetické modifikace mění hladinu genové exprese Závisejí na - prostředí (vnitřní + vnější) - věku - pohlaví

Epigenetické modifikace - genom je otevřená soustava s biologickými hodinami období časného těhotenství období středního těhotenství období pozdního těhotenství časné postnatální období (do 3 let) období puberty (u ♀ o 2 roky dříve) období výměny modů (30-40 lety)

Reik W, Dean W, Walter J, 2001, Science, 293, 1089-1093, Epigenetic reprogramming in mammalian development.

Epigenetické modifikace u monozygotních dvojčat Fraga et al Epigenetické modifikace u monozygotních dvojčat Fraga et al., 2005, PNAS, 102, 10604-10609 u 65% párů identické u 35% párů rozdílné korelace s věkem a s dobou strávenou společně

Epigenetické modifikace DNA metylace Histonová modifikace RNA interference

Epigenetické modifikace Chromozomální poziční efekty Polycomb a Trithorax komplexy Priony a prionu-podobné fenomény

Inaktivace genové exprese heterochromatin – closed chromatin DNA metylace CpG ostrůvků Histonové modifikace deacetylace (H3K9) metylace (H3K9, H3K27, H4K20) sumoylace ubikvitinace

Aktivace genové exprese euchromatin – open chromatin DNA hypometylace CpG ostrůvků Histonové modifikace acetylace (H3K9) metylace (H3K4, H3K36, H3K79) fosforylace ubikvitinace

Mechanismus DNA metylace Účast proteinových komplexů: DNA metyltransferasy (DNMT) - DNMT 1 – uchování metylace - DNMT 3A+3B – de novo metylace Metyl-CpG-vazebný protein (MeCP)

DNA metylace CpG ostrůvků

Mechanismus modifikace histonů Účast proteinových komplexů: histon acetyltransferasy (HAT) histon deacetylasy (HDAC) histon metyltransferasy (HMT) histon demetylasy (LSD)

DNA-histonové modifikace

Dietní metylový doplněk

RNA interference přirozený proces utlumování genové exprese, na úrovni translace nebo transkripce, pomocí nekódujících RNA: krátké RNA – získané štěpením dvouvláknové RNA (dsRNA) dlouhé RNA (> 200 nukleotidů)

Cíle RNA interference krátké RNA: inaktivace RNA virů inaktivace RNA mobilních elementů (transposonů) dlouhé RNA: inaktivace X chromosomu

Mechanismus RNA interference Účast proteinových komplexů: Dicer s RNasovou aktivitou RISC (RNA-induced silencing complex) RITS (RNA-induced transcriptional silencing) PIWI proteins

short interfering RNA (siRNA) Piwi-interacting RNA (piRNA) krátké RNA micro RNA (miRNA) short interfering RNA (siRNA) Piwi-interacting RNA (piRNA) krátké RNA (v cytoplasmě) x malé RNA (v jádře a jadérku)

micro RNA (miRNA) 21-23 nukleotidů Endogenní Váže se na RISC Rozeznává částečně komplementární sekvence v 3’-UTR (nepřekládané oblasti) Inhibuje proces translace vazbou na cílovou mRNA

short interfering RNA (siRNA) 20-25 nukleotidů Exogenní Váže se na RISC i RITS (modifikace chromatinu) Rozeznává zcela komplementární sekvence v kódující oblasti Iniciuje štěpení a degradaci mRNA

Piwi-interacting RNA (piRNA) 27-30 nukleotidů Exogenní Váže se na PIWI proteiny Ovlivňuje epigenetickou regulaci Kontroluje utlumení transposonů

Význam pro diagnózu Hledání specifických miRNA v krvi a moči pacientů s cílem získat biomarkery pro diagnostiku a posouzení progrese choroby (nádory) U člověka bylo popsáno ≈ 2 500 miRNA.

Chromozomální poziční efekty Izolátory – sekvence podél DNA, které přitahují jednotlivé proteiny (protein CTCF) s cílem zabránit distálním enhancerům aktivovat nebo umlčovat geny funkce izolátorů: - stanovit hranice regulačních domén - modifikovat chromatinovou strukturu - ovlivnit organizaci jádra

Polycomb a Trithorax komplexy udržují a věrně propagují expresní status (aktivní či umlčený) homeotických genů, HOX genů, během celého vývoje na základě opačně působících aktivit: - umlčení skrz trimetylaci H3K27 pomocí Polycomb komplexů - aktivaci skrz trimetylaci H3K4 pomocí Trithorax komplexů

Priony a prionu-podobné fenomény Auto-regulační smyčka – schopná udržovat trvalé buněčné vlastnosti strukturální dědičnost – věrná reprodukce struktury produkované z proteinů regulační dědičnost – transgenerační pokračování zavedené funkce proteinů, významně ovlivněná prostředím

Význam v etiologii nádorů

Význam v terapii Terapie Prostředí Choroba Fyziologie Exprese Genom Epigenetika Prostředí Exprese Genom Fyziologie Choroba Terapie

Definice živé soustavy a života Život je specifická organizace látek, energie a informace velmi složitá otevřená soustava s vysokým stupněm uspořádanosti se schopností reprodukce se schopností vývoje (evoluce)