Epigenetické regulace

(Viz také speciální přednáška P. Svobody - Epigenetika)

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

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

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)

CpG ostrovy

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

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)

Úroveň DNA metylace ve vývoji

Inaktivace X chromozomu v somatických tkáních samic savců

Mary Lyon, Nature 1961

• 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

• Inaktivace je nenáhodná, paternální v trofektodermu placenty a v embryonálním endodermu Antisense RNA Tsix umlčuje Xist a aktivuje X chr.

53 let od objevu X-chromozomální inaktivace (lyonizace)

Lee, JT, Bartolomei, MS, Cell, 2013

Overview of XY activity during spermatogenesis.

Turner J M A Development 2007;134:1823-1831

Vačnatci Placentální savci

Extraembryonální tkáně, Placenta XX

Xp -

Xp Xp

Embryonální tkáně XX

Xp Xp/Xm

Oogeneze XX

? 0

Spermatogeneze XY

? Xm

Inaktivace paternálního a maternálního X chromosomu vačnatců a placentárních savců

(100-500 Kb)

X-inactivation center

Exprese Xist v embryonálních kmenových buňkách

Genomický imprinting

Definition of genomic imprinting Ø  Monoallelic, parent-of-origin

dependent expression of a gene Ø  Clonally stable mitotic heredity of

transcriptional silencing Ø  Imprint reversible during

gametogenesis

H2K+++ +++ H2K

+++ Igf2r Igf2r ---

D. Solter‘s experiments

Maternal imprinting of Insulin-like growth factor 2 gene (Igf2)

+ +

- ko +

+ - ko

- ko - ko

Mat Pat

(Efstratiadis, 1991)

Paternally imprinted Igf2r gene

Thp deletion tLub2 deletion

(D. Barlow, 1991) Viable, short- tail

Embryonic lethal

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

How to identify imprinted genes?

A deletion or null mutation of the studied gene

Northern blot comparison of mRNA expression Sequence polymorphism in

transcribed region of the studied gene

RT PCR and sequencing

Sequence polymorphism in transcribed region of the studied gene

Allele-specific Rnase protection

Allele-specific transcripts Genome-wide

RNA-seq (next generation sequencing)

F e r t i l i s a t i o n

G l o b a l . d e m e t h y l t i o n

I m p r i n t . m a i n t a i n e d B l a s t o c y s t

Z y g o t e

S p e r m E g g

S p e r m a t o g e n e s i s O o g e n e s i s E m b r y o

F e t a l . g o n a d s I m p r i n t . e r a s 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

I m p r i n t . e s t a b l i s h e d I m p r i n t . m a i n t a i n e d

remethylation

Global demethylation

Active copy

Inactive copy

Imprinting of H19 and Igf2

genes

CTCF na ICR

Human diseases caused or influenced by imprinted genes! !

1. Diseases with mapped candidate genes! !

Disease!

Gene/!Chr.!

Imprinted allele!

Mouse ortholog!

Comment!

Angelman syndrome!

UBE3!(15q11-q13)!

Maternal!

Ube3!

UBE3 imprinted!only in brain !

Prader-Willi syndrome!

SNURF-SNRPN !(15q-q13)!

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.osteo-dystrofy!

GNAS1!(20q13)!

Maternal!

Gnas1!

Paternal mutation of GNAS1 !

Human diseases caused or influenced by imprinted genes! !

2. Neurodegenerative or psychiatric diseases! !

Disease!

Gene/!Chr.!

Imprinted allele!

Mouse ortholog!

Comment!

Autism!

Gene unknown !15q11-q13!

Paternal!

?!

Maternal duplication of 15q11-q13 !

Schizofrenia!

Gene unknown!(?)!

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 !