EPIGENETICA Een nieuw paradigma in de genetica
Koen Devriendt Centrum Menselijke Erfelijkheid Leuven
“You keep using that word. I do not think it means what you think it means”. Inigo Montoya The Princess Bride, 1987
GENES & DEVELOPMENT2009; 23: 781–783
epigenetisch kenmerk = een stabiel overerfbaar fenotype door een verandering in een chromosoom zonder wijziging in de DNA sequentie
EPIGENETICA : 3 betekenissen
1. Veranderingen in genexpressie op elk moment van het leven.
gameten Enz.
embryo pasgeborenen
2. Geheugen van de cel : blijvend effect van vroegere omgevingsinvloeden op genexpressie en dus genfunctie epigenetische effecten epigenetische effecten epigenetische effecten epigenetische effecten
3. Geheugen van de geslachtscel : transgenerationeel effect van omgevingsinvloeden in de volgende generatie(s) epigenetische effecten
epigenetische effecten epigenetische effecten epigenetische effecten
Genetische informatie (DNA) Epigenetische informatie
Onderliggend mechanisme is hetzelfde
Epi‐genetische veranderingen op het DNA
EPIGENETISCHE CODE
DNA methylering
Histonen acetylering Histonen methylering
Chromatine remodellers
HISTONEN
RNA
GENETISCHE CODE = DNA SEQUENTIE
HISTONEN
1. Veranderingen in genexpressie in de cel op elk moment van het leven, o.i.v. de omgeving De basis van embryologische & foetale ontwikkeling
Embryoblast
Cel differentiatie = expressie van verschillende (combinaties van) genen
⇒ meten op verschillende niveau’s :
DNA
RNA
eiwitten
metabolieten
Transcriptoom in humane preimplantatie embryo’s relatieve expressie patronen van 79 genen met hoge expressie in zygote hoge expressie
lage expressie
gen 1 gen 2 gen 3 gen 4 gen 5 gen 6 …
… gen 78 gen 79
Proteoom
Fertility and Sterility Vol. 86, No. 3, September 2006
grootte van eiwit stadium ontwikkeling
Cel differentiatie : Zelfde genen, maar verschillende functie
Regulering van expressie van genen ?
DNA
EPIGENETISCHE CODE
DNA methylering TRANSCRIPTIE FACTOREN
Histonen acetylering Histonen methylering
Chromatine remodellers
HISTONEN
HISTONEN
RNA
GENETISCHE CODE = DNA SEQUENTIE
STATISCH
aktief
epigenetische code
DYNAMISCH
inaktief
Cel differentiatie = expressie van verschillende genen
Epigenetische code
CpG eilandjes : ‐ vooral in promotor van genen ‐ wisselende methylering AKTIEF
INAKTIEF methylering
METHYLERING DNA
demethylatie
remethylatie
Histonen modificatie : DNA = in chromatine
belangrijke : Lysines van histone 3 H3K4 H3K9 H3K27 H3K36
GEN
HISTONE CODE
CHROMATIN STATE ?
normale variatie in het epigenoom, in 1000 verschillende humane weefsels en cel types.
aktief
variatie in epigenetische code
variatie in ziekte en gezondheid
inaktief
Variatie in epigenoom variatie in fenotype en ziektes
aktief
Variatie in epigenetische code
genetisch
stochastisch
omgeving
inaktief
DNA methylering
DNA methyltransferases ‐DNMT1
=> hereditaire sensorische en autonome neuropathie
‐DNMT3B
=> ICF syndroom (immuun deficientie, centromeer instabiliteit, faciale afwijkingen)
METHYL CpG BINDING PROTEINES
Methyl‐CpG binding proteines MECP2 : Rett syndroom
Histonen modificatie HISTONEN
HISTONEN
(de)methylering Kabuki syndroom •MLL2 = methyl transferase (H3K3) •KDM6A = demethylase (H3K27)
Histonen modificatie HISTONEN
(de)methylering Sotos syndroom •NSD1 = histon demethylase
HISTONEN
Histonen modificatie HISTONEN
HISTONEN
(de)acetylering Rubinstein‐Taybi syndroom ‐ CREBBP ‐ EP300
= histon acetyl transferases
Chromatine remodelling complex proteine complexen ‐ binden aan chromatine wijzigen direct chromatine & nucleosomen structuur
SWI/SNF
SWI/SNF
SWI/SNF April 2012
Coffin‐Siris SMARCB1
Nicolaides ‐ Baraitser
SMARCE1
SMARCA4
ARID1A
ARID1B
SWI/SNF
SMARCA2 SMARCB1
SMARCA2
SMARCE1
SMARCA4 ARID1B ARID1A
aktief
Variatie in epigenetische code
genetisch
stochastisch
omgeving
inaktief
STOCHASTISCHE VARIATIE Nature Genetics November 2012 fibroblasten ….
….
verschillen in methyering!
Nature Genetics Februari 2009
Dichoriale Monozygote tweeling
Methylering op 12000 verschillende DNA loci significantie
12000 loci interrogated on the epigenomic microarray platform
Verschil in methylering
Discordante monozygote tweelingen Beckwith‐Wiedemann
Silver‐Russel
Genomische imprinting = vorm van mono‐allelische expressie : enkel maternele gen actief
+
m p
of enkel paternele gen actief
-
-
+
m p
NORMAAL M
paterneel
M
M
IGF2
enhancer
INSULATOR
materneel
enhancer
IGF2 GROEIFACTOR
OVERGROEI
M
M
M
enhancer
M
M
M
enhancer
IGF2
IGF2
GAIN OF METHYLATION
NORMAAL M
paterneel
M
IGF2
M
enhancer
INSULATOR
materneel
enhancer
IGF2
LOSS OF METHYLATION
VERMINDERDE GROEI
INSULATOR
enhancer
IGF2
INSULATOR
IGF2
enhancer
Beckwith‐Wiedemann & Angelman syndroom
•epigenetische stoornissen in geslachtscellen bij fertiliteitsstoornissen • epigenetische stoornissen secundair aan fertiliteitsbehandeling
Epigenetische stoornissen tijdens in vitro ontwikkeling ?
+
1. “signaal” Aanwezig in geslachtscellen
2. “translatie” Naar een finale ‘imprint’ PREIMPLANTATIE EMBRYO
X‐inactivatie : Random epigenetische silencing van één van de twee X‐chromosomen DNA hypermethylering Histonen Hypomethyl. H3K4
HISTONEN
X‐ist RNA
Histonen deacetylering
HISTONEN
Barr chromatine = geïnactiveerde X‐chromosoom MANNELIJKE KAT
VROUWELIJKE KAT
Eerste stap : expressie van X‐ist noncoding RNA
Xist
Barr chromatine = inactief X
Inactivering van extra chromosoom 21 door inbouw van X‐ist in chromosoom 21
METHYLERING DNA
X‐INACTIVATIE IMPRINTING ?
demethylatie
remethylatie
+
Epigenetische informatie
TERUG NAAR NUL •niet gedifferentieerde cellen •imprinting : aangepast aan geslacht •X‐reactivatie
3. Geheugen van de geslachtscel : transgenerationeel effect van omgevingsinvloeden op kenmerken in de volgende generatie(s)
Genetische informatie (DNA) Verworven epigenetische informatie
“de erfelijkheid van de omgeving” “Ervaring wordt via de geslachtscellen doorgegeven van ouder op kind, en blijft verschillende generaties aanwezig”
Jean‐Baptiste Lamarck (1744 ‐1829)
Central Dogma of Biology
Francis Crick , 1956
Verworven kenmerken zijn NIET overerfbaar Mendeliaanse erfelijkheid Genetische counselling
(Neo) Darwininaanse evolutie Genetisch onderzoek
“erfelijkheid van de omgeving”
nature NEUROSCIENCE advance online publication 2013
Överkalix study Zweden
Historische documenten : ‐ oogst en voedselprijzen ‐ parochieregisters : stamboom, overlijden
Hoeveelheid voedsel tijdens slow growth period (9‐12 jaar)
VEEL
WEINIG
1,67
0,65
Kleindochters : géén effect
Kleinzonen ° 1890; ° 1905; °1920 Mortaliteit risk ratio (toename in mortaliteit)
Hoeveelheid voedsel tijdens slow growth period (9‐12 jaar)
VEEL
WEINIG
2,13
0,72
Kleinzonen : géén effect
Kleindochters ° 1890; ° 1905; °1920 Mortaliteit risk ratio (toename in mortaliteit)
Transgenerationele effecten invloeden van de omgeving kunnen vele generaties een effect hebben
"We are all guardians of our genome“ Marcus Pembrey
genen
omgeving
overleving in veranderende en onvoorspelbare omgeving ?
Darwiniaanse Evolutie TRAAG
Transgenerationele (epigenetische) effecten
Aanpassingen op korte termijn !
“There is grandeur in this view of life” Charles Darwin : The Origin of Species, 1859
