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 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)
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 Rettův syndrom MBD1-4 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 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.
Lee, JT, Bartolomei, MS, Cell, 2013
Overview of XY activity during spermatogenesis.
Turner J M A Development 2007;134:1823-1831
Inaktivace paternálního a maternálního X chromosomu vačnatců a placentárních savců
Vačnatci
Placentální savci
Extraembryonální tkáně, Placenta XX
Xp -
Xp Xp
Embryonální tkáně XX
Xp
Xp/Xm
Oogeneze XX
?
0
Spermatogeneze XY
?
Xm
X-inactivation center (100-500 Kb)
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
+++ Igf2r
+++ H2K
Igf2r ---
+++
H2K
D. Solter s experiments
Maternal imprinting of Insulin-like growth factor 2 gene (Igf2) Mat
Pat
+
+
- ko
+
+
- ko
- ko
- ko (Efstratiadis, 1991)
Paternally imprinted Igf2r gene
Thp deletion
tLub2 deletion
(D. Barlow, 1991)
Embryonic
Viable,
short- tail
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
RT PCR and sequencing
transcribed region of the studied gene
Allele-specific transcripts Genome-wide
RNA-seq (next generation sequencing)
Sequence polymorphism in transcribed region of the studied gene
Allele-specific Rnase protection
Active copy Inactive copy
Fertilisation
Zygote
Eg
g
Sperm
Global G
lo
b
a
l.
ddemethylation
e
m
e
th
y
l
t
io
n
Im
p
r
i
nt
.
m
a
i
nt
a
i
ne
d
Blastocyst
remethylation
O
og
e
n
es
i
s
Im
p
r
i
nt
.
e
s
ta
b
l
i
sh
e
d
Spermatogenesis
Im
p
r
i
nt
.
m
a
i
nt
a
i
ne
d
Embryo
I
mp
r
i
nt
.
m
a
i
nt
a
i
ne
d
Soma Remethylation
Im
p
r
i
nt
.
e
r
a
s
e
d
Fetal.gonads
Imprinting of H19 and Igf2 genes CTCF na ICR
Human diseases caused or influenced by imprinted genes!
!
!
1. Diseases with mapped candidate genes! Disease!
Angelman syndrome!
PraderWilli syndrome!
Gene/! Chr.!
Imprinted allele!
Mouse ortholog!
UBE3! (15q11q13)!
Maternal!
Ube3!
Paternal!
Snrpn!
Maternal!
Igf2,! H19, p57Kip2!
SNURF-
SNRPN ! (15q-q13)!
BeckwithWiedeman! syndrome!
IGF2, LIT1! H19, CDKN1C! (11p15)!
Albright hered.oste o-dystrofy!
!
GNAS1! (20q13)!
Maternal!
Gnas1!
Comment!
UBE3 imprinted! only in brain !
More than 2 genes involved!
More than 2 genes involved gen!
Paternal mutation of GNAS1 !
Human diseases caused or influenced by imprinted genes!
!
2. Neurodegenerative or psychiatric diseases!
Disease!
Autism!
Schizofren ia!
Bi-polar syndrome!
Morbus Alzheimer!
Disturbed maternal behaviour!
!
Gene/! Chr.!
Imprinted allele!
Mouse ortholog!
Maternal!
?!
Maternal!
!
Maternal!
!
Maternal!
Peg3, Mest!
Gene unknown ! 15q11q13!
Gene unknown! (?)!
Gene unknown! (?)!
Gene unknown! (?)!
Syndrome unknown in human! (?)!
Paternal!
?!
Comment!
Maternal duplication of 15q11-q13 !
More severe progess with paternal inheritance !
Earlier manifestation with paternal inheritance!
Paternal inheritance more frequent!
Females with paternal Peg3 or Mest mutations do not care for newborns !
