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 další generace jak na buněčné úrovni, tak na úrovni organismu bez zakódování 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
o k ja již Dceřiné buňky jednotlivých tkání dědí variabilní aktivitu genů, i když původní podněty é a k r c nejsou přítomné (viz Embryonální vývoj). i to g u Epigenom je celkový epigenetický stav buňky. Jakmile se tvoří embryo a a vzniká velké lo o m epigenomů. nTento množství buněk, genom jednotlivých typů buněk se podílí na utváření l e h á s c i (gene a ergenů proces je nezbytný pro vývoj organismu. Zahrnuje potlačení transkripce l te silencing) ní h t o inaktivaci Xře u genů,a kterékřídí v závislosti na buněčné diferenciaci nebo např. regulaci o mvývoj).ic í s Prenatální š í chromosomu u samic savců, včetně člověka (viz dále; e mgenů i na úrovnilšíposte í s dijnaktivity Epigenetické procesy zasahují na úrovnižtranskripční a no h c d u u transkripční. a ázá lo ý st oly . s t máovvliv na šmnožství mvýskytuakfunkčního (i) Regulace na úrovni transkripce k aza ečasování n ů e é P r č el j e z produktu genu (RNA nebo proteinu). k k m ň o při vreplikaci. Uú lidí rjea asi 1% basí DNA u DNA pjel kopírována s Epigenetická modifikace k mtypická o dobuňkáchVyeukaryot je v DNA o CpG methylace, tzn. t ý d methylováno. V somatických u o cytosinů narů5-methylcytosin najin5 uhlíku,a která sousedí s nukleotidem t methylaci některých o n k su e b í T guanin. o obsahujícím it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J vzniknou zase fibroblasty a ne jiný typ buněk, ačkoliv jejich DNA obsahuje celý genom.
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 dělení, 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) Utlumení transkripční aktivity na úrovni modifikace histonů, vede k vytváření transkripčně neaktivního heterochromatinu (transkripčně neaktivní oblasti chromatinu, viz Cytogenetika). Struktura chromatinu je velmi důležitá pro regulaci transkripce. NH2-skupina lysinu má basický charakter, a proto se lysiny mohou vázat s negativně
o k ja i za tím se zamezí transkripci. K zesílení útlumu transkripční aktivity dále dochází a r proteiny ické přítomnosti proteinů, které se mohou vázat k methylovaným CpG. oTyto t u og stimulují deacetylasy histonů a v kooperaci s dalšími proteiny modulující histony a dochází a l o m n tak k tvorbě inaktivního chromatinu (heterochomatin – viz Cytogenetika). e iál ch s a Acetylace histonů (konkrétně určitých lysinů v histonech), l kterétertvoří nukleosom te (viz ní h o u agenů. kAcetylace Cytogenetika), představuje regulační mechanismus transkripce lysinů e o m c íř s i š í v histonech eliminuje jejich positivní náboj aetěsná interakce DNA-histon se poruší. í m s funkci jn RNA-polymerasy š i e l í Transkripční faktory tak mají k DNA přístup, umožní a transkripce a no ž ud ch d u genu může nastat. a ázá lo ý st oly . s e ůmRNA. m Pokud k dojde (ii) Post-transkripční utlumení taktivity vgenů mákvztah kzfunkci a n š o a l e z é Pkrtvorbě čproduktu k a knedojde e jegenu (většinou k destrukci mRNA neproběhne translace m ň ú ra u pl so v proteinu). k o do utlumení to RNA interference ýmpůsobením Vy aktivityngenu d Mechanismus post-transkripčního u ji u a evolučně velmi starý jev, rů genů jekpravděpodobně totyp utlumení endogenních (RNAi). Tento o n s í t ob před infekčními Te organismus např. který chránil viry. la i ž uh u i u d o so u p t s o ez h e b k Je nabitými fosfáty DNA. Iontovou vazbou se DNA v oblasti lysinů těsně váže k histonům a
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 jako terapeutický prostředek. Mohla by být např. použita 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 další 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 vnáší rozpor do základních pravidel Mendelovské genetiky, která říkají, že funkce genu nezávisí na tom, od kterého rodiče je daný gen zděděn. Přibývající informace
o k ja určitých genů (alel) může být důležité, zda byly přeneseny od otce nebo matky. é a k r c Studie na molekulární úrovni ukázaly, že genomický imprinting souvisí s methylací i to g u cytosinů. Methylace cytosinů na 5-methylcytosin neovlivňuje replikaci a DNA, ale gen, který lo o m stupně n není funkční. Genomický imprinting je tedy výsledkem odlišného methylace l e h á s c i te a chromosomu. cytosinů na 5-methylcytosin genu na maternálním a paternálním r l e hbuněčnéagenerace t odo- další; během ení u Methylace cytosinů na 5-methylcytosin je děděna z jedné o m ick ř í s š í života jedince je konzervována v důsledku stabilní enzymové výbavy buňky (soubor e jn m í s š i e l í příslušných methylas). Změna aktivity (methylace) genu může nastat v zygotě, když dojdeo a h d ž c n d u u st chromosomy, á k novému vztahu mezi paternálními laomaternálními respektive příslušnými y a z l e. s á o ý t m geny. n kov é šk raz elů zak e Maternální imprinting je známý například při P vzniku č syndromů Prader-Willi/ e k m ň j l ú o u p s v a Angelman. k r o y m o o ý ut15 (kritická oblast 15q11Vstejné oblasti chromosomů d Oba syndromy jsou vyvolánydzměnami n a ji rů tofenotypy jsouopodmíněny q13). Rozdílné tím, k zda jde ou chromosom paternálního nebo n sjde o mikrodeleci v kritické oblasti ísyndromů t a ob případů těchto Te původu. U většiny maternálního i l ž uh u i u d o so u p t s o ez h e b k Je podložené jak experimentálním tak klinickým pozorováním ukazují, že pro manifestaci
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/ 15 000) 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 2530% 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.
o k ja paternální maternální é a k r c i to g u Oblast genů Oblast genů o a Prader-Willi a Angelman sy Prader-Willi a Angelman sy ol m l n e h á s c a eri te l í h at o n u e o m ick ř í s š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J
ANGELMANŮV SYNDROM
SYNDROM PRADER-WILLI
delece
delece
paternální chromosom
maternální chromosom
maternální paternální
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c i te a erPRADER-WILLI ANGELMANŮV SYNDROM SYNDROM l - genu/ů ní hgeny naat Imprinting Imprinting genu/ů o u Aktivní Aktivní geny na e k o mchr. icpaternální ř maternální chromosom í s maternálním chromosom paternálním chr. š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J Oblast genů Prader-Willi a Angelman sy
Oblast genů Prader-Willi a Angelman sy
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 další, 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 není 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,
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c a eri te l í h at o n u e o m ick ř í s š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J
inaktivace je též provázena modifikací histonů (podrobněji viz Embryonální vývoj).
