C.H. Waddington

1. C.H. Waddington

2. EPIGENETIKAŠtúdium všetkých potenciálne stabilných dedičných zmien expresie génov alebo fenotypu bunky, ktoré sa vyskytujú bez prítomnosti zmien Watson-Crickovho párovania báz DNA Modifikácia histónov DNA metylácia microRNAs dlhé nekódujúce RNAs Goldberg AD et alCell. 2007 Feb 23;128(4):635-8.

3. Čo je epigenetika? • C.H. Waddington presadzoval názor, že epigenetika znamená niečo viac alebo navyše ku vysvetleniu genetiky diferenciácie. • Ako rôzne dospelé kmeňové bunky poznajú svoj osud (zadanie)? • z myoblastov môžu vznikať len svalové bunky • z keratinocytovsa tvoria len bunky kože • z hematopoetickýchbuniek vznikajú len krvinky • ale všetky majú pritom rovnaké sekvencie DNA.

4. Čo je epigenetika? • C.H. Waddington presadzoval názor, že epigenetika znamená niečo viac alebo navyše ku vysvetleniu genetiky diferenciácie. • Ako rôzne dospelé kmeňové bunky poznajú svoj osud (zadanie)? • Z myoblastov môžu vznikať len svalové bunky • Z keratinocytovsa tvoria len bunky kože • Z hematopoetickýchbuniek vznikajú len krvinky • ale všetky majú pritom rovnaké sekvencie DNA. • Moderná definícia:na sekvencii nezávislá dedičnosť. • Prečo majú jednovaječné dvojčatá odlišnú prirodzenú farbu vlasov?

5. Jednovaječné dvojčatá s odlišnou farbou vlasov

6. Mozaicizmus:Jedinec s odlišnou farbou očí “Diego”

7. Expozóm, genóm a epigenóm

8. Základné epigenetické mechanizmy cez ktoré environmentálne činitele pôsobia

9. Základné epigenetické mechanizmy cez ktoré environmentálne činitele pôsobia Ok, metylácie, zmeny histónov, Modifikácie RNA a translácie SOMATICKÉ = DIFERENCIÁCIA TRANSGENERAČNÉ = EPIGENETIKA? MECHANIZMY SÚ TIE ISTÉ A SÚ POD KONTROLOU GÉNOV INTERAKCIA S PROSTREDÍM

10. Metylácia prebieha za normálnych podmienokv dvoch vlnách u gamét

11. Metylačné zmeny počas vývoja

12. DNA metylácia U cicavcov, takmer všetky metylácie DNA sa vyskytujú na bázecytozína sú lokalizované v polohe 5' oproti guanozínuv CpG dinuukleotide (CpG miesta)

13. Metylácia cytozínu v DNA

14. DNA metylácia Je najlepšie charakterizovaná chemická modifikácia chromatínu. Hrá úlohuv mnohých celulárnych procesoch: • „Silencing“ repetitívnych a centromeric.sekvencií • Inaktivácia X chromozómuusamíccicavcov • Imprinting u cicavcov

15. Niektoré DNA metyltransferázysúesenciálne Metylácia cytozínu u cicavcov Expresia génov Stabilita chromozómu Diferenciácia buniek Imprinting Inaktivácia X chromozómu Karcinogenéza Starnutie

16. Niektoré DNA metyltransferázysúesenciálne

17. MetyláciaDNAodzygótypoadult

18. Metylácia DNA sa líši utotipotentnejembryonálnej kmeňovej bunky a unipotentnej adultnej kmeňovej bunky

19. Metylácia DNA. Chromozóm, históny a ds-DNA, CpG bohaté sekvencie DNA a metylové skupínu katalyzované metyltransferázou (DNMT) Tieto zmeny sa môžu objaviť po exogénnom podnete, napr. fajčenie, zneužívanie kokaínu, arteriálnej hypertenzii. DNMT-3a a 3b, pohon „de novo“‚ metylácie génov DNMT-1 je spojená s udržiavaním metylovaného stavu. K demetylácii dochádza po znížení aktivity DNMT-1 Nedávne bolo dokázané, že demetylácia môže byť ajaktívny proces

20. Závery • DNA metylácie, prirodzene sa vyskytujúce modifikácie, ktoré spočívajú v pridaní –CH3 skupiny na 5‚ pozíciu kruhu cytozínu, je najviac preštudovaný a najlepšie pochopený epigenetický mechanizmus • V ľudskom genóme, sa prevažne vyskytuje na cytozín-guanín dinukleotid (CpG) miestach, a slúži na reguláciu génovej expresie a udržiavanie stability genómu

21. Modifikácie histónov • U ľudí, ochrana a balenie genetického materiálu do značnej miery sa uskutočňuje histon-proteínmi, ktoré sa podieľajú aj na mechanizme regulácie transkripcie, replikácie a opravy DNA. (Shahbazian and Grunstein, 2007, Annu. Rev. Biochem.) • Históny sú jadrové globulárne bielkoviny, ktoré môžu byť kovalentne modifikované: acetylácia (Ac), metylácia, fosforylácia, glykozylácia, sumoylacia, ubikvitinácia a ADP ribozylácia (Suganima and Workman, 2008, Cell)čím ovplyvňujú štruktúru chromatínu a génovú expresiu (Kouzarides, 2007, Cell) • Medzi najčastejšie modifikácie histónov, spôsobené chemickými látkami prostredia sú acetylácia a metylácia zvyškov lyzínu v amino termináloch histónu 3 (H3) a H4.

22. Modifikácie histónov K – lyzín; S – serín

23. Modifikácie histónov • Acetylácia histónov spôsobuje otvorenú štruktúru chromatínu, čo vedie k aktívnej transkripcii, zatiaľ čo deacetylácia histónov je vždy spojená s transkripčnou represiou.

24. Stav chromatínu • Otvorený, aktívny euchromatín charakterizo- • vaný metyláciou lyzínu 4 H3 (H3K4Me3) a • lyzínu 9 (H3K9Ac). • (B) Tichý, represívny heterochromatin sa vyzna- • čuje metyláciou lyzínu 9 H3 (H3K9Me3) • a lyzínu 27 (H3K-27Me3). • Heterochromatická DNA je hustejšie zabalená • ako euchromatin, facilitujúc proteín 1 • heterochromatínu (HP1). • (C) Regióny genómu boli aktivované (H3K4me3) • a reprimované (H3K27Me3) znakmi histónov, • nazývané bivalentný chromatín. Je možné, • že sa tieto PTMs sa vyskytujú v susedných nukleozómoch, je však tiež možné, že jedna • alela génu je spojená s heterochromatínom, • a druhá s euchromatínom. • To jej dáva vzhľad bivalentného chromatínu.

25. Post-translačné modifikácie (PTMs) a varianty histónov • Schematický náčrt nukleo- • zómu a spojovacého H1. • Kovalentné PTMs [metylácia • (ME), acetylácia (Ac), ubikvi- • tinácia (Ub) a fosforylácia • (Ph)] sú zvýraznené na N- • a C-terminálnom chvoste • histónov. • B. Spisovateľ (pridáva PTMs) • Čítateľ (rozpoznávajú • a viažu PTMs) • Guma (odstraňujú PTMs) • C. Ďalšie históny v ESCs (embr. • kmeňové bb), ktoré • môžu nahradiť kanonické • históny

26. miRNAs • Bolo popísaných viac ako 10 000 miRNAs u zvierat, rastlín a vírusov pomocou in silico a experimentálnych metód v databázach súvisiacich s miRNAs. • Aberantná expresia miRNA je spojená s rôznymi ľudskými ochoreniami, vrátane Alzheimerovej choroby, hypertrofie srdca, porúch repolarizácie srdca, lymfómov, leukémie a karcinómov.(Mathers et al., 2010, Adv. Genet.; Montgomery and van Rooij, 2010, Curr. Drug Targets; Provost, 2010, Aging)

27. miRNAs Iorio et al., 2009, J. Clin. Oncol.; 27:5848-5856

28. Mechanizmsy regulácie microRNA (miR) Iorio, M. V. et al. J Clin Oncol; 2009

29. Úloha miRNAs v biogenéze a vývoji embryonálnych kmeňových buniek • Biogenéza miRNA: primárne transkripty • (pri-miRNAs) sú generované pomocou RNA • pol II alebo III pol prepisu, ktoré potom • podliehajú štiepeniu RNázou III, sprostredko- • vanej komplexom DROSHA/DGCR8 za • tvorby ~70 nt pre-miRNAs. XPO5 exportuje • tieto pre-miRNAs do cytoplazmy, kde sú ďalej • štiepené s DICER a vytvárajú zrelé dvojvlákno- • vé RNA duplexy. Jedna časť duplexu je potom • viazaná jedným z proteínov Argonaute • (AGO 1-4), za vzniku aktívneho RISC komp- • lexu, ktorý moduluje expresiu génu inhibíciou • translácie alebo deadenyláciou mRNA. • Ak miRNA je dokonale zladená s cieľovou • sekvenciou, môže nastať endonukleolytické • štiepenie mRNA transkriptov prostredníctvom • "výrezu" aktivity AGO2.

30. Úloha miRNAs v biogenéze a vývoji embryonálnych kmeňových buniek (pokr.) B. miRNAs zohrávajú úlohu v udržiavaní pluripotencie (v ľavej časti), v spustení diferenciácie (stredná časť) a údržbaní diferenciácie (pravá časť). V záujme zachovania pluripotencie, miRNA pôsobí na promóter udržania progresie bunkového cyklu (CDKN1A, RBL2 a LATS2 inhibícia) a de novo metylácie DNA (RBL2 inhibícia), a potláča faktory, ktoré podporujú diferenciáciu (Let-7 inhibícia). S cieľom podporiť diferenciáciu miRNA pôsobí blok sebaobnovy a produkcie hlavného faktoru pluripotencie. miRNAs udržujú diferenciáciu potlačením expresie génov spojených s inými líniami (miR-1 a miR-133), bloku sebaobnovy (miR-124) a udržania stavu špecifickej línie (miR-9/9*).

31. Dlhé nekódujúce RNAs • Dlhé nekódujúca RNA (nekódujúca prepisy o dĺžke ≈200 nukleotidov), zahŕňajú novo identifikovanú triedu modifikátorov chromatínu. • Tieto RNA hrajú dôležitú úlohu v regulácii niekoľkých významných mechanizmov, vrátane inaktivácie X-chromozómu. Ezh2 enhancer of zest homolog 2, PRC2 Polycomb represívny komplex 2, Suz12 supressor of zest 12, EED embryonálny ektodermálny vývoj

32. Nededičné ochorenia (vždy majú dedičnú komponentu) Dedičné ochorenia (vždy majú environment. komponentu) • Strava • Infekcia • Zranenia • Toxíny • Životný štýl • Psychické vplyvy • Socializácia • ………

33. Epigenetické faktory • ontogenéza – materský účinok • strava • lieky, jedy • infekcia, ožiarenie • telesnáá aktivita • svetlo • hudba • stres, účinky správania, • duševné, meditatívne

35. Epigenetika?? Sklamanie z výsledkov modernej genomiky a ostatných „omik“ z hľadiska praktickej každodennej medicíny Interpretácia výsledkov mikrochipov? Príliš veľa génov (a ich polymorfizmov) pre bežné ochorenia The missing part of heritability – genóm oveľa viac spolupracuje s prostredím, ako sme si to mysleli!