1 / 92

Эпигенетическая регуляция процессов развития

Эпигенетическая регуляция процессов развития. Основная догма молекулярной биологии: ДНК ------ РНК ------- БЕЛОК Генотип----------------фенотип ДНК ответственна за хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Доимплантационное развитие человека. День 1. Стадия зиготы.

parson
Download Presentation

Эпигенетическая регуляция процессов развития

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Эпигенетическая регуляция процессов развития

  2. Основная догма молекулярной биологии: ДНК ------ РНК ------- БЕЛОК Генотип----------------фенотип ДНК ответственна за хранение, передачу и реализацию наследственной информации

  3. Доимплантационное развитие человека День 1. Стадия зиготы День 2. Эмбрион в стадии дробления 4 бластомера День 3. Эмбрион на стадии дробления 8 клеток. День 4. Морула. 3 День 5. Бластоциста

  4. Классификация стволовых клеток человека в соответствии с потенциалом к дифференцировке (Filip et al., 2004)

  5. Разные судьбы, функции, морфология, «способности» клеток при одинаковом генотипе

  6. Эпигенетическое наследование В более общем смысле, предметом эпигенетики являются явления, связанные с развитием различных фенотипов клеток или организмов на основе одного генотипа. В более узком смысле эпигенетика - раздел генетики, который изучает наследуемые изменения активности генов во время развития организма или деления клеток. Эпигенетическое наследование - наследование паттерна экспрессии генов.

  7. ДВА ВИДА ИНФОРМАЦИИ В ГЕНОМЕ Генетическая – закодированная в ДНК программа создания живого организма Эпигенетическая (Динамическая)– как, где и когда должна быть реализована генетическая информация. Каждый вид информации обеспечен своими системами: Кодирования Хранения Передачи

  8. генетические эпигенетические Изменения • Необратимы (мутации) • Изменения первичной структуры ДНК • Стабильно наследуемые • Обратимы • Не затрагивают изменений первичной структуры ДНК • Бывают долговременные и кратковременные

  9. Эпигенетическая регуляция - наследственные и ненаследственные изменения в экспрессии конкретного гена без каких-либо соответствующих структурных изменений в его нуклеотидной последовательности. Эпигеном - это совокупность всех эпигенетических маркеров, обусловливающих экспрессию генов в данной клетке. Явления импринтинга, эффекта положения, особенности структурно-функциональной организации хроматина определенных хромосомных локусов, влияющих на экспрессию генов, и РНК-интерференция классифицируются как эпигенетические.

  10. 1. ДНК (геном) метилирование, повторяющиеся последовательности, мутации отдаленных регуляторных элементов, транспозиции генетического материала 2. РНК (транскриптом) регуляторные мотивы пре-мРНК, антисмысловые РНК, нетранслирующиеся РНК, микро РНК, духцепочечные РНК 3. Белки (протеом) метилирование/деметилирование лизина 4, 9 и 27 гистона Н3, ацетилирование/деацетилирование гистонов Уровни эпигенетической регуляции

  11. Метилирование ДНК Модификации гистонов

  12. Метилирование ДНК и связанные с ним процессы

  13. Схема метилирования и деметилированияцитозина

  14. Репрессия транскрипции посредством метилирования ДНК

  15. Взаимосвязь между метилированием цитозина в молекуле ДНК и ацетилированием гистонов

  16. Механизмы инактивации гена в результате метилированияпромоторной области • 1. Метильные группы нарушают ДНК-белковые взаимодействия, выступая в большую бороздку ДНК и препятствуя связыванию специфических транскрипционных факторов. • 2. Метилированные районы ДНК специфически связывают транскрипционные репрессоры. • 3. Метилирование ДНК влияет на структуру хроматина.

  17. Аналитические методы анализа метилирования 1.Метилчувствительная ПЦР (NotI, EagI, SacII, HpaII, HhaI) аналитическая чувствительность - 1: 2000 2. Метилспецифическая ПЦР Трансформация цитозина в урацил бисульфитом Na аналитическая чувствительность - 1: 1000 3. MethylLight – метилспецифическая ПЦР в реальном времени аналитическая чувствительность - 1: 10000 4. Метилспецифическоесеквенирование 5. Биологические микрочипы

  18. Метилирование ДНК в клетке контролирует все (!) генетические процессы, в том числе такие как : Транскрипция (клеточная дифференцировка) Репликация РекомбинацияРепарация Транспозиция генов Инактивация Х-хромосомы (половая дифференцировка)

  19. Биологическая специфичность метилирования ДНК: • Видовая (штаммовая) • Тканевая (клеточная) • Органоидная (ядро, митохондрии, пластиды) • Внутримолекулярная (островки метилирования, повторы) • Возрастная Метилирование ДНК у растений и животных регулируется (контролируется) гормонами:у растений - фитогормоны (ауксины и др.),у животных - кортикостероидные гормоны (гидрокортизон) и др. • Резкое искажение метилирования ДНК: • отсутствие метильных доноров (рак, гепатома) • суперметилирование ДНК РАК • полное выключение (knockout) ДНК-метилазного гена остановка развития, апоптоз, смерть (без метилирования ДНК жизни нет!)

  20. Метилирование ДНК изменяется: • при грибковыхинфекциях у растений (вилт хлопчатника); • при прорастании семян и в связи с градиентом цветения • в нейронах при формировании памяти (метилирование ДНК мозга как показатель участия генома в механизмах индивидуально приобретеннойпамяти) • под воздействием гормонов и антиоксидантов (контролируется гормонально, блокирует связывание ДНК с гидрокортизон-рецепторными комплексами) Активирование генов путем уменьшения статуса их метилирования Природное: -репликация ДНК - выстригание остатков m5C c репарацией цепей - прямое деметилирование остатков m5C. Искусственное: - условия недостаточности метильных групп - ингибиторы ДНК-метилаз (SAH, 5-азацитидин)

  21. Ферменты, осуществляющие метилирование ДНК – метилтрансферазы (Dnmt) Allis C.D., Jenuwein T., 2007 PCNA– домен взаимодействия с PCNA NLS– сигнал ядерной локализации RTF– домен, мишенью которого является центр репликации CXXC– цистеин-богатый домен BAH– домен, гомологичный бромодомену PWWP– домен, содержащий высококонсервативный мотив «пролин-триптофан-триптофан-пролин» ATRX– ATRX – подобный цистеинбогатый участок, содержащий C2-C2 цинковый палец и атипичныйPHD-домен

  22. De novo метилирование и сохранение характера метилирования ДНК • Высокометилированые последовательности: • Сателлитная ДНК • Повторяющиеся элементы (в т.ч. транспозоны и их инертные формы) • Уникальная межгенная ДНК • Экзоны генов

  23. CpG – островки • неметилированные участки длиной 1 kb • - в 5`-концах 60% промоторов активных генов Что защищает их от метилирования? - они защищены белками - постоянная работа деметилаз - нетипичный состав оснований - транскрипция в раннем эмбриогенезе требует отсутствия метилирования ДНК в этих местах

  24. Синдром Ретта ( RTT, OMIM 312750) • описано в 1966 году • встречается преимущественно у девочек • регрессия развития • аутизм • стереотипные движения рук Основная причина – мутации МеСР2 (главный компонент метилцитозин связывающего комплекса) синдром ICF (иммунодефицит, хромосомная нестабильность, аномалии лицевого черепа) (ICF, OMIM 242860) Причина - мутации в гене DMNT3B(метилтрансфераза de novo). Гетерохроматиновые районы хромосом 1, 9 и 16 неметелированны, вследствие чего растянуты и имеют ветвистую структуру

  25. Заболевания, связанные с нарушением процесса ремоделирования хроматина

  26. Геномный импринтинг - эпигенетический механизм регуляции экспрессии гомологичных генов в процессе развития организма в зависимости от родительского происхождения гена, хромосомы или генома. Эпигенотип (импринт) - совокупность модификаций, которые по-разному маркируют родительские аллели и обеспечивают моноаллельный характер экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или материнского происхождения. Импринтированный ген - ген, который дифференциальноэкспрессируется в зависимости от материнского или отцовского происхождения. Импринтированные гены в диплоидной клетке млекопитающих обычно экспрессируются только с одного аллеля.

  27. Геномный импринтинг (ГИ) – дифференциальная модификация отцовского и материнского генетического материала в процессе созревания гамет, следствием чего являются различия в экспрессии родительских аллелей как в процессе раннего эмбриогенеза, так и взрослых особей

  28. 10 н.б. Частичный пузырный занос Андрогенез (мужской партеногенез) - диплоидный, хромосомы только отцовского происхождения Гиногенез (женский партеногенез) диплоидный, хромосомы женского происхождения

  29. Характерные черты импринтированных генов 1. Кластеризация. Общие черты кластеров: 1) гены распределены на достаточно большом расстоянии; 2) наличие в кластере генов, экспрессирующихся только с отцовской или материнской хромосомы; 3) наличие генов, которые продуцируют не кодирующую РНК. 2. Консервативность импринтинга. Характер импринтинга генов H19, IGF2, p57KIP и SNRPN идентичен у человека и мыши. 3. Асинхронность репликации ДНК импринтированных генов. Импринтированные гены имеют асинхронную репликацию, показанную в кластерах импринтированных генов с использованием гибридизации in situ. Новременной характер репликации может варьировать в различных клетках, подобно мозаичному эффекту положения.

  30. 4. Онтогенетическая и тканевая регуляцияимпринтинга. KvLQT1 экспрессируется с материнского аллеля во всех тканях кроме сердца; E6-AP - экспрессируетсябиаллельно во всех тканях, а в мозге - только с материнского аллеля; IGF2 имеет отцовскую экспрессию в большинстве тканей, но оба аллеляэкспрессируются в определенных структурах в течение развития мозга и в зрелом состоянии. Кроме того, IGF2 в процессе развития экспрессируется с трех различных промоторов. 5. Импринтированные гены кодируют как белки, так и только РНК. H19 кодирует РНК, аккумулирующуюся в больших количествах в течение развития фетальных тканей мезодермального и эндодермального происхождения. XIST. Транскрипция гена с инактивированной отцовской Х-хромосомы в экстраэмбриональных тканях заставляет предполагать регуляторную роль импринтированной РНК. IPW, PAR-SN, PAR1 и PAR5 экспрессируются с отцовской хромосомы и дают только РНК.

  31. Целый ряд заболеваний по характеру наследования и проявлениям может возникать вследствие импринтинга. Синдром Вильямса с тяжелыми проявлениями - делеция 7q11.23 материнской хромосомы; Болезнь Гиршпрунга - мутация гена RET (10q11.2) материнскогопроисхождения; НФ 2 с тяжелым течением - мутация гене SCH (22q12) материнскогопроисхождения; Шизофрения в более тяжелых формах наследуется по отцовской линии; Синдром де Ланге (3q26) может быть связан с материнским импринтингом; Семейная гипертрофическая кардиомиопатия в основном передается по материнской линии; Spina bifida в два раза чаще передается матерями, чем отцами; Псориаз проявляется в более тяжелой форме, если наследуется от отца; Синдром Туреттаи поликистоз почек проявляются раньше и в более тяжелых формах, если наследуются от матери; Эпилепсия в более тяжелой форме наследуется от матери.

  32. однородительская дисомия (ОРД=UPD) – наличие у потомков в кариотипе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) происхождения • 47 типовОРД • -44 типа ОРД по 22 аутосомам • материнская (mat) и отцовская (pat) • 3 типа по половым хромосомам • UPDХmat, UPDXpat, UPDXYpat Гетеродисомия – наследование потомком двух разных гомологов от одного родителя Изодисомия – наследование двух репликационных копий одной из хромосом

  33. Нерасхождение хромосом в мейозе

  34. Механизмы формирования ОРД

  35. ОРД по целым хромосомам или их фрагментам выявлены при анализе наследственной патологии и у человека. материнская ОРД по хромосоме 2 => признаки дисэмбриогенеза и отставание в развитии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 6(q23 - q24) => неонатальный диабет; материнская ОРД по короткому плечу хромосомы 7 (GRB10) => синдром Сильвера – Рассела; материнская ОРД по хромосоме 14 => гипотония, черепно-лицевые аномалии, акромикрия, сколиоз, задержка физического, моторного и умственного развития; отцовская ОРД по хромосоме 14 => сильная умственная отсталость и скелетно- мышечные аномалии; материнская ОРД по хромосоме 16 => малый вес при рождении и врожденные аномалии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 20 (GNAS1) => псевдогипопаратироидизм Залетаев Д.В.

  36. ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ОДНОРОДИТЕЛЬСКОЙ ДИСОМИИ У ЧЕЛОВЕКА

  37. Общие свойства импринтированных генов • Располагаются кластерами (11р15; 15q11-13) • Асинхронность репликации • Временная и пространственная регуляция • экспрессии • Консерватизм ортологичных импритированных генов • Кодируют белки и РНК, которые не транслируются

  38. Схема локуса 15q11-q13

  39. Синдром Прадера-Вилли (PWS, OMIM 176270) • описан в 1956г. • неонатальная гипотония • ожирение • умственная отсталость • лицевые дисморфии • гипогонадизм 46 XX или ХУ, 15р- 1 : 12000-15000

  40. Синдром Ангельмана (AS, OMIM 105830) • описан в 1965г. • умственная отсталость • отсутствие речи • нарушения сна • необычный смех • «кукольные» стереотипные движения 46 XX или XY, 15р− 1 : 10 000—20 000

  41. Биопсия хориона или плаценты Аутосомная трисомия (полная или мозаичная форма) Кордоцентез Получение образцов крови от родителей для цитогенетического и ДНК-анализа УЗИ 2 уровня Анеуплоидия Нормальный кариотип и фенотип у плода Тестирование на ОРД ОРД исключена. Плацентарный мозаицизм ОРД у плода ОРД по хромосомам, для которых установлены “болезни импринтинга” ОРД по хромосомам, для которых исключены “болезни импринтинга” Пролонгирование беременностиУЗИ с допплерометриейПрофилактика ФПН и акушерских осложнений Прерывание беременности

More Related