gelişim genetiği 30.05.2011 (epigenetik)

EPİGENETİK VE EPİGENOM

"Epigenetics is an emerging frontier of science that involves the study of changes in the regulation of gene activity and expression that are not dependent on gene sequence."

_National Institutes of Health Roadmap

Hastalıklar ve kötü alışkanlıklar babadan oğula geçebiliyor Hürriyet 3 Mart, 2006

Bir babanın işlediği günahlar, doğrudan sonraki nesillere de geçiyor. Bir erkeğin genç yaşlarındaki beslenme ve sigara alışkanlıkları, o kişinin oğlunun ve hatta torununun bile sağlığını etkileyebiliyor.

Yeni yapılan bir araştırmaya göre kalıtıma bağlı bu etkiler, "epigenetik" de denilen, DNA üzerindeki önemli kimyasal değişikliklere bağlıdır. Bu değişikliklerin halk sağlığı üzerindeki etkisi de çok büyük olabilir. Örneğin bugünkü gençlerin davranışları, ileriki yılların sorunlarını oluşturabilir.

University College London’da genetik uzmanı olan Marcus Pembrey ve ekibi, erkek tarafından sağlığa bağlı etkilerin bir sonraki nesile aktarıldığını iki şekilde kanıtladıklarını belirtiyor. Bunlardan ilki, İngiltere’de 1990’larda bebek sahibi aileler arasında yapılan Avon araştırmasıdır.

Araştırmaya katılan babaların 5 binden fazlası, ya o sırada ya da geçmişte sigara tiryakisiydi. Bu erkeklerin de 166’sı, sigaraya 11 yaşından önce, yani vücudun özellikle çevreye bağlı strese açık olduğu bir dönemde başlamıştı.

Editorial:   It Is Time for a Human Epigenome Project

Frank J. Rauscher, III Cancer Res 2005 65: 11229. [Full Text] [PDF]  

A Blueprint for a Human Epigenome Project: The AACR Human Epigenome Workshop

Peter A. Jones and Robert Martienssen Cancer Res 2005 65: 11241-11246. [Abstract] [Full Text] [PDF]  

Human Epigenome project launched15 February 2010

By Charlie McDermottAppeared in BioNews 545The sequel to the Human Genome Project, the International Human Epigenome Consortium (IHEC), has arrived and may hold the key to treating intractable diseases such as cancer and obesity. Recent studies mapping epigenetics - chemical modifications of DNA that affect gene expression - have shown how important understanding the epigenome is for health and disease.IHEC was launched in Paris last week, and has ambitious plans to map 1,000 reference epigenomes within a decade. This will allow researchers to compare their findings with a robust and trustworthy template. According to Peter Jones, University of Southern California, US, speaking for IHEC in Paris, the project was also spurred on by a growing number of publications on epigenetics, which he says is why researchers need to agree now on how to standardise data.

Cover art: Chromatin Iznik chini by Tayfun Özçelik

Epigenetics is a new peer-reviewed journal available in print and online. This multidisciplinary journal publishes original research articles and reviews covering the latest aspects of epigenetic mechanisms and their regulation of diverse biological processes. The goal is to foster communication and rapid exchange of information through timely publication of important results using traditional as well as electronic formats.

We are proud to announce that as of August 2006 the DNA Methylation Society has changed its name to the Epigenetics Society. We hope that the partnership with Landes Bioscience and the new Epigenetics Society will be a successful one.

Department of Molecular

Epigenetics

Head: Ale¹ Kovaøík

Scientific interests:

Epigenetic regulation of plant transgeneexpression

Genetics of allopolyploid nucleus

Evolution of satellite repeats

Department of Epigenetics, Division of Medical Genomics, Medical Research Institute

Department of Molecular Epigenetics, Institute of Biophysics, AS CR

Kralovopolska 13561265 BrnoČeská republika

Laboratory of Plant Epigenetics

A new ambitious EC-funded research initiative on Epigenetics advancing towards systems biology

•DNA histonlar ve diğer proteinlerle kromatini oluşturur.

•Kromatin dinamik materyaldir ve epigenetik bilgi taşır.

•Bir organizmaki her hücre ayni genetik bilgiyi taşır fakat farklı yönde gelişimler gösterir.

Epigenetik

Epigenetik –DNA dizi değişimlerinin

(mutasyon) dışındaki faktörlerle oluşan, gen anlatımındaki tüm değişikliklere verilen genel bir tanımlamadır. Epigenetik değişiklikler kalıtsaldır fakat potansiyel olarak geri dönüşebilir.

Epigenetik

Sonuç olarak:

-Bir bireydeki tüm hücreler ayni genetik bilgiyi taşımalarına karşın farklı fenotipik yapıdadırlar. = Epigenetik değişimler farklı gen setlerinin anlatımı ile kazanılırlar.

= Epigenetik değişimler bir sonraki generasyonlara aktarılırlar. Bu durum DNA da kalıtsal bir mutasyon olmaksızın gerçekleşir.

• Epigenetik değişimlerde kimyasal etiketler DNA nukeotidleri/histonlarda yer alırlar.DNA metilasyonu, asetilasyon,

fosforilasyon vb.

Bu etiketler nereden Bu etiketler nereden gelirlergelirler::

• İç Çevre– hormonlar– metabolizma– cinsiyet– yaşlanma

• Dış Çevre:– sıcaklık– diet– ilaçlar– Kimyasallar

(çevre kirliliği)– Işığa maruz

kalma vb.

Epigenetik: Ayni genom, farklı fenotip, farklı gen anlatım profili

Epigenetik, şu soruları cevaplamaya Epigenetik, şu soruları cevaplamaya ççalışmaktadır:alışmaktadır:

• Fenotipi belirleyen nedir?

• Çok hücreli bir organizmada; örneğin bir karaciğer hücresi olan hepatosit ile bir kas hücresi olan miyosit tamamen aynı genotipi paylaşırlarken, nasıl olur da, apayrı – yine de stabil – gen ekspresyon profillerine ve de farklı ve bağımsız hücre fonksiyonlarına sahip olabilmektedirler?

• Fibroblastlar veya lenfositler gibi farklılaşmamış hücreler, nasıl hücre bölünmesi yoluyla fenotiplerini stabil bir şekilde korumaktadırlar?

• Nasıl, bir farklılaşmamış kök hücre, bazen bölündüğünde iki yeni kök hücre verirken, bazen de bir kök hücre ve de bir farklılaşmış hücre verebilmektedir?

• Memelilerin, bizim de dahil olduğumuz Eutheria infraclassis’ine ait dişi bireylerinin her hücresinde; ayni nükleoplazma içinde bulunan ve de neredeyse özdeş DNA dizinlerine sahip iki X kromozomundan biri inaktive edilmektedir. İki X kromozomundan hangisinin inaktive edileceği nasıl belirlenmektedir ve de inaktivasyon hangi yolla/yollarla gerçekleşmektedir?

• Tamamen aynı genotipe sahip monozigotik ikizlerin, nasıl olur da hastalıklara genetik yatkınlıkları farklı olur?

• Çevremiz ve de yaşam tarzımız bizi (gen ekspresyonumuzu dolayısıyla bizi) ne kadar, nasıl etkiler?

• Bu etkiler bizden sonraki generasyonlara da aktarılır mı?

Epigenetik:

•DNA modifikasyonları (sitozin metillenmeleri vb.)

•Histon kromatin modifikasyonları

•Kromatin yapısına bağlanan çoklu protein kompleksleri

•Genomik “imprinting”

•Paramutasyon

•RNA interferens ve mikro RNA’lar

•RNA aracılığı ile DNA metilasyonu

•Transgen sessizleşmesi

•Viruslerle gen sessizleşmesi

Epigenetik Mekanizmalar

Doğrudan etkileyenler

Dolaylı yoldan etkiyenler = Posttranskripsyonel mekanizmalar (mRNA

sessizleştirmesi)DNA Modifikasyonları

Kromatin Modifikasyonları

1.1. DNA DNA MetilasyonuMetilasyonu

2. Nonkovalent DNA Modifikasyonları

3. Transkripsiyon faktörleri ile feed-

forward otoregülasyon

Kovalent Modifikasyonlar (Histon Modifikasyonları)

1.1. AsetilasyonAsetilasyon

2.2. MetilasyonMetilasyon

3.3. FosforilasyonFosforilasyon

4. Übikitinasyon

5. Sümoylasyon

Nonkovalent Modifikasyonlar

1. Histon takasları2. Histon katımları3. Kromatin tadilatı

4. Nonkoding RNA ile etkileşim

5. Diğer ajanlarla etkileşimler

6. Uzun-mesafe kromozom etkileşimleri

-Metilasyon bir DNA modifikasyonudur ve DNA işlevini değiştirir.

-5mCler DNA’da rastgele bir dağılım gösterirler.

Epigenetik: DNA metilasyonları

DNA yı oluşturan nukleotidler DNA

5’ methyl sitosin mutasyonları tayin edilemez ve tamir

edilemezler.

• DNA metilasyonu en iyi karakterize kimyasal modifikasyondur. Memelilerde, neredeyse tüm DNA metilasyonları CpG dinükleotidlerinin sitozin rezidülerinde gerçekleşir. Genomun yüksek yoğunluktaki CpG bölgelerine CpG adacıkları denir, ve de bu adacıkların DNA metilasyonu, transkripsyonu baskılama yoluyla gen sessizleştirmesine neden olur.

CpG CpG adasıadası

““relaxed” chromatin structure relaxed” chromatin structure of a nonimprinted geneof a nonimprinted gene

metmetillenmişillenmiş

Kapalı kromatin yapısıKapalı kromatin yapısı

Metilasyon gametogenezde silinir ve embiryogenezde oluşur.

.

DNA demetilasyonu erken embiryo dönemi 3s 6s

P

M

P

M

P

M

P

M

8s Aphidikolin İlk met.

22s 2 hücre 45s 4 hücreMayer, W., Niveleau, A., Walter, J ., Fundele, R. & Haaf, T. (2000) Nature403, 501-2

DNA metilasyon paterninin kurulması

• Metilasyon patterni genomlarda her yeni generasyonda yeniden düzenlenir. Sense (anlamlı) metilasyon epigenetik bir olaydır.

• Tüm metilasyon erken embiryogenezde oluşur ve yeniden düzenlenir.

Epigenetik değişimler birçok Mendel Kurallarına uygun olmayan kalıtım biçimini açıklar.

2003 American Society for Microbiology

SAME GENOME, DIFFERENT EPIGENOME: Variability in CpG methylation at the agouti locus causes differences in coat color among genetically identical mice. Maternal nutrition affects the phenotype of offspring by influencing the degree of CpG methylation at the agouti locus. (Reprinted with permission, Molec Cell Biol, Aug 2003)

DNA Metilasyonu

Nonagouti olarak da bilinen, fare agouti lokusu, cilt rengini

etkilemektedir.

En iyi çalışılmış DNA metilasyon sistemidir.

38/62

DNA metilasyon özellikleri

• Transkripsiyonal “silencing”• Genomu transposizyondan

koruma• Genomik imprinting• X inaktivasyonu• Doku spesifik gen anlatımı

Histon kromatin modifikasyonları

• Protein ekspresyonu DNA tarafından kromatinin çeşitli modifikasyonları ile etkilenir:N-histon terminalinde- asetilasyon, metilasyon, fosforilasyon , ubiquitilasyon ve Sümoylasyon gibi.

Epigenetik kromatin regulasyonu

A. DNA düzeyinde 1. sitozin metilasyonu

B. Histon modifikasyonu - histon kodunda

1. Histon asetilasyonu 2. Histon metilasyonu 3. Histon fosforilasyonu 4. Histon ubiquitilasyonu

Histon asetilasyonu

•Asetillenmiş histonlar kromatini açarlar ve transkripsiyon oluşur. Histonlar HAT (histon asetilaz) ile asetillenirler.

Histon de-asetilasyonu

•Deasetillenmiş histonlar sıkıca paketlenirler ve transkripsiyon faktörlerine kapalıdır.

•Histonlar HDAC (histon de-asetilaz) ile etkilenirler.

Histon Asetilasyonu Hipoasetilasyon:Nükleozomlar

arası güçlü bağlantılar

Hiperasetilasyon (sarı):Nükleozomlar arası zayıf bağlantılar:

Histon uçları DNA’yı sınırlamaz ve transkripsiyon faktörleri DNA’ya bağlanabilir.

Histone deacetylase

Asetilasyonun 2 fonksiyonu vardır:

1. Pozitif yüklü lizin rezidülerini nötralize eder.

2. Histon uçları ile yapısal proteinler arasındaki bağlantıları destabilize eder.

HAT: Histon AseTilaz, HDAT: Histon DeAseTilazHAT: Histon AseTilaz, HDAT: Histon DeAseTilaz

Histon fosforilasyonu (H3)

1. Histonlar mitoz sırasında fosforillenirler.

2. Histonlar signal iletişiminde de fosforilasyon gösterirler.

Genomik “imprinting”

Bazı genler sadece maternal genomda ve

bazıları ise sadece paternal genomda gen

anlatımı yaparlar. Genomic Imprinting:

"Parent specific expression or repression of genes or

chromosomes in offspring. (On-line Medical

Dictionary)"

Genomik “imprinting”

İnsanda yaklaşık 40 kadar gen imprinttir. - Örneğin :

igf2, h19, igf2r ve Angelman ve Prader Willi genleri.

syndromes

İnsanda İnsanda MendelMendel Kalıtımı Kalıtımı

Hangi ebeveynden gelirse gelsin Hangi ebeveynden gelirse gelsin kalıtım eşdeğerdir.kalıtım eşdeğerdir.

İnsan genomunda İnsan genomunda imprint imprint gösteren bölgelergösteren bölgeler Maternal homolog-Maternal homolog-solsolPaternal homolog-Paternal homolog-sağsağ

iimprintingmprinting

paternal paternal allelallelin in ekspresyonuekspresyonu

iimprint genmprint genlerler met metiilllenmiştirlenmiştir veve kkromatin romatin yapısı değişmiştiryapısı değişmiştir

CpG CpG adasıadası

imprint olmayan gende imprint olmayan gende kromatin gevşek yapıdadır.kromatin gevşek yapıdadır.

promotpromotöör metr metiilalasyonu önemlidir.syonu önemlidir.

iimprint mprint bölgebölge

PromotPromotöörr

imprintedimprinted

eeksksprespresyonyon

MetMetiil CpG l CpG bağlayan proteinlerbağlayan proteinler

Paternal ePaternal eksksprespresyonyon Maternal eMaternal eksksprespresyonyon

Neden imprint?Neden imprint?

Çoğu imprint genler fetal büyüme ile ilişkiliÇoğu imprint genler fetal büyüme ile ilişkili::paternal epaternal eksksprespresyonyon fetal büyümeyi arttırır.fetal büyümeyi arttırır.maternal ematernal eksksprespresyon yon fetal büyümeyi azaltır.fetal büyümeyi azaltır.

TeorTeorii::

Fitnessi arttırır.Fitnessi arttırır. Dişinin çoğalma Dişinin çoğalma gücünü arttırır.gücünü arttırır.

İİmprinting mprinting veve insaninsan hastalıklarıhastalıkları15.Kromozom15.Kromozom

Angelman sAngelman seendromndromuu Prader-Wili sPrader-Wili seendromndromuu

Prader-Wili sPrader-Wili seendromndromuu (PWS) (PWS)

•1/15,0001/15,000• Değişik anomalilerDeğişik anomaliler• Orta düzeyde mental Orta düzeyde mental

gerilik gerilik (maternal imprint maternal imprint veve

paternal epaternal eksksprespresyon yon PWSPWS).).

Angelman syndrome (AS)Angelman syndrome (AS)

İleri düzeyde İleri düzeyde mental mental gerilikgerilik•Çeşitli anomalliklerÇeşitli anomallikler•1/15,0001/15,000•((paternal imprint paternal imprint veve •maternal ematernal eksksprespresyon yon •AS (ubiquitin ligase gene)AS (ubiquitin ligase gene)

IC

İİmprint genmprint genlerler 15q 15q

maternal imprint maternal imprint veve paternal epaternal eksksprespresyon yon PWSPWS

paternal imprint paternal imprint veve maternal ematernal eksksprespresyon yon AS AS (ubiquitin ligase gene)(ubiquitin ligase gene)

UBE mutations on maternal 15 ->angelman syndromeUBE mutations on maternal 15 ->angelman syndrome

Polycomb/Trithorax Sistemleri

• Polycomb ve Trithorax adlı protein grupları, evrim süresince korunmuş, çok önemli epigenetik efektörlerdir.

• Hem Polycomb hem de Trithorax protein grupları, kromatini yeniden şekillendirerek; DNA’nın gen transkripsiyonu için ihtiyaç duyduğu faktörlere ulaşabilirliğini değiştirirler.

• Bu şekilde, Polycomb protein grubu, kromatin düzeyinden işleyerek genleri sessizleştirirken, Trithorax grubu da söz konusu genleri aktifleştirirler.

• Bu gruplar hem Drosophila’da hem de insanda çalışılmıştır ve de gelişim açısından önemli genleri kontrol ettikleri; ayrıca bu gen ekspresyon kalıplarını, stabil bir şekilde “ezberledikleri” görülmüştür.

– Tek gen•paternal veya maternal-anlatım

= “Imprinting”•Bir veya diğer allel bir hücrede

anlatım yapar fakat asla ikisi birden yapmaz, = “random”/mozaik monoallelik anlatım

– Tüm kromozom: X-inaktivasyonu (mozaik)

Epigenetik kalıtım

X-inaktivasyonu

X X

A: 46, XYB: 46, XXC: 47, XXX

D: 48, XXXXE: 49 XXXXX

Imprinting ve X-inaktivasyonu

Kodlama yapmayan uzun RNA (Xist) ekspresyonu X-inaktivasyon bölgesinde (X-inactive specific transcript).

Paramutasyon –

Bir allelin ekspresyonunun diğer allele ilgili olarak değişmesi.

Bir paramutabl allel paramutagenik allele ilişkiden sonra paramutant allel olur.

Paramutant allel sonraki generasyonlarda genelde stabildir.

Mısırda paramutasyon

lokus Para-mutable allel

Para-mutagenik allel

Reversible Paramutantallel paramutagenik

DNA metilasyonu

r R-r R-sc evet evet evet

b B-I B’ hayır hayır hayır

pl pl-Rh pl’-mah evet evet hayır

Ribo-gnome

• 1969 Britten ve Davidson (RNA; ökaryotlarda hangi genler çalışacak hangileri çalışmayacak karar verir).

• miRNA, siRNA, rasiRNA (oluşumu farklı işlevleri ayni)

• Sadece mi RNA’lar insan genlerinin 1/3 ünü düzenler.

• Bu RNA lar olmaksızın kök hücreler kaybolur, beyin- kaslar gelişemez, çiçekler şekil alamaz, işlevsel sentromerler oluşamaz,......

Küçük RNAların oluşumu

• Özel endonukleaz (Dicer) çift iplikli RNA için• dsRNA ve siRNA bağlanan protein (Argounate)• dsRNA, siRNA (21-25 nukleotid)ya dönüşebilir.• 1990 da Petunia’da ko-supresyon ve 20.yüzyılın

sonunda RNA “silencing” RNAi gösterilmiştir.• miRNA 70 nukleotidlik “hairpin”yapılardan oluşur.• 2005 te 1650 miRNA geni bulunmuştur. 227si

insan, 21i insan virüsleri kökenlidir ve 1648 tanesi 21. yüzyılda bulunmuştur.

Ribo-gnome: The Big World of Small RNAs Phillip D. Zamore* and Benjamin Haley

RNAi ile Gen sessizleştirilmesi~22nt RNAs

dsRNA

~22nt siRNAs

hedefmRNA

sekonder siRNAs

amplifikasyon

işlem

yıkım

tanıma

kopyalama+

işlem

dağılım

siRNA’lar• siRNA; yabancı DNA, transpozonlar ve tekrarlanan dizileri

sessizleştirir.• Bitkilerde siRNA’lar, dsRNA’nın Dicer-benzeri proteinler

tarafından 24 nt’lik uzunlukta kesilmesi ile oluşur.• siRNA’lar AGO proteinleri ile birleşerek susturucu

kompleksleri meydana getirir.• Susturucu kompleksler RNA hedefleri üzerinde post-

transkripsiyonel olarak çalışır: onları keser veya translasyona müdahale eder.

• Bu kompleksler kromatin üzerinde de DNA metilasyonu veya histon modifikasyonları ile sessizleşme sağlar.

microRNA’lar – miRNA’lar• miRNA’ların siRNA’lardan oluştuğu düşünülmektedir

ve benzer şekilde üretilip işlem görür.• Bitkilerde oldukça korunmuş az sayıda miRNA ve

korunmamış çok sayıda miRNA vardır.• miRNA’lar, spesifik MIR genleri tarafından kodlanır

ancak “trans-acting” düzenleyici proteinler oldukları için başka genlerle çalışır.

• miRNA’lar bitkilerde gelişimsel ve fizyolojik olayları düzenler.

Bazı korunmuş miRNA’ların hedefleri

miRNA gen ailesi Hedef gen ailesi İşlev

156 SPL transkripsiyon faktörleri

Gelişimsel zamanlama

160 ARF transkripsiyon faktörleri

Oksin cevabı, gelişim

165 HD-ZIPIII transkripsiyon faktörleri

Gelişim, polarite

172 AP2 transkripsiyon faktörleri

Gelişimsel zamanlama, çiçeksel organ tayini

390 ARF transkripsiyon faktörleri üzerinde

çalışanTAS3 (tasiRNA)

Oksin cevabı, gelişim

395 Sülfat taşıyıcı Sülfat alımı

399 Protein ubikitinasyonu Fosfat alımıAdapted from Willmann, M.R., and Poethig, R.S. (2007) Conservation and evolution of miRNA regulatory programs in plant development. Curr. Opin. Plant Biol. 10: 503–511..

Small RNA’lar genomun düzenlenme ve savunmasına katkı sağlar ve baz çifti eşleşmesi ile sessizleşme özgünlüğünü düzenler.

siRNA hedefleri; çok tekrarlara sahip heterokromatin, transpozonlar, virüsler veya diğer patojenleri kapsar.

miRNA ve siRNA hedefleri;gelişimsel zamanlama veya motifi etkileyen düzenleyici genler, besin dengesi ve stres cevabını içerir.

Epigenetik, gelişme ve nuklear klonlama (Reik et al. 2001. Science 293: 1089

Rideout et al. 2001. Science 293:1093)

Donor hücre

nukleusu Blastosit Yenidoğan Erişkin

ES Hücreler 10-20 % 5-21 % blastosit 15 % blastosit

Fibroblast 58% 0.5 – 1 %

blastosit

0.5 % of

blastosit

Verici kromatin oosit içinde yeniden modellenir.

Extensive Changes in the Human Epigenome During Development CMMT NEWS RELEASEMay 6th, 2011In close partnership with the laboratory of Dr. Wendy Robinson at the Child & Family Research Institute, Dr. Michael Kobor’s team from the Centre for Molecular Medicine and Therapeutics reports unexpected plasticity in the human epigenome in an article

published in the journal Epigenetics and Chromatin. The human body contains more than 200 different cell types that form distinct tissues such as brain, kidney, and skin. Despite looking very different and performing very different functions, all these cells contain roughly the same 25,000 genes. However, the pattern and extent by which these genes are active differs from cell type to cell type, with these signatures being controlled by persistent epigenetic mechanisms. The latter refers to regulation of the genome that does not involve sequence changes to the DNA but rather chemical modifications of the material that packages the almost 2m of cellular DNA into the tiny cell nucleus. In the present study, Dr. Kobor’s laboratory measured DNA methylation, one key epigenetic mark, in various tissues from fetuses, including those with chromosomal trisomy 18 and trisomy 21. While the presence of an extra chromosome only resulted in minor changes in the DNA methylation pattern, these differed significantly between the tissues. Even more dramatic were the changes when the team compared the fetal tissue DNA methylation pattern to stem cells or corresponding adult tissues. Co-author and lead team member from the Kobor laboratory, Sarah Neumann, says: "This work provides us with snapshots of DNA methylation as it changes from the time that you comprise a few cells to when you're a full grown adult - our DNA code doesn't do that”. According to Dr. Kobor, this now puts his team in an ideal position to decipher the influences that lead to these age-dependent changes, and how these might be mis-regulated in diseases.

primordial germ hücreler mitoz

spermatogonia / oogonia mitoz

Primer spermatosit / oosit mayozsperm / yumurta

fertilizasyonzigot

mitozerken embiryo

mitoz

germ hüc. stem hüc. mitoz

erişkin somatik hücreler

Parent--origin imprint silinir

Parent--origin imprint kurulur

Aşırı de-metilasyon (Parent-origin imprint kalkar) DNA re-metilasyon başlar

Kromatin plastisitesi

Kromatin sınırlanır

Kanser epigenetiği

Feinberg and Tycko, 2004

Feinberg and Vogelstein (1983): DNA metilasyon kaybı

Alternative CpGMetilasyon modelleriKanser

Differences in DNA methylation patterns between normal cells and cancer cells. A typical CpG island near the transcription start site of a sample gene is constituted by a CpG-rich region that in normal cells is mostly unmethylated (    ), while the downstream areas within the body of the gene and more 3′ contain a low frequency of CpG dinucleotides. Those downstream CpGs are predominantly methylated (•). This DNA methylation pattern allows the gene to be actively transcribed (arrow = transcriptional start site). In a cancer cell the promoter-associated CpG island is often hypermethylated and transcriptionally silenced (arrow with X), whereas the downstream CpG sites are hypomethylated. Numbered boxes represent exons 1, 2 and 3. Each lollipop indicates a CpG dinucleotide; open circles represent unmethylated cytosines, closed circles represent methylated cytosines. HAT, histone acetyltransferases; A, transcriptional activators; TF, transcription factors; DNMT, DNA methyltransferases; MBP, methylcytosine-binding proteins; HDAC, histone deacetylases; R, transcriptional repressors.

BRCA1 & BRCA2 BRCA1 & BRCA2 sporadik sporadik meme kanserinde rol oynar.meme kanserinde rol oynar.

PPromotromotöör hr hiipermetpermetilasyonuilasyonu BRCA1 BRCA1 inaktivasyonunda önemli rol oynar. Kapalı inaktivasyonunda önemli rol oynar. Kapalı kromatin yapısı oluşumuna yol açar.kromatin yapısı oluşumuna yol açar.

• Kanserleşmede çok sayıda ilişkili epigenetik mekanizmalar rol oynar.• Gen aktivasyonu

• • Hipometilasyon ve imprint kaybı• • Histon hiperasetilasyonu • • Histon H3K4 hipermetilasyonu• • Non-coding RNA alterasyonları• • Gen inaktivasyonu• Kusurlu DNA metilasyonu ( promoter CpG adalarında)(bir çok tumör supressör

gende)• • Metil-bağlayan proteinler • • Histon deasetilasyonu • • Histon H3K9 hipermetilasyonu • • Histon H3K27 hipermetilasyonu• • Non-coding RNA alterarasyonları• • KANSERDE EPİGENETİK KUSURLAR GENETİK KUSURLARDAN FAZLADIR:

Seminar: Mining the Cancer epigenome: why is it important?

24 May 2011

Presenter: Professor Susan Clark, Senior Principal Research Fellow, Group Leader, Epigenetic Research Laboratory, Garvan Cancer program, The Garvan Institute of Medical Research

Lamarck

Jean Baptiste Pierre Antoine deMonet, Chevalier de Lamarck (1744-1829)

Annual Reviews

Human Epigenome Project (HEP) - Data

For Instructions click here

The Human Epigenome Consortium is a public/private collaboration that aims to identify and catalogue Methylation Variable Positions (MVPs) in the human genome. As a prelude to the full-scale Human Epigenome Project (HEP), we have recently completed a pilot study of the methylation patterns within the Major Histocompatibility Complex (MHC) - a region of chromosome 6 that is associated with more diseases than any other region in the human genome.We have identified MVPs in the vicinity of the promoter and other relevant regions of approximately 150 loci within the MHC in tissues from a range of individuals. This will provide an unprecedented insight into the complex relationship between genetics and epigenetics that underlies both normal cellular homeostasis and disease states, in particular autoimmune diseases. For the pilot project, we developed an integrated genomics-based technology platform. The pipeline involves the automated bisulphite treatment of DNA from minute tissue biopsies, gene-specific bisulphite PCR and large-scale sequencing of PCR amplicons. Analysis and quantification of methylation patterns is achieved by mass spectrometric and microarray assays.

  Pombe Genome Browser

Welcome to the Schizosaccharomyces pombe Epigenome Home Page. This page is a gateway that provides access to comprehensive analysis of the epigenetic profile of the S. pombe genome. It makes use of the UCSC genome browser to integrate disparate genomic data sets, generated by Shiv Grewal's laboratory, under one common interface.  At the moment, this site contains information related to distributions of histone modifications such as methylation of histone H3 at lysine 4 and lysine 9, heterochromatin and RNAi components, and siRNAs described in Cam et al. Nature Genetics 37, 809 - 819 (2005). As more data sets become available, they will be added and integrated with existing data sets

Epigenom çalışmalarında; genomda metilasyon profili gösteren bölgelerin

tanımlanması için kullanılan yöntemler:• DNA metilasyon

haritalamaları

• Histon modifikasyon haritalamaları

• Kromatin yapısının fiziksel incelemeleri

• DNA bisülfit uygulaması• Restriksiyon enzim

teknikleri• Mikroarray• ChIP• ChIP• Kromatin fraksiyonlaması

Epigenetik Mekanizmaların Kalıtımı

• Hücreye kimliğini kazandıran, yani fenotipini ortaya çıkartan epigenetik mekanizmaların, mitoz sırasında bir sonraki hücre soyuna nasıl aktarıldığı, maalesef halen bir merak konusudur.

• Aynı şekilde, bu bilginin, organizmalarda, sonraki generasyonlara nasıl aktarıldığı da pek anlaşılamamıştır.

Epigenetik Mekanizmaların Kalıtımı

• Ancak, bu epigenetik işaretlerin ya da bu epigenetik regülasyonun dölden döle aktarıldığına dair sayısız kanıt mevcuttur.

• Erişkin Drosophila’ların oluşumundan sorumlu embriyonik hücreler, ortamlarından çıkarıldıklarında, bölünmeye devam ederler.

• Gelişmekte olan embriyoya geri konduklarında da, bacak veya kanat gibi, ilişkili oldukları yapıyı oluşturmaktadırlar.

• Hücreler kendi kimliklerini hatırlamakla yetinmiyorlar, bu bilgiyi hücre bölünmesinde diğer hücrelere de aktarıyorlar.

Epigenetik Mekanizmaların Kalıtımı

• Geniş çaplı bir araştırma, annenin davranışlarının, bebeğin DNA’sını etkileyebildiğini gösteriyor.

• Bu etkinin potansiyel mekanizması; anne sütü ile beslenen farelerin, glükokortikoid reseptör kodlayan geninin DNA metilasyonundaki değişimi ile açıklanmaktadır.

• Embriyonik farelerin, antiandrojenik bir bileşik olan vinklozin’e maruz kalmaları; spermatogenesisin azalmasına neden olmuştur.

• Ve de, bu fizyolojik etki, sonraki bir çok generasyonda da gözlenmiştir.

Epigenetik Mekanizmaların Kalıtımı

Bitkilerle yapılan bir çalışma, aşağıdaki sonuçları ortaya koymuştur:

• Strese maruz kalan bitkiler, gen ekspresyonlarını değiştirerek, değişen ortama adaptasyon sağlamışlardır. Bunun için gerekirse genomlarını destabilize bile etmişlerdir. Böylelikle yeni bir fenotip ortaya çıkarmışlardır.

• Yeni fenotipe sahip bitkiler, stres ortamından uzaklaştırılmalarına rağmen, dört generasyon boyunca bu adaptasyonu korumuşlardır. (yani (yani stresten ortaya çıkan adaptif fenotipik değişiklikler 4 stresten ortaya çıkan adaptif fenotipik değişiklikler 4 sonraki nesile kadar aktarılmıştır.)sonraki nesile kadar aktarılmıştır.)

• Strese maruz kalmanın hafızası mevcuttur ve de bu hafıza dölden döle aktarılabilmektedir.

Epigenomik:Kromatin modifikasyonlarının ve transkripsiyon faktörleri ile genom ilişkilerinin araştırılması.

“Epigenomics: Large scale analysis of chromatin modifications and transcription factors/genome interactions”

Ökaryotlarda gen anlatım düzenlenmesi:

-mRNA transkripsiyon

-kromatin yeniden modellenmesi (epigenetik)

-aktivatörler, repressörler, transkripsiyon faktörleri, vb..

-mRNA işlenmesi

-mRNA transport

-mRNA yıkım

-RNA interferans (sessizleşme)

-translasyonal kontrol proteinlerin sentezi

-posttranslasyonal kontrol: protein yıkımı, vb.

Genetik alanında yapacağınız çalışmalara “Epigenom” çalışmalarının da eklenmesi temel genetik kavramlarla

açıklayamadığınız pek çok olayın daha iyi açıklanmasına katkılar sağlayacaktır.