Epigenetyczna regulacja ekspresji genów

Epigenetyka jest nauką zajmującą się dziedzicznymi zmianami w ekspresji genów, które nie są spowodowane zmianami w sekwencji DNA. Zmiany te spowodowane są rearanżacją struktury chromatyny, na skutek modyfikacji jej składników DNA i/lub białek histonowych. Modyfikacje te stanowią sygnał dla białek odpowiedzialnych za przebudowę chromatyny, co prowadzi do jej większej lub mniejszej kondensacji, a co za tym idzie zmniejszonej lub zwiększonej ekspresji genów. Mechanizmy epigenetyczne mogą różnić się pomiędzy osobnikami czy tkankami, a także zmieniać się w czasie np. podczas wzrostu czy starzenia się organizmu, pod wpływem czynników zewnętrznych czy też jako odpowiedź na stany chorobowe [83].

W jądrach komórek eukariotycznych DNA jest ściśle upakowany w postaci chromatyny. Podstawową jednostką chromatyny jest nukleosom, który zbudowany jest z białek histonowych. Pojedynczy nukleosom zbudowany jest z fragmentu DNA o długości 147 par zasad, który nawinięty jest na oktamer histonowy, zawierający po dwa histony H2A, H2B, H3 i H4. Histon H1, zwany też łącznikowym, spina strukturę rdzenia, umożliwiając tym samym nawinięcie DNA. Dzięki oddziaływaniom histonów łącznikowych z łańcuchem DNA pomiędzy poszczególnymi nukleosomami, możliwe

33 jest utworzenie heliakalnych struktur wyższego rzędu, zwanych solenoidami. Solenoidy ulegając kolejnym zwinięciom, aż do powstania chromosomów, pozwalają na jeszcze większe upakowanie materiału genetycznego [84, 85].

Histony są małymi białkami (masa cząsteczkowa poniżej 23kDa), które w swojej budowie posiadają elastyczny N-końcowy fragment wystający z nukleosomu, oraz globularną C-końcową domenę tworzącą rdzeń. Dzięki dużej zawartości aminokwasów zasadowych, przede wszystkim lizyny i argininy, histony zyskują charakter zasadowy i polikationowy. Umożliwia im to oddziaływanie z negatywnie naładowanym łańcuchem DNA lub z białkami [84, 85].

Struktura chromatyny pełni podstawową funkcję w regulacji ekspresji informacji genetycznej. N-końcowe ogony histonów oddziałując z DNA i sąsiadującymi nukleosomami umożliwiają dynamiczne zachodzenie zmian w strukturze chromatyny, zwiększając lub zmniejszając tym samym dostępność dla czynników transkrypcyjnych. Aminokwasy takie jak arginina, lizyna, treonina i seryna wchodzące w skład białek histonowych mogą ulegać potranslacyjnym modyfikacjom takim jak acetylacja, metylacja, fosforylacja, ADP-rybozylacja, sumoilacja i ubikwitynacja. Modyfikacje o charakterze epigenetycznym zauważono również w nici DNA [84-86].

Acetylacja polega na przyłączeniu reszty acetylowej do ε-aminowej grupy reszty lizyny. Postuluje się, że modyfikacja ta przyczynia się głównie do rozluźnienia struktury chromatyny, co sprzyja zwiększeniu aktywności transkrypcyjnej acetylowanych regionów, a także związana jest z naprawą DNA. Modyfikacja ta wpływa na zmniejszenie dodatniego ładunku białek histonowych, co powoduje zwiększenie ich powinowactwa do negatywnie naładowanej nici DNA, a co za tym idzie udostępnienie wybranych sekwencji dla białek regulujących transkrypcję. Postuluje się również, że acetylacja może zmieniać strukturę N-końcowych ogonów histonowych poprzez zwiększenie zawartości struktur α-helikalnych. Jak dotąd, u ludzi zidentyfikowano pięć klas enzymów z grupy acetylotransferaz. Acetylowane reszty lizyny służą jako miejsce wiązania białek zawierających bromodomenę, motyw strukturalny charakterystyczny dla niektórych czynników transkrypcyjnych czy białek odpowiedzialnych za zmiany w strukturze chromatyny. Na przykład acetylacja lizyny 16 histonu H4 w stanowi sygnał do kondensacji chromatyny in vivo [85, 87-89].

Metylacja polega na przyłączeniu grupy metylowej do lizyny bądź argininy. Lizyna ma możliwość przyłączenia jednocześnie aż trzech grup metylowych, podczas gdy tylko dwie grupy metylowe mogą być przyłączone równocześnie do argininy.

34 Modyfikacja ta, w przeciwieństwie do acetylacji nie zmienia wypadkowego ładunku białek histonowych. Zwiększenie ilości grup metylowych powoduje zwiększenie powinowactwa histonów do DNA obdarzonego ujemnym ładunkiem. Modyfikacji tej podlegają głównie histony H3 i H4. Metylacja związana jest głównie z naprawą uszkodzeń w DNA oraz z regulacją aktywności transkrypcyjnej. Dowiedziono, że metylowana lizyna 4., 36. i 79. histonu H3 służą jako sygnał aktywacji transkrypcji, natomiast metylacja lizyny 9., 27. i 20. histonu H3 rozpoznawane są jako sygnał inhibicji transkrypcji. Metylacja histonu H3 w pozycji K79 czy dimetylacja histonu H4 w pozycji K20 służą jako miejsce rozpoznania dla białek odpowiedzialnych za naprawę uszkodzeń w DNA [87-90].

Fosforylacja białek histonowych związana jest z regulacją transkrypcji, naprawą uszkodzeń w DNA oraz kondensacją chromatyny. Fosforylacja histonu H3 w pozycji S10 i S28 związana jest z kondensacją chromatyny podczas mitozy, natomiast fosforylacja histonu H3 w pozycji T3 jest niezbędna do właściwego podziału chromosomów podczas metafazy [87, 89, 90].

Ubikwitynacja jest modyfikacją związaną z aktywacją bądź represją transkrypcji, wyciszeniem aktywności niektórych obszarów DNA poprzez tworzenie heterochromatyny, a także naprawą DNA. Przykładem może być ubikwitynacja histonu H2A w pozycji K119, która związana jest z represją transkrypcji. Znane są również doniesienia o aktywacji transkrypcji regionów chromatyny podlegających tej modyfikacji, jak na przykład ubikwitynacja histonu H2B w pozycji K120 [87, 89].

Sumoilacja polega na przyłączeniu do aminokwasu białka SUMO - małego białka stanowiącego część ubikwityny. Modyfikacja ta przeciwdziała zarówno ubikwitynacji, jak i acetylacji, a związana jest z wyciszaniem genów w komórkach ssaczych [85, 87].

ADP-rybozylacja polega na przyłączeniu do aminokwasu reszt cukrowych. Zarówno histony rdzeniowe, jak i histon łącznikowy H1 mogą być mono- lub poli-ADP-rybozylowane. Wykazano, że ADP-rybozylacja argininy i glutaminy związana jest z naprawą uszkodzeń w DNA oraz z proliferacją komórek. Modyfikacja histonu H2A w pozycji S129 oraz histonu H4 w pozycji S1 związane są z naprawą uszkodzeń w obu niciach DNA [85, 87].

W 2000 roku zaproponowano hipotezę kodu histonowego, która wyjaśnia związek potranslacyjnych modyfikacji białek histonowych ze zmianami w strukturze chromatyny, a co za tym idzie z regulacją ekspresji informacji genetycznej. Według tej

35 teorii potranslacyjne modyfikacje histonów stanowią specyficzny wzór, który wpływa na zmiany w funkcjonowaniu DNA poprzez modyfikację struktury chromatyny. Jednak pomimo wielu badań prowadzonych w tym zakresie, nie znaleziono dotąd uniwersalnego „języka” modyfikacji dla organizmów żywych [91, 92].