Wykł.5 Chromatyna 2014

(1)

Wielkoskalowa charakterystyka genomów

(2)

(3)

23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we

wczesnej profazie

(4)

(5)

(6)

Chromatyna trawiona nukleaza, oryginał z pracy Hewish and Burgoyne 1973

Dean

Hewish, 1973

Leigh

(7)

(8)

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/Nucleus.html

„Sznur korali” (‘beads on the string’)

(9)

Roger Kornberg

w 1974 r. zaproponował

model, w którym DNA

owinięty jest wokół rdzenia

histonowego tworząc

nukleosom

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze

• Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80 pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27,5 A.

(17)

(18)

Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60

Karolin Luger

Timothy Richmond

(19)

(20)

(21)

Nukleosomy - terminologia

Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.

8 histonów: Po dwa każdego z: H2A H2B H3 H4

(22)

Organizacja chromatyny

2 nm

11 nm

30 nm

300 nm

Podwójna helisa DNA

Histony + DNA. “Koraliki na sznurku” f Włókna nukleosomowe 30-nm (solenoid) Włókna połączone z macierzą jądrową Nuclear Matrix Komórka roślinna

(23)

(24)

(25)

(26)

Zmiany struktury chromatyny

• modyfikacje DNA

• modyfikacje potranslacyjne histonów

• wyspecjalizowane warianty histonów

(27)

(28)

(29)

(30)

Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne

O N NH2 N

~

O N N NH2

~

CH3 cytosine 5-methylcytosine Methy ltrans feras e

Arabidopsis 46-dni od wysiania

WT met1/cmt3

(31)

Metylacja DNA u eukariontów

• Nie jest uniwersalna, występuje u ssaków i roślin kwiatowych

• Jest zmienna gatunkowo, tkankowo i chromosomowo

• Rozpoznawana przez rodzinę białek zawierających domenę

(MBD) wiążącą metylowany DNA

• Ściąga kompleksy białkowe indukujące zmiany w lokalnej

strukturze chromosomów

• Wyłącza ekspresję genów

• Zakłócenia w normalnym wzorze metylacji DNA są niemal

powszechnie wykrywane w nowotworach

(32)

(33)

U bliźniąt monozygotycfznych różnice epigenetyczne (metylacja DNA)

nagromadzają się w życiu osobniczym

• Significant DNA methylation changes are indicated as thick red and green blocks in the ideograms. The 50-year-old twin pair shows abundant changes in the pattern of DNA methylation

(green=hypermethylation and

red=hypomethylation), 3-year-old twins have a very similar DNA methylation (yellow).

• "...We found that, although twins are epigenetically indistinguishable during the early years of life, older

monozygous twins exhibited

remarkable differences in their overall content and genomic distribution of 5-methylcytosine DNA and histone

acetylation, affecting their gene-expression portrait. These findings indicate how an appreciation of epigenetics is missing from our understanding of how different

phenotypes can be originated from the same genotype."

• Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul 26;102(30):10604-9. Copyright (2005) National Academy of Sciences, U.S.A

(34)

Przykład ewolucyjnego efektu epimutacji

(zmiany we wzorze metylacji DNA)

From Cubas et al 1999, Nature 401: 157-161

Lcyc kontroluje symetrię grzbietowo-brzuszną kwiatu; u mutanta nieaktywny z powodu silnej, dziedziczonej metylacji

(35)

Epigenetyczna kontrola czasu

kwitnienia

Jesień Zima Wiosna

Rozwój wegetatywny Rozwój generatywny Przedłuzony okrers

chłodu

Niektóre rośliny wymagają przedłużonego okresu

chłodu (wernalizacji) – w trakcie zimy, zanim

będą mogły zakwitnąć.

(36)

Transpozony

• Fragments of DNA that can

insert into new chromosomal

locations

• Some copy themselves and

increase in number within the

genome

• Responsible for large scale

chromosomal rearrangements

as well as single-gene

(37)

U roślin program epigenetyczny wycisza

transpozony i chroni integralość centromerów

(38)

Transpozony mogą powodować

wyłączenie lub niestabilność alleli

Allel dziki

Ziarniak barwny

Allel zmutowany

Ziarniak bezbarwny _{Allel niestabilny}

Ziarniak częściowo zabarwiony Wycięcie transpozonu powoduje niestabilność allelu Gen biosyntezy barwnika Gen rozbity przez transpozon

(39)

Metylacja DNA jest niezbędna do

wyciszania transpozonów

Utrata funkcji met1 lub ddm1 (decrease in DNA methylation1) mutanty maja niedometylowany DNA BROWN = Methylated DNA in a met1 mutant BLUE = Gene density RED = Repetitive element density GREEN = Methylated DNA

(40)

Aktywacja transpozonów w mutancie

ddm1 indukuje mutacje

Po wyłączeniu DDM1, fenotyp rośliny staje się coraz bardziej nienormalny, w miarę akumulowania indukowanych przez transpozony. Dziki Po 1 pokoleniu Po 3 pokoleniach Po 5 pokoleniach

(41)

Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie

H2A H2B H3 H4 H4 H3 H2A H2B

(42)

Enzymy modyfikujące histony i DNA

• HAT – acetylotransferazy histonów

(

bromodomena

)

• HDAC – deacteylazy histonów

• HMT – metylotransferazy histonów

(

chromodomena

).

CMT3 – DNA metylotransferaza

(

chromodomena

)

(43)

Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów

-acetylacja lizyny

(44)

Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych

(45)

(46)

(47)

Mechanizm działania modyfikacji potranslacyjnych białek

histonowych

 Działanie pośrednie: rekrutacja białek rozpoznających

określone modyfikacje

Kozaurides 2007

 Działanie bezpośrednie: zmiany w oddziaływaniach

histon-DNA i histon-histon

(48)

Fenotyp mutantów w metylotransferazie histonów

Mutanty są pozbawione metylacji w H3K36.

(49)

Modyfikacje a struktura

chromatyny

H3 K9 diME H3 K9 diME

(50)

(51)

(52)

Swp 73 Swi3Swi3 Snf5

Snf2

ISWIISWI

SWI/SNF

ISWI

Mi2

ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

(53)

Kingston & Narlikar, 1999

Działanie kompleksów remodelujących chromatynę

DDM1

ATP

(54)

Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów wzdłuż nici DNA

(55)

Przykład „przebudowy” (remodelingu) chromatyny

(56)

(57)

Nukleosomy zajmują określone miejsca w chromatynie

• A. Schemat ułożenia

nukleosomów w chromatynie, pojęcie długości powtórzeń nuklesomowych.

•

• B. Silnie zlokalizowane i rozmyte nukleosomy. • C. Nukleosomy a miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych. • G. Arya et al. jbsd 2010

•

(58)

Nukleosomy a transkrypcja

• Schemat otwartych (A) i

zamkniętych (B) promotorów.

• Typowa mapa pozycyjna

nukleosomów na otwartym

promotorze pokazuje wyraźne

wyróżnienie locus genowego

przez obecność rejonów 5’ i 3’

wolnych od nukleosomów

(NDR).

• (TSS) - miejsce startu

transkrypcji.

• 5’ NDR sąsiaduje z silnie

związanymi nukleosomami.

• G. Arya et al. jbsd 2010

(59)

Dziedziczenie epigenetyczne

• Dziedziczne modyfikacje funkcji genów nie

związane ze zmianami w sekwencji DNA

• Mechanizmy epigenetyczne są związane z

modulacją chromatyny i obejmują:

modyfikacje histonów, metylację DNA,

przebudowę nukleosomów (remodeling),

system RNAi.

(60)

Dziedziczenie właściwości (np. wzoru ekspresji genów) poprzez

mitozę, nie wymagające zmian w sekwencji DNA.

Epigenetyka

Genetyka

Epigenetyka

(61)

Rainbow Klon Rainbow

Dlaczego sklonowany kopt nie jest dokładnie

taki, jak oryginał?

(62)

Modyfikacje histonów

Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.

Biotinylation ADP-ribosylation * k6 * k11 *

(63)

Po-translacyjne modyfikacje histonów w nukleosomie

(64)

Przykład przeciwstawnych funkcji

modyfikacji histonów

• H3/H4 AcLys/H3metLys4(H3K4)

-

związane z rejonami aktywnej transkrypcji

H3/H4 Lys+/H3metLys9 (H3K9) -

związane z rejonami wygaszonej

transkrypcji.

(65)

Euchromatyna i heterochromatyna

http://www.nyas.org/

Euchromatyna Heterochromatyna

• Mniej skondensowana

• Głównie w ramionach chromosomów

• Zawiera unikatowe sekwencje

• Bogata w geny

• Silnie skondensowana

• Głównie w centromerach i telomerach

• Zawiera powtórzone sekwencje

(66)

(67)

Znaczniki epigenetyczne związane ze stanami chromatyny

ATP-zależna przebudowa chromatyny ATP-dependent chromatin remodeling ATP-zależna przebudowa chromatyny

(68)

X chromosome inactivation involves epigenetic

silencing

In female mammals, one copy of the X chromosome in each cell is epigenetically inactivated.

Fur color in cats is determined in part by orange, an X-linked gene. A female cat that is heterozygous for the orange gene shows black and orange patches, corresponding to which X chromosome is active.

(69)

Program epigenetyczny wspomaga

przejścia rozwojowe u roślin

Rozwój embrionalny Rozwój wegetatywny Rozwój generatywny Przejście z fazy embrionalnej do wegetatywnej Przejście z fazy wegetatywnej w generatywną

(70)

Mutanty w genie FLOWERING LOCUS

C (FLC) kwitna wcześnie

FLC jest inhibitorem kwitnienia; brak FLC znosi

konieczność wernalizacji.

(71)

FLC hamuje FT, aktywator kwitnienia

Roślina dzika Roślina z mutacją flc FL C Gen FT

Związanie FLC hamuje transkrypcję FT

Gen FT

F T

(72)

FLC jest wyciszany w trakcie wernalizacji

Po 40 dniach w 4°C , FLC nie jest wyrażany. 10 dni po powrocie do 22°C ekspresja FLC jest wciąż wyłączona. FLC transkrybowany FLC wyciszony

(73)

FLC jest regulowany przez

modyfikacje epigenegtyczne

FLC transkrybowany FLC wyciszony Zimno H3k4me H3K36me H3K9ac H314ac H3k9me2 H3k27me2

(74)

Kompleksy VIN3 i PRC2

epigenetycznie wyłączają FLC

FLC transkrybowany FLC wyciszony

VIN3

PRC2 (łącznie z VIN3)