Wyklad 12 represja 2014

Heterochromatyna i epigenetyczne

wyciszanie ekspresji genów

Plan wykładu:

1. Charakterystyka heterochromatyny

2. Wyciszanie transpozonów

3. Przebudowa chromatyny – rola białek Polycomb

4. Funkcje białek PcG w rozwoju zwierząt i roślin

5. Struktura oraz mechanizm działania kompleksów Polycomb (PcG)

Euchrochromatin Heterochromatin

The chromatin Yin / Yang

Where on the chromosomes are condensed and

open chromatin located?

Condensed chromatin Open chromatin

Constitutive Heterochromatin Telomeres Centromeres Condensed chromatin is also found at several silent genes located in the chromosomal arms Typical of the active gene loci along the

chromosomal arms

Guillaume J. Filion , Joke G. van Bemmel , Ulrich Braunschweig , Wendy Talhout , Jop Kind , Lucas D. Ward , Wim B...// Cell Volume 143, Issue 2 2010 212 - 224

Podstawowe Typy Chromatyny

Rola heterochromatyny

Wyciszanie transpozonów

• Modyfikacje epigenetyczne

prawdopodobnie powstały aby wyciszać

obce elementy genetyczne

• Mutacje uszkadzające mechanizmy

wyciszania epigenetycznego powodują

uwolnienie transpozonów

Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencin keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353.

7

Transpozony są aktywnie wyciszane

Maintaining transposon silencing is an active, dynamic process that requires ongoing siRNA production and epigenetic vigilance.

9

Powstawanie heterochromatyny u Arabidopsis

Aktywacja transpozonów powoduje mutacje

Kakutani, T., Jeddeloh, J.A., Flowers, S.K., Munakata, K., and Richards, E.J. (1996) Developmental abnormalities and epimutations associated with DNA hypomethylation mutations. PNAS 93: 12406-12411. Copyright (1996) National Academy of Sciences, U.S.A.

11

Znaczniki heterochromatyny

Where on the chromosomes are condensed and

open chromatin located?

Condensed chromatin Open chromatin

Constitutive Heterochromatin Telomeres Centromeres Condensed chromatin is also found at several silent genes located in the chromosomal arms Typical of the active gene loci along the

chromosomal arms

Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of

chromatin along the chromosomal arms

1.

modyfikacje DNA – metylacja DNA

2.

modyfikacje potranslacyjne histonów – np. acetylacja

3.

wyspecjalizowane warianty histonów

4.

ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

5.

Przebudowa chromatyny zależna od białek Polycomb –

wyciszanie epigenetyczne genów

Odkrycie białek Polycomb - historia

Pierwsza praca: 1949r – P. Lewis

1978 Ed Lewis's founding Polycomb paper identifying a role for the Pc gene in the regulation of homeotic genes

1988 Antagonism between Polycomb and trithorax genes

1997 Analysis of PcG proteins in plants PcG proteins and epigenetic regulation of gene expression by "cosuppression"

1999 Purification of the PRC1 complex Role of PcG in cell proliferation

2002 Characterization of the E(z)-Esc / PRC2 complex - Histone methyltransferase activity trxG proteins and histone methylation

2010 Various links between PcG proteins and noncoding RNAs, in particular, SUZ12 was shown to be an RNA-binding protein.

Utrzymywanie wzorów ekspresji kluczowych genów regulatorowych w trakcie rozwoju – antagonizm PcG-Trx

PcG, trxG, and maintenance of gene expression

Early development

Establishment of patterns

Maternal, Gap, Pair-rule, Segment polarity

ON OFF

Ubx

Polycomb-Group

Maintenance phase

trithorax-Group

Transmission of pattern after disappearance of early factors

ON

OFF

ON

OFF

Chanvivattana Y et al. Development 2004;131:5263-5276

Mutacje polycomb – Arabidopsis

PSC Ph Pc _RING PRC1 E(z) Su(z)12 Esc PRC2

Kompleksy Polycomb - Drosophila

Nurf55

ESC SU(Z)12

E(Z) NURF55

Extra sex comb (ESC) Drosophila

PRC2 has a conserved core of four proteins

Enhancer of zeste (E(Z))

Homologi podjednostek PRC2

Developmental Cell 19, November 16, 2010

Zróżnicowanie kompleksów PcG - ssaki

E(Z)

(methylase) ESC SU(Z)12 NURF55

Drosophila PRC2

Arabidopsis PRC2

EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2) VERNALIZATION 2 (VRN2) FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1 (MSI1,2,3,4,5)

Zróżnicowanie kompleksów PcG - rośliny

23

Plants make multiple PRC2 complexes with different

targets

MEA + FIS2 complex

CLF/SWN + VRN2 complex

CLF/SWN + EMF2 complex

Seed development

Transition to flowering

PSC Ph Pc _RING PRC1 E(z) Su(z)12 Esc PRC2

E(z) – zawiera domenę SET i ma aktywność metylotransferazy HKMT – specyficznie metyluje K27 histonu H3

Pc posiada chromodomenę, dzięki temu wiąże się do metylowanego histonu H3 w lizynie 27

Kompleksy Polycomb – mechanizm działania

Nurf55

Structure of HP1 Chromodomain Bound to a Lysine 9-Methylated Histone H3 Tail Steven A. Jacobs and Sepideh Khorasanizadeh Science 295: 2080-2083

Chromodomena – umożliwia wiązanie białek

do metylowanej lizyny

In animals, H3K27me3 silencing is maintained by PRC1

H3K27me3

Active genes Silenced genes Stably silenced genes Polycomb Repressive Complex 2 Polycomb Repressive Complex 1 H3K27me3 27

In plants, PRC1-like functions similarly

H3K27me3 H3K27me3

Active genes Silenced genes Stably silenced genes Polycomb Repressive Complex 2 PRC1-like LHP1 LHP1 binds specifically to H3K27me3

Sonicate and purify chromatin

(average size = 1 kb)

Add antibody and purify antibody-chromatin complexes on Protein A

Sepharose, purify DNA and amplify by Linker-mediated PCR

Cross-link cells or embryos with

formaldehyde to induce protein-DNA crosslinks

Use amplified DNA as probe to

hybridize DNA chips containing the genome. Extract the distribution profile of the proteins of interest

ChIP on chip

Miejsca wiązania PcG w genomie - Drosophila

Profile genomowe PRC2 i H3K27me3 pokrywają się

PH PC

Kompleksy Polycomb – mechanizm działania

Modyfikacja hamująca transkrypcję

Kompleksy Polycomb – mechanizm działania

Rekrutacja kompleksów PcG do docelowych

miejsc w genomie

Jurg Muller and Peter Verrijzer, Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158 Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011

Dodatkowy kompleks rekrutujący - PhoRC

Udział ncRNA w rekrutacji PcG do genów Hox

Rekrutacja kompleksów PcG – rola ncRNA

Syuzo Kaneko , Roberto Bonasio , Ricardo Saldaña-Meyer , Takahaki Yoshida , Jinsook Son , Koichiro Nishino , Akihi...

Interactions between JARID2 and Noncoding RNAs Regulate PRC2 Recruitment to Chromatin

http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2013.11.012

Działanie PcG u roślin:

kontrola czasu kwitnienia

Some plants require a prolonged cold

period (vernalization) - as experienced

during winter, before they will flower.

Vegetative

Development

Reproductive

Development

Prolonged cold

treatment

Epigenetyczna regulacja genu FLC

H2A.Z incorporation H3K4me, H3K36me H3K9Ac, H3K14Ac

H3K9me2, H3K27me2

FLC gene transcribed

FLC gene silenced

cold

Winter Spring Autumn

P V U NV = no vernalization VT0 = 40 days at 4° VT7 = 40 days at 4° followed by 7 days at 22°

-

-

+

Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164.

Działanie PcG - Arabidopsis

39

The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology

PRC2

(including VIN3)

FLC gene transcribed FLC gene silenced

VIN3

Winter Spring Autumn

Działanie PcG - Arabidopsis

Udział ncRNA w represji FLC

Dwie podstawowe klasy białek TrxG

Trx

Ash1 Metylotransferazy histonowe Zawierają domenę SET

Specyficznie metylują K4 histonu H3

Brm Osa Mor

Czynniki współtworzącekompleksy remodelujące chromatynę

Odpowiedniki drożdżowego kompleksu SWI/SNF Brm katalityczna podjednostka kopleksu, ortolog SNF

Obie klasy białek Trx pełnią rolę w utrzymaniu aktywności genów,

ale także znana jest ich funkcja w aktywacji transkrypcyjnej.

Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax

Represja

Nature Reviews Cancer. 9, 773-784

Rola PcG w procesach nowotworzenia

Nieprawidlowe działanie PcG może prowadzić do powstania komórek nowotworowych

Pytania i nowe odkrycia

 Na czym dokładnie polega działanie kompleksu PRC1?

 Jak przebiega rekrutacja kompleksów PcG?  Czy skład kompleksów PcG warunkuje zmiany rozwojowe czy jest ich efektem?

 W jaki sposób dochodzi do zmian równowagi pomiędzy działaniem Trx i PcG ? Czy zawsze jest to antagonizm?

Nowe odkrycia

* Grudzień 2013