23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we
wczesnej profazie
Chromatyna trawiona nukleazą, oryginał z pracy Hewish and Burgoyne 1973
Dean
Hewish, 1973
Leigh
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/Nucleus.html
„Sznur korali” (‘beads on the string’)
Roger Kornberg
w 1974 r. zaproponował
model, w którym DNA
owinięty jest wokół rdzenia
histonowego tworząc
nukleosom
Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze
• Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80 pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27,5 A.
Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60
Karolin Luger
Timothy Richmond
Nukleosomy - terminologia
Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.
8 histonów: Po dwa każdego z: H2A H2B H3 H4
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
Zmiany struktury chromatyny
• modyfikacje DNA
• modyfikacje potranslacyjne histonów
• wyspecjalizowane warianty histonów
Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne
O N NH2 N~
O N N NH2~
CH3 cytosine 5-methylcytosine Methy ltrans feras eArabidopsis 46-dni od wysiania
WT met1/cmt3
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
Transpozony
• Fragmenty DNA, które mogą
się wstawiać w nowe miejsce w
chromosomie
• Niektóre są zdolne do
autokopiowania, co prowadzi
do wzrostu ich ilości w
genomie
• Odpowiadają za wielkoskalowe
zmiany w chromosomach, jak
również pojedyncze
U roślin program epigenetyczny wycisza
transpozony i chroni integralość centromerów
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
Metylacja DNA jest niezbędna do
wyciszania transpozonów
Utrata funkcji met1 lub ddm1 (decrease in DNA methylation1) mutanty mają niedometylowany DNA Brązowy = Metylowany DNA w mutancie met1 Niebieski = gęstość genów Czerwony = Gęstość elementów powtarzalnych Zielony = Metylowany DNA
© 2013 American Society of Plant Biologists
Metylotransferazy DNA w
Arabidopsis
MET1 (METHYLTRANSFERASE1)
• Miejsca 5'-CG-3'
• Wyciszanie transpozonów, elementów
powtórzonych, piętnowanie genów (imprinting)
CMT3 (CHROMOMETHYLASE3)
• Miejsca 5'-CHG-3'
• (H= A, C or T)
• Oddziaływanie z modyfikakcjami histonów
DRM 1, DRM 2 (DOMAINS REARRANGED 1 and 2)
• Miejsca 5'-CHH-3'
• Metyluje głównie elementy powtarzalne
• Wymaga aktywnej indukcji przez siRNA
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
Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie
H2A H2B H3 H4 H4 H3 H2A H2BEnzymy modyfikujące histony i DNA
• HAT – acetylotransferazy histonów
(
bromodomena
)
• HDAC – deacteylazy histonów
• HMT – metylotransferazy histonów
(
chromodomena
).
CMT3 – DNA metylotransferaza
(
chromodomena
)
Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów
-acetylacja lizyny
Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych
Modyfikacje a struktura
chromatyny
H3 K9 diME H3 K9 diME
Modyfikacje histonów
Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.
Biotinylation ADP-ribosylation * k6 * k11 *
Po-translacyjne modyfikacje histonów w nukleosomie
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
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.
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
Znaczniki epigenetyczne związane ze stanami chromatyny
ATP-zależna przebudowa chromatyny ATP-dependent chromatin remodeling ATP-zależna przebudowa chromatynySwp 73 Swi3Swi3 Snf5
Snf2
ISWIISWISWI/SNF
ISWI
Mi2
Mi2
ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Kingston & Narlikar, 1999
Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów wzdłuż nici DNA
Przykład „przebudowy” (remodelingu) chromatyny
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
•
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 2010Dziedziczenie 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.
Dziedziczenie właściwości (np. wzoru ekspresji genów) poprzez
mitozę, nie wymagające zmian w sekwencji DNA.
Epigenetyka
Genetyka
Epigenetyka
Istota modyfikacji
epigenetycznej
Dezaktywacja chromosomu X polega na
wyciszeniu epigenetycznym
U samic ssaków, w każdej komórce jedna z kopii chromosmu X jest epigenetycznie wyłączona
Kolor futra u kotów jest częściowo determinowany przez gen orange, położony w chromosomie X. Samica, która jest heterozygotą w genie orange, wykazuje czarne i pomarańczowe plamy, które odpowiadają komórkom, z genem wyłączonym w jednym lub drugim chromosomie.
X X X XX X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
U samic ssaków, w każdej komórce jedna kopia chromosomu X jest wyciszona
Rainbow Klon Rainbow
Dlaczego sklonowany kot nie jest dokładnie
taki, jak oryginał?
U bliźniąt monozygotycfznych różnice epigenetyczne (metylacja DNA)
nagromadzają się w życiu osobniczym
• Istotne różnice w metylacji DNA pokazane są jako grube czerwone i zielone rejony na ideogramach. Para 50-letnich bliźniaków wykazuje liczne zmian e we wzorze metylacji DNA (zielone=hipermetylacja;
czerwone=hipometylacja), 3-letnie bliźnięta maja bardzo podobny wzór metylacji (żółte).
• "...Stwierdziliśmy, że choć monozygotyczne bliźnięta są
epigenetycznie nierozróżnialne we wczesnych latach życia, w starszym wieku wykazują znaczące różnice w zawartości i rozkładzie
5-metylocytozyny w DNA oraz w acetylacji histonów, co wpływa na profil ekspresji ich genów. Pokazuje to jak bardzo niedoceniamy znaczenia epigenetyki w powstawaniu różnych fenotypów z tego samego genotypu."
• Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul 26;102(30):10604-9. Copyright (2005) National Academy of Sciences, U.S.A
Fenotyp mutantów w metylotransferazie histonów
Mutanty są pozbawione metylacji w H3K36.
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.
FLC hamuje FT, aktywator kwitnienia
Roślina dzika Roślina z mutacją flc FL C Gen FTZwiązanie FLC hamuje transkrypcję FT
Gen FT
F T
Mutanty w genie FLOWERING LOCUS
C (FLC) kwitna wcześnie
Jesień Zima Wiosna
FLC jest inhibitorem kwitnienia; brak FLC znosi
konieczność wernalizacji.
FLC jest wyciszany w trakcie wernalizacji
Jesień Zima Wiosna
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
FLC jest regulowany przez
modyfikacje epigenegtyczne
Jesień Zima Wiosna
FLC transkrybowany FLC wyciszony Zimno H3k4me H3K36me H3K9ac H314ac H3k9me2 H3k27me2
Kompleksy VIN3 i PRC2
epigenetycznie wyłączają FLC
Jesień Zima Wiosna
FLC transkrybowany FLC wyciszony
VIN3
PRC2 (łącznie z VIN3)
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
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