Wykł.2_Chromatyna i epigenetyka_2015

23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we

wczesnej profazie

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

Zmiany struktury chromatyny

• modyfikacje DNA

• modyfikacje potranslacyjne histonów

• wyspecjalizowane warianty histonów

Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne

~

~

Arabidopsis 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

Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie

Enzymy modyfikujące histony i DNA

• HAT – acetylotransferazy histonów

(

bromodomena

)

• HDAC – deacteylazy histonów

• HMT – metylotransferazy histonów

(

chromodomena

).

CMT3 – DNA metylotransferaza

Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów

-acetylacja lizyny

Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych

Modyfikacje a struktura

chromatyny

H3 K9 diME H3 K9 diME

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.

Znaczniki epigenetyczne związane ze stanami chromatyny

Swp 73 Swi3Swi3 Snf5

Snf2

SWI/SNF

ISWI

Mi2

Mi2

ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

Przykład „przebudowy” (remodelingu) chromatyny

Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów wzdłuż nici DNA

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.

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.

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

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