Epigenetyka
Epigenetyka to zmiany funkcji lub ekspresji genów bez zmian w kodzie
genetycznym, ale z modyfikacjami struktury chromatyny.
Rodzaje epigenetycznej modyfikacji genów:
•
Metylacja
•
Imprinting
•
Modyfikacja histonów zasadowych
•
Inaktywacja chromosomu X
•
Interferencja DNA
•
Białka Polycomb i Trithorax
1.
Metylacja to proces przyłączania grup metylowych do zasad azotowych.
Aktywna chromatyna jest z reguły słabo zmetylowana i ma acetylowane
histony, nieaktywna odwrotnie; ma metylowaną cytozynę i nieacetylowane
histony. U kręgowców dinukleotydy cytozyny w sekwencji 5’CpG3’ mogą być
enzymatycznie metylowane, dając w efekcie 5-metylocytozynę. Metylacja z
reguły idzie w parze z dezacetylacją histonów, która skutkuje zwiększeniem
zagęszczenia chromatyny. Geny heterochromatyny zwykle są nieaktywne,
prawdopodobnie zagęszczona struktura chroni je przed dostępem
Polimerazy RNA. Metylowana cytozyna tworzy silniejsze niż zwykła wiązania
wodorowe, co stabilizuje helisę. W procesie replikacji DNA zauważamy, że
metylowana jest tylko nić rodzicielska, co ma ogromne znaczenie dla
mechanizmów naprawy. W nici potomnej pierwszy cel dla metylazy
zachowawczej
stanowią
połowicznie
metylowane
palindromy
m
CpG.CpG. Metylacja cytozyny na nici potomnej (w fazie S) jest
komplementarna do metylacji nici rodzicielskiej. W komórkach ssaków
występuje kilka metylaz, spośród nich DMNT1 występuje najobficiej i
wykazuje największe powinowactwo do połowicznie metylowanego DNA
(metylaza zachowawcza). Z kolei DNMT3A i DNMT3B są głównymi
metylazami de novo. Białka wiążące się z sekwencjami metylo-CpG
(MECPs) współdziałają z etylowanym DNA. MECP2 bezpośrednio blokuje
czynnik transkrypcyjny IIB, może odłączyć histon H1 i współdziałać z innymi
białkami, wiążąc się z metylo-CpG i deacetylazami histonowymi, by
skondensować strukturę chromatyny. Skondensowana i nieaktywna
chromatyna zawiera także metylowane histony. W kondensacji udział bierze
rodzina białek MBD, która rozpoznaje i wiąże rejony DNA metylowane. U
bezkręgowców metylacja występuje w znacznie węższym zakresie, niż u
kręgowców. Znakowanie ich chromatyny prawdopodobnie przebiega
poprzez połączenie z nią białek lub RNA, oraz modyfikację histonów w
nukleosomach. W utrzymywanie różnicowania tkanek u Drosophila
zaangażowany jest produkt genu Polycomb.
2.
Wyspy CpG: są to skupienia dinukleotydów CpG występujące w pobliżu
wielu genów u ssaków. Spotyka się je przy końcach 5’(mRNA) w rejonie
promotora. Restrykcyjna nukleaza HPaII tnie fragment CCGG, jeśli środkowa
zasad C
nie jest metylowana. Tnie ona wyspy CpG na małe fragmenty
DNA w komórkach, gdzie dany gen jest aktywny. Badania wykazują, że, że
DNA nie jest cięty w komórkach, w których dany gen nie ulega ekspresji
(nieaktywny DNA jest zmetylowany). Pierwszy ekson ma z reguły większe
zagęszczenie wysp niż pozostałe. Wyspy CpG usuwane są w genomu
wskutek
dezaminacji metylowanej cytozyny, która prowadzi do
powstania Tyminy. Enzymy naprawcze lokalizują błędnie sparowane
nukleotydy (TpG) i powodują zamianę G na A, prowadząc do usunięcia
wyspy. W ten sposób ok. 80% wysp CpG zostaje usuniętych z DNA.
Pozostają tylko te, które utrzymały się wskutek selekcji mutacji w
niezbędnych kodonach lub w regionach kontrolnych sąsiadujących z
sekwencjami kodującymi. W komórkach szlaku płciowego, gdzie nie
występuje metylacja, nie zachodzi też usuwanie wysp CpG.
Metylacja zachodzi w fazie S, w przypadku komórek szlaku płciowego ma to
miejsce dopiero w zygocie, po zapłodnieniu. Podczas nowotworzenia
obserwujemy hipo- lub hipermetylację.
Hipometylacja skojarzona jest z elementami regionów paromotorowych
onkogenów, powoduje ona nadekspresję genów. Może być przyczyną raka jelita
grubego.
Hiperfosforylacja ma charakter punktowy. Np. hiperfosforylowany gen p16
powoduje guzy piersi, mózgu i pęcherza moczowego.
Choroby związane z zaburzeniami metylacji:
•
Zespół Retta: zaburzenia zaliczane do autystycznych.
•
Zespół ICF: niedobór odporności, anormalna budowa twarzy.
•
Zespół Rubinsteina Taybiego: boczne ustawienie paliczków, wady
serca.
Metylacja DNA może być modyfikowana przez:
•
Witaminę B12
•
Kwas Foliowy
•
Cholinę
•
Metioninę
Modyfikacje histonów
•
Powodują remodelowanie chromatyny
•
Kowalencyjne zmiany histonów i proces metylacji są współzależne.
Typy modyfikacji:
•
Acetylacja Lys
•
Fosforylacja Ser
•
Metylacja Lys i Arg
•
Przyłączenie ubikwityny
Modyfikacje histonów mogą powodować choroby takie jak ostra białaczka
(promielocytowa i limfoblastyczna)
3.
Imprinting (rodzicielskie piętnowanie genów) jest to forma aktywacji
bądź inaktywacji genu w zależności od tego, na którym chromosomie
rodzicielskim się znajduje. Ekspresji ulega zawsze tylko jeden allel;
matczyny lub ojcowski. Drugi z nich zwykle jest zmetylowany. Zjawisko to
określa się mianem ekspresji monoallelicznej. We wczesnych stadiach
rozwoju allele jednego z rodziców są wybiórczo inaktywowane, lecz
przebieg procesu selekcji nie został dotychczas wyjaśniony. U ludzi
występują dwa duże regiony podlegające imprintingowi. Jeden z nich
znajduje się na chromosomie
11p15.5, drugi na 15q12. w przypadku 15q12
brak ojcowskiego chromosomu powoduję chorobę Pradera- Willego, z kolei
brak matczynego zespół Angelmana. Te same mutacje wywołują różne
symptomy w zależności, czy zachodzą na chromosomie matczynym czy
ojcowskim.
4.
Inaktywacja chromosomu X: w komórkach ssaków zawsze aktywny jest
tylko jeden chromosom X, drugi X (w przypadku polisomików i
poliploidów także każdy kolejny) u samic pozostaje inaktywowany.
Wykorzystywany do tego jest mechanizm polegający na przyłączeniu
dojrzałego RNA transkrybowanego z chromosomu, który ma być
inaktywowany (chromosom cis). U ssaków kontrolę nad procesem pełni
centrum inaktywacji X (Xic) złożone z kilku elementów:
•
Xist: koduje łańcuch, z którego transkrybowany jest
niekodujący
RNA
okrywający
nieaktywny
X
podczas
heterochromatynizacji.
•
TsiX: jest odwrotnością Xist, przez co jest do niego
komplementarny. Ma początek w okolicy genu DXPas34.
Delecja tegoż genu powoduje trwałą inaktywację chromosomu
X, więc przypuszczalnie oba fragmenty neutralizują działanie
Xist.7
•
Xce: odgrywa rolę w wyborze, który X ma być inaktywowany.
Pewne jego allele zwiększają szanse na to, że „ich” X
pozostanie aktywny.
5.
Białka Polycomb i Trithorax: są to ogromne kompleksy białkowe biorące
udział w podtrzymywaniu „pamięci komórkowej”. Trithorax to aktywatory
transkrypcji, Polycomb z kolei to jej represory. Ich zasadniczą rolą jest
utrzymanie wzoru ekspresji genów, ustalanego na wczesnych etapach
różnicowania komórek. Po rozpoczęciu różnicowania komórki realizują
ściśle ustalony plan rozwojowy, zapisany w genach i kontrolowany przez
wspomniane białka.