EPIGENETYKA

Nauka o dziedziczonych zmianach ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji DNA (dziedziczenie epigenetyczne).
Zespół zmian w ekspresji poszczególnych genów dziedziczony podczas mejozy, jak i mitozy niewynikający ze zmian pierwszorzędowej struktury DNA.

Procesy biologiczne podlegające regulacji epigenetycznej u ssaków:

• piętnowanie genomowe u ssaków (imprinting)

• wyłączanie drugiego chromosomu X u samic ssaków

• wyciszenie ekspresji genów w rejonach telomerowych i centromerowych chromosomów

• embriogeneza (morfogeneza)

• różnicowanie się komórek

• podział komórki

Epigenetyczna kontrola transkrypcji genów
a) Histony
Nukleosom zbudowany jest z rdzenia białkowego, 147 bp DNA owiniętego wokół rdzenia oraz z 50 bp DNA łącznikowego. Rdzeń składa się z dwóch kopii każdego z histonów H2A, H2B, H3 i H4. Poza rdzeniem nukleosomu dołączony jest histon H1.

Struktura chromatyny

Euchromatyna – luźno upakowana forma chromatyny, zawierająca geny aktywne transkrypcyjnie
Heterochromatyna konstytutywna – silnie skondensowana chromatyna, stale obecna w komórce, niezawierająca genów
Heterochromatyna fakultatywna – pojawia się w jądrze okresowo, tylko w niektórych komórkach, prawdopodobnie zawiera geny nieaktywne w czasie niektórych faz cyklu kom.

Modyfikacje histonów
Są możliwe, ponieważ końce N białek histonowych (ogony histonowe) wystają poza nukleosom i są dostępne dla enzymów modyfikujących.
Podstawowe modyfikacje: metylacja, acetylacja, fosforylacja, ubikwitynacja, SUMOilacja
w euchromatynie silnie acetylowane histony rdzeniowe
w heterochromatynie konstytutywnej niski poziom acetylacji, histony metylowane
w fakultatywnej metylacja
Acetylacja rozluźnia strukturę chromatyny – DNA dostępne dla polimeraz i cz. Transkrypcyjnych

Hipoteza kodu histonowego
określone wzory modyfikacji potranslacyjnych histonów decydują o stanie chromatyny i aktywności genów w jej obszarze, a w konsekwencji na określony efekt biologiczny. Kod histonowy nie jest uniwersalny, może być dziedziczony.

b) Metylacja DNA
odwracalne enzymatyczne przyłączenie grup metylowych do cytozyny w pozycji C5

Wyspy CpG – regiony promotorowów bogate w dinuklotydy CG nieulegające metylacji, gdzie zawartość nukleotydów cytozynowych i guaninowych wynosi więcej niż 50%.

Metylazy DNA
DNMT3a,3b – metylacja de novo, tworzenie wzoru metylacji DNA na wczesnym etapie rozwoju organizmu
DNMT1 – podtrzymanie wzoru metylacji podczas replikacji i wzrostu tk. Organizmu

Regulacja ekspresji genów przez metylację
hypometylacja promotorów – aktywne geny
hypermetylacja – nieaktywne

Inaktywacja chromosomu X u samic (lioniacja) – aktywna tylko jedna kopia genów sprzężonych
z płcią- wyrównanie poziomu produktów genów położonych na chromosomach X u osobnika żeńskiego i męskiego. Chromosom zostaje pokryty przez cząsteczki RNA tzw. Xist indukujące metylację DNA i deacetylację histonów

Piętnowanie genomowe – zjawisko różnej ekspresji genów zależnej od ich pochodzenia rodzicielskiego. Piętnowanie dotyczy określonych genów lub fragmentów chromosomów. Jest mechanizmem genetycznym regulującym ekspresję genów zaangażowanych w proces różnicowania i rozwoju zarodka. Geny napiętnowane są nieaktywne.
Zespół Angelmana – oba chromosomy 15 pochodzą od ojca, brak ekspresji genów jest wynikiem napiętnowania ojcowskiego objawy: niesprawność intelektualna, charakterystyczne ruchy marionetek, napady śmiechu
Zespół Prader- Williego – chory otrzymał oba chromosomy 15 od matki, materiał genetyczny ojca został utracony, z powodu napiętnowanie matczynego genów nie występuje ich ekspresja.
objawy: otyłość, hypogonadyzm, niski wzrost, upośledzenie umyslowe
Oba te zespoły są wynikiem disomii jednorodzicielskiej (uniparentalnej – UPD)

Zaburzenia imprintingu w nowotworach
LOI/UPD napiętnowanego genu promującego podział komórki – ekspresja bialleliczna zamiast monoallelicznej, zwiększona ekspresja
LOH/UPD regionu napiętnowanego – może spowodować delecję jedynej funkcjonalnej kopii genu supresorowego
mutacja inaktywująca w IC – zaburza ekspresja wielu napiętnowanych genów np. onkogenów, supresorów

Guz Wilmsa (złośliwy nowotwór nerki) – UPD ojcowska 11p15, LOI IGF2, inaktywacja supresora H19
Neuroblastoma (nerwiak płodowy) – matczyna delecja 1p36 zawierającego jedyną kopię supresora p73

Rola metylacji w transformacji nowotworowej
hipermetylacja wysp CpG promotorów -> wyciszenie supresorów -> transformacja nowotworowa
-> inaktywacja genów naprawy DNA -> transformacja
hypometylacja protoonkogenów -> transformacja nowotworowa
globalna hypometylacja – niestabilność chromosomów, aktywacja transpozonów, aktywacja protoonkogenów

Mutacje wynikające z metylacji DNA
spontaniczna deaminacja 5-metylocytozyny powoduje powstanie tyminy i po replikacji GC->AT (tranzycja)
mutacja protoonkogenu/supresora i brak systemu naprawczego – wzrost ryzyka transformacji nowotworowej

5-azacytydyna
analog cytozyny, hamuje działanie metylotransferazy prowadząc do demetylacji sekwencji w którą jest włączona

c) Interferencyjny RNA (niekodujący)
siRNA – wyciszanie ekspresji genu przez dwuniciowy RNA o budowie i sekwencji podobnej do sekwencji DNA wyłączanego genu
microRNA – określają charakterystyczny dla danej komórki profil ekspresji genów, wpływają na ekspresję poprzez degradację docelowego mRNA, zahamowanie translacji lub aktywację transkrypcji, mogą funkcjonować jako onkogeny i supresory

Nutriepigentyka
kwas foliowy zwiększa globalna metylację i minimalizuje zapalenia zapobiegając rakowi żoładka związanego z Helicobacter pylori
deficyt prekursorów donorów grup metylowych (kwas foliowy, metionina, cholina) indukuje hypometylację DNA

Czynniki epigenetyczne a starzenie się
globalna hypometylacja oraz miejscowa hipermetylacja promotorów prowadzą do wyciszenia genów, a co za tym idzie do starzenia się (bo wyciszane są geny odpowiedzialne za wzrost i prawidłowe funkcjonowanie komórek). Maleje ekspresja DNMT1, a wzrasta DNMT3b