ЭПИГЕНЕТИКА Геномный импринтинг его роль в нормальном и

ЭПИГЕНЕТИКА Геномный импринтинг, его роль в нормальном и патологическом развитии Лекция 9

ПЛАН ЛЕКЦИИ • Определение понятий • Уровни эпигенетической изменчивости • Механизмы эпигенетической изменчивости метилирование/ деметилирование ДНК ацетилирование /деацетилирование гистонов регуляторные РНК • Эпигенетическая изменчивость в нормальном развитии геномный импринтинг, инактивация Х-хромосомы • Эпигенетические механизмы в патологии человека болезни «импринтинга» , «однородительские дисомии» • Метилирование хромосом человека М-бэндинг - новый тип дифференциальной окраски профили метилирования хромосом в эмбриогенезе • Функциональная геномика на уровне хромосом • Выводы

Предмет эпигенетики «Исследование причинных взаимодействий между генами и их продуктами, приводящих к формированию фенотипа» (Waddington, 1942). Генотип + эпигенотип = фенотип Классическая генетика и Конрад Уоддингтон (1905 -1975) генетика развития: Изучение связи между изменчивостью генотипа и фенотипа в онтогенезе. Эпигенетика в дополнение к генетике: «исследует явления, при которых генетическая изменчивость не ведет к изменениям фенотипа, а фенотипическая изменчивость, в свою очередь, не всегда может быть объяснена нарушениями генотипа» (Jablonka, Lamb, 2002). Лебедев И. Н. 2010

Молекулярные основы эпигенетики H H N CH 3 4 3 5 6 N 1 Б. Ф. Ванюшин Впервые определил природу метилируемых последовательностей ДНК у разных видов организмов (1959 г. ) N 2 O Robin Holliday Обосновал роль метилирования ДНК в регуляции работы гена. Предложил термин «эпимутация» (1987 г. ) Лебедев И. Н. 2010

Геномный импринтинг Эпигенетический феномен, дифференцирующий материнские и отцовские копии генов в геноме организма. Подобная дифференцировка обусловливает моноаллельную экспрессию импринтированных генов в зависимости от пола родителя, их передавшего. Helen Crouse В 1960 году предложила термин «хромосомный импринтинг» Материнский аллель Отцовский аллель - Метилирование ДНК - Ацетилирование гистонов - Транскрипционный комплекс Лебедев И. Н. 2010

“ЭПИГЕНЕТИКА”- ветвь биологии, изучающая причинные взаимодействия между генами и продуктами, образующими фенотип” Конрад Уоддингтон, 1947 ЭПИГЕНЕТИКА – раздел функциональной геномики Эпигеном –функционирующая часть генома

ДВА ВИДА ИНФОРМАЦИИ В ГЕНОМЕ Генетическая (двухмерная) – закодированная в ДНК общая программа создания живого организма Эпигенетическая (Динамическая, трехмерная) – как, где и когда должна быть реализована генетическая информация. Каждый вид информации обеспечен своими системами: Кодирования Хранения Передачи

Основные понятия эпигенетики • Эпиген- единица динамической памяти, имеющая не менее двух режимов работы составляющих её генов и сохраняющихся в ряду поколений ( Голубовский, Чураев, 1997) • Эпигенетическая изменчивость – изменения генной активности на клеточном уровне ( Ю. Б. Вахтин, 1976) • Эпигенотип – часть функционально активного генома в данном типе дифференцированных клеток (Аберкромби, 1976; Ю. Б. Вахтин , 1976) • Эпигенетические траектории- потенциально возможные пути реализации генотипа • Эпигенетическая регуляция - наследственные и ненаследственные изменения в экспрессии конкретного гена без каких-либо изменений в его нуклеотидной последовательности.

Уровни эпигенетической регуляции 1. ДНК (геном) метилирование цитозина 2. РНК транскриптом 3. Белки (протеом) регуляторные пре-м. РНК, антисмысловые РНК, нетранслирующиеся РНК, микро РНК, духцепочечные РНК метилирование/деметилирова ние лизина 4 и 9 гистона Н 3, ацетилирование/деацетилиров ание гистонов Залетаев Д. В.

Механизмы инактивации гена в результате метилирования 1. Метилирование цитозина нарушает ДНК- белковые взаимодействия , препятствует связыванию транскрипционных факторов. 2. Метилированные районы ДНК специфически связывают транскрипционные репрессоры. 3. Метилирование ДНК влияет на структуру хроматина, превращая его в функционально пассивный факультативный гетерохроматин.

5 -метилцитозин ДНК метилтрансфера за Гидролитическое дезаминирование Деметилаза цитозин Дезаминирование Репарация с помощью ДНК урацилгликозилазы тимидин Репликация ДНК урацил

Механизмы репрессии транскрипции в результате метилирования цитозина Pol II Pol II TF TF Репрессия посредством Me. CP-2 Взаимодействие ТФ с ДНК невозможно! Репрессия посредством Me. CP-1 TF TF TF HDAC CH 3 CH 3 -- CH 3 Примеры ТФ: Чувствительные к метилированию AP-2, E 2 F, NFk. B, CREB, Myc/Myn Нечувствительные к метилированию SP-1, CTF CH 3 CH 3 Me. CP-2 Me. CP-1 HDAC- гистон деацетилаза TF –фактор транскрипции Me. CP-1 -, Ме. СР-2 -метил-цитозин-связывающий белок

Взаимосвязь между метилированием цитозина в молекуле ДНК и ацетилированием гистонов

Методы анализа метилирования 1. Метилчувствительная ПЦР (Not 1, Eag 1, Sac. II, Hpa. II, Hha. I) аналитическая чувствительность - 1: 2000 2. Метилспецифическая ПЦР Трансформация цитозина в урацил бисульфитом Na аналитическая чувствительность - 1: 1000 3. Methyl. Light – метилспецифическая ПЦР в реальном времени аналитическая чувствительность - 1: 10000 4. Биологические микрочипы 5. Специфические антиметилцитозиновые антитела Залетаев Д. В. Баранов В. С.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ МЕТИЛИРОВАННОЙ ДНК • геномный импринтинг • инактивация Х-хромосомы • регуляция структуры хроматина • регуляция генной экспрессии • репликация ДНК • канцерогенез • клеточная дифференцировка • выключение трансгенов ( “silencing”)

Геномный импринтинг (ГИ) – различная экспрессия гомологичных генов , хромосом или геномов в зависимости от их родительского происхождения. Импринт – совокупность модификаций , поразному маркирующих родительские аллели и обеспечивающих моноаллельный характер экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или материнского происхождения

Фенотипические проявления геномного импринтинга В геноме человека около 200 генов ИГ – сейчас известно 80 • Комплементарность родительских геномов Mc. Grath, Solter, 1986; Surani, 1984 • Комплементарность гомологичных хромосом • Baranov 1970; Cattanach, Searle, 1975 • Комплементарность гомологичных локусов Феномен Джонсона ген Thp • Комплементарность гомологичных генов – феномен «аллельного исключения» IGF 2 -r. IGF 2

Общие свойства импринтированных генов • Располагаются кластерами (11 р15; 15 q 11 -13) • Асинхронность репликации • Временная и пространственная регуляция экспрессии (IGF 2, Kv. LQT 1) • Консерватизм ортологичных импринтированных генов • Кодируют нетранслируемые РНК

МЕХАНИЗМ БИМОДАЛЬНОГО МЕТИЛИРОВАНИЯ Cedar, Bergman, Nature Rev. Genet. 2009 До имплантации большинство Cp. G островков эмбрионального генома не метилировано, но некоторые области ДНК упакованы в нуклеосомы, содержащие метилированный (Me) по лизину-4 гистон Н 3 (Н 3 K 4) в местах связывания РНК полимеразы. При имплантации экспрессируются метилтрансферазы DNMT 3 A, DNMT 3 B и DNTM 3 L. Последняя узнает свободный лизин -4 гистона Н 3, но не связывается с метилированным по К 4 гистоном Н 3 и ДНК в этой области защищено от метилирования de novo. Так метилируется большая часть генома, но защищены от метилирования Cp. G островки импринтированных генов

МЕХАНИЗМ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ГЕНОВ ПЛЮРИПОТЕНТНОСТИ Гены плюрипотнтности OCT 3/4 и NANOG в клетках Внутренней Клеточной Массы (ВКМ) имеют неметилированые Cp. G островки ( голубые кружки), ацетилированные гистоны Н 3 и Н 4 и метилированный лизин-4 гистона Н 3. При дифференцировке клеток трофэктодермы (ТЭ) к ДНК генов присоединяется комплекс SET (гистонметилтрансфераза G 9 a + гистон деацетилаза - HDAC), который приводит к деацетилированию гистонов и метилированию лизина Н 3 К 9, что служит сигналом для присоединения гетерохроматинового протеина 1 (HP 1) и метилаз DNMT 3 A и DMNT 3 B Происходит локальная гетерохроматизация ДНК de novo Cedar, Bergman, Nature Rev. Genet. 2009

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЕ РЕПРОГРАММИРОВАНИЕ ГЕНОМА Лебедев И. Н. , Сажина Е. А. Генетика 2008 б 44. . 10. 1356 -1373

Геномный импринтинг ГИ – дифференциальная модификация отцовского и материнского генетического материала в процессе созревания гамет, следствием чего являются различия в экспрессии родительских аллелей как в процессе раннего эмбриогенеза, так и взрослых особей

Пути возникновения однородительской дисомии

СХЕМА ДЕТЕКЦИИ И ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ОДНОРОДИТЕЛЬСКОЙ ДИСОМИИ У ЧЕЛОВЕКА Залетаев Д. В.

ОРД по целым хромосомам или их фрагментам выявлены при анализе наследственной патологии и у человека. материнская ОРД по хромосоме 2 => признаки дисэмбриогенеза и отставание в развитии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 6(q 23 - q 24) => неонатальный диабет; материнская ОРД по длинному плечу хромосомы 7 установлена при муковисцидозе; материнская ОРД по короткому плечу хромосомы 7 (GRB 10) => синдром Сильвера – Рассела; материнская ОРД по хромосоме 14 => гипотония, черепно-лицевые аномалии, акромикрия, сколиоз, задержка физического, моторного и умственного развития; отцовская ОРД по хромосоме 14 => сильная умственная отсталость и скелетно мышечные аномалии; материнская ОРД по хромосоме 16 => малый вес при рождении и врожденные аномалии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 20 (GNAS 1) => псевдогипопаратироидизм Залетаев Д. В.

Механизмы возникновения синдрома Прадера –Вилли (PWS) и синдрома Ангельмана(AS). делеция 15 q 11 ОРД мутации в мутации сбалансированные 15 q 13 генах- ЦИ транслокации кандидатах П М М П(М) М П П М PWS 70% 25% 0 <5% 0. 1% П М П П М П М(П) М М П AS 70% 20% <5% <0. 1% Залетаев Д. В.

Синдром Прадера-Вилли Залетаев Д. В.

Синдром Ангельмана Залетаев Д. В.

Autism and schizophrenia may be two sides of the same genomic coin. Copy number variations in the exact same genes determine whether patients suffer from one condition or the other, according to data presented on Friday (Apr. 3, 2009) Идентифицированы 7 локусов с противоположным фенотипическим эффектом: Если доминируют отцовские гены – преобладает аутизм Если –доминируют материнские гены – развивается шизофрения

Эпигенетические риски вспомогательных репродуктивных технологий Уровень метилирования Стирание импринтинга Установление импринтинга Отцовский геном Поддержание импринтинга Материнский геном Формирование половых клеток Оплодотворение Эмбриональное развитие IVM Гонадотропная стимуляция Примордиальная половая клетка Oog Sg Pl Pl По Lucifero et al. , 2004 L L Z Z P P Нерастущий Растущий ооцит D Круглая сперматида MII Зигота 8 -клеточная Бластоциста морула Сперматозоид Криоконсервация ROSI ICSI IVF PGD (биопсия) Пролонгированное культивирование

Вспомогательные репродуктивные технологии и эпигенетика Синдром Энгельмана LOS Синдром Видеманна. Беквита Синдром Рассела. Сильвера 1. Не для всех импринтированных генов известен патологический эффект. Не все импринтированные гены описаны. Механизмы взаимодействия импринтированных генов неясны. 2. Существует риск развития нейрологической и когнитивной патологии, а также злокачественной трансформации клеток вследствие аберрантной экспрессии импринтированных генов. 3. Метилирование ДНК регулирует экспрессию не только импринтированных генов. 4. Метилирование ДНК – существенная, но не единственная эпигенетическая модификация генома. 5. Роль эпигенетики в этиологии мультифакториальных заболеваний еще предстоит изучить.

ВЫВОДЫ • Эпигенетика – раздел функциональной геномики • Метилирование цитозина, ацетилирование гистонов, регуляторные РНК и белки – молекулярная основа эпигенетической регуляции • Геномный импринтинг- универсальный механизм моногенной экспрессии • Исследование паттернов метилирования важно для понимания функциональной геномики хромосом в раннем развитии человека