Molekulární biologie 6. Regulace genové exprese Osnova Řízení exprese bakteriálního genomu Řízení exprese eukaryotického genomu Hlavní zdroje: S. Rosypal, Úvod do molekulární biologie 1-4 Masarykova Universita Brno ISBN 80-902562 B. Staveley, Principles of Cell Biology Memorial University of Newfoundland http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/CBhome.html M. Muller, Biology of Cells and Organisms University of Illinios, Chicago http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm Wikipedia Řízení exprese bakteriálního genomu podle toho jak moc se blíží konvenční sekvenci Část první: Řízení exprese bakteriálního genomu - u bakterií nejčastěji regulace na úrovni transkripce - NE všechny promotory jsou si rovny - některé mají slabší afinitu k RNA-polymeráze než jiné - proto potřebují pomoc regulátorů (pozitivní nebo negativní) - vypínání a zapínání transkripce v reakci na okolní podmínky - nikdy není potřeba vyrábět všechny proteiny najednou - buňky nikdy neplýtvají zbytečně energií Regulátory: 1. Regulační protein - vážou se na regulační oblast DNA (promotor/operátor) - 2 vazebná místa a) pro rozlišení DNA promotoru/operátoru regulovaného genu b) pro příslušnou signální molekulu - po vazbě signální molekuly mění konformaci a tím afinitu k promotoru 2. Signální molekula (alosterický efektor) - většinou malá a neschopná se přímo vázat na regulační oblast DNA (promotor/operátor) - často substrát (např. laktóza) nebo produkt (např. aminokyselina) příslušného enzymu - daný enzym se buď zapne (β-galaktozidáza) nebo vypne (AA-syntetáza) - vazba na regulační protein (zprostředkovatel) Signální molekula (alosterický efektor) a Regulační protein Regulátory signální molekuly Systém regulace genů je zkoumán od roku 1961, kdy Jacques Monod objevil lac operon (Nobelova cena 1968) Indukce syntézy proteinů β-galaktozidáza (u E. coli) - jeden z enzymů pro štěpení laktozy u E. coli (spolu s permeazou a transacetylázou) - v prostředí kde je jediný zdroj uhlíku glukóza se enzym netvoří - po přenosu do prostředí s jediným zdrojem uhlíku laktózou začnou syntetizovat β-galaktozidázu za 1min - Koreprese: glukoza aktivně potlačuje syntézu β-galaktozidázy - samotná přítomnost laktozy nestačí, aby se začal tvořit enzym - tzn. za přítomnosti glukozy i laktozy zůstává laktoza nedotčena Represe syntézy proteinů - syntéza enzymu potlačena metabolitem dané biochemické dráhy - syntéza se zastavuje pokud se v buňce nahromadí metabolit do kritického množství (např. aminokyseliny) - při poklesu pod kritickou mez se obnovuje Jacques Monod www.nobelprize.org Regulace operonu - Operon - transkripční jednotka, která obsahuje regulační místa "Promotor" a "Operátor" před strukturními geny - Operátor - úsek na operonu, kam se váže represor → zastavení transkripce - Slabé nekovalentní vazby Represor (negativní regulační protein) - Fyzicky brání RNA-polymeráze ve vazbě nebo pohybu na DNA - Na represor se váže signální molekula a) induktor - zabraňuje vazbě na operátor - probíhá transkripce b) korepresor (není nezbytný) - podporuje vazbu na operátor - neprobíhá transkripce http://www.dnacoil.com/wp-content/uploads/2013/06/promook.png OPERON lacI je jiný gen, vlastní transkript lacZ, lacY a lacA jsou na jednom transkriptu, mají společný promotor, ale každý má vlastní Shine-Dalgarno sekvenci a start a stop kodon Laktózový operon E. coli (lac operon) http://www.cas.miamioh.edu/~wilsonkg/old/gene2005/systems/regulation/bp16p8.jpg lacI - gen pro regulační protein (nachází se před strukturními geny pro enzymy štěpící laktozu) lacZ - gen pro β-galaktozidázu lacY - gen pro Permeázu lacA - gen pro Transacetylázu Geny pro funkčně blízké proteiny se nachází na DNA v rámci jedné transkripční jednotky (operonu) Laktózový operon E. coli (lac operon) - glukoza je pro E. coli "sugar of choice" a dává jí přednost před laktozou - samotná přítomnost laktozy nestačí, aby se začal naplno tvořit enzym - musí být zároveň nepřítomná glukoza - RNA polymeráza má sama o sobě slabou afinitu k promotoru lac operonu - potřebuje pomoc pozitivního regulačního proteinu - CAP (catabolite activator protein) - CAP se váže na promotor lac operonu pouze po aktivaci pomocí cAMP (signální molekula/alosterický ef.) - Glukoza ovšem inhibuje tvorbu cAMP inhibicí enzymu adenylyl cyklázy http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/17_11b_cAMP-L.jpg Laktózový operon E. coli (lac operon) http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/cap02b.jpg Tryptofanový operon (trp operon) - obsahuje 5 strukturních genů (trpE, trpD, trpC, trpB, and trpA), promotor (Ptrp), operator (O), a vedoucí sekvenci (L) - Pokud Tryptofan chybí - represor (kodován trpR) je inaktivní - transkripce probíhá Vedoucí sekvence DNA – úsek DNA v bakteriálních transkripčních jednotkách uložená mezi promotorem a prvním strukturním genem. Je v ní uložena Shine-Dalgarnova sekvence. Může obsahovat atenuátor. http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_06.jpg Tryptofanový operon (trp operon) -Pokud je Tryptofan přítomen, váže se na represor a represor vazbou na DNA zastaví transkripci -- Exprese genů kodujících enzymy biochemické dráhy pro syntézu Tryptofanu je navíc ještě řízena tzv. atenuací - http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_06.jpg Atenuace - Atenuátor - oblast ve vedoucí sekvenci DNA (překládá se) - Pouze u prokaryot - Spojení mezi transkripcí a translací u prokaryot umožňuje fungování kontrolního mechanismu atenuace - Nascentní řetězec RNA je kousek dál simultánně překládán do proteinu - Transkript trp operonu (mRNA) obsahuje 162 nukleotidů před prvním strukturním genem trpE - Tato vedoucí sekvence obsahuje "sensor" (neboli vedoucí peptid) o velikosti 14 AA a) pokud je přítomen tryptofan - vytvoří se pouze vedoucí peptid b) pokud není přítomen tryptofan - celý operon je přeložen a vytvoří se enzymy pro syntézu tryptofanu Vedoucí sekvence DNA – úsek DNA v bakteriálních transkripčních jednotkách uložená mezi promotorem a prvním strukturním genem. Je v ní uložena Shine-Dalgarnova sekvence. Může obsahovat atenuátor. http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_07.jpg první strukturní gen pokud je tryptofan, transkripce se ukončí před trpE nové RNA-polymerázy nasedají na AUG na mRNA ostatních genů na transkriptu, který byl vyroben celý Mechanismus atenuace - vedoucí sekvence mRNA obsahuje 4 regiony, které jsou vzájemně kompatibilní a schopny tvořit vlásenky: 1+2, 2+3, 3+4 - regiony 3+4 jsou schopny tvořit terminační vlásenku - RNA-polymeráza se uvolňuje z DNA 1. Nedostatek tryptofanu - ribozom se zastaví na místě kodováném pro tryptofan (region 1) čeká až přiletí tRNA - ribozom fyzicky zablokuje pouze region 1. Region 2 je volný a vytvoří vlásenku s regionem 3 - nevzniká tedy terminační vlásenka 3+4 → translace pokračuje a enzymy pro syntézu nedostatkového tryptofanu jsou vyrobeny 2. Dostatek tryptofanu - ribozom se zastaví až ve stop kodonu - blokuje region 2 - vzniká terminační vlásenka 3+4 a RNA-polymeráza se uvolňuje - výsledkem je pouze krátký vedoucí peptid (14 AA) http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_07.jpg 1. Ribozom uvízne na 1. úseku, 2 je volná pro 3 2. Ribozom v době syntézy 3 a 4 blokuje 2, pak jediná možnost je 3+4 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_08.jpg stalled - zablokovaný, scarce - nedostatek, plentiful - hojný bacillus subtilis tam se váže přímo signální molekula http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_09.jpg Riboswitch - další příklady - regulační úsek na mRNA, který kontroluje produkci daného proteinu (může vázat signální molekuly) FMN - Flavinmononukleotid je redoxně aktivní kofaktor (prostetická skupina) flavoproteinů, hrají roli např. v dýchacím řetězci. Podobný princip jako tryptofan - pokud je ho hodně, zpětná vazba - nevyrábí se další stalled - zablokovaný, scarce - nedostatek, plentiful - hojný Řízení exprese eukaryotického genomu Část druhá: Řízení exprese eukaryotického genomu Mnohem komplexnější než u prokaryot - příkladem je regulace exprese lidského genomu - Všechny buňky mají stejnou DNA (s výjimkou gamet) - V běžné buňce musí být téměř všechny geny vypnuty - Většinou má každý gen několik regulátorů - Lidská buňka obsahuje kolem 21 000 genů (původní odhad 100 000) M. Muller, Biology of Cells and Organisms University of Illinios, Chicago http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm http://www.edinformatics.com/math_science/human_genome.htm Část druhá: Řízení exprese eukaryotického genomu Exprese genů (tzn. "výroba proteinů") 1. Housekeeping geny - exprimovány ve všech buňkách stále - rutinní metabolické funkce, buňka se udržuje naživu 2. Geny exprimované při diferenciaci buňky - zapnutí určité signální dráhy nezbytné pro diferenciaci - zapnutí pouze po určitou dobu 3. Geny nutné pro funkci specializované buňky - stálá exprese pouze u určitého typu buněk - např. syntéza protilátek v plazmatických buňkách (terminálně diferencovaný B-lymfocyt) 4. Geny zapnuté/vypnuté v reakci na okolní podmínky - např. po signalizaci hormonem M. Muller, Biology of Cells and Organisms University of Illinios, Chicago http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm Kdybychom měli 21.000 genů, tak by většina byla černá - neexprimuje se vůbec ani v jedné. Některá žlutá - exprimuje se stejně - housekeepig V rozdílných tkáních jsou transkribovány odlišné geny (vzniká jiná mRNA) http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_19.jpg B. Staveley, Principles of Cell Biology Memorial University of Newfoundland http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/CBhome.html Na rozdíl od prokaryot je DNA propletena proteiny a ty umožňují (de)konzaci Regulace genové exprese eukaryot 1. Chromatinová remodelace - oblast chromozomu musí být otevřená aby měly enzymy a TF* přístup ke genu - epigenetické modifikace: - methylace DNA - methylace a acetylace histonů 2. Transkripční kontrola - vazba TF na regulační oblasti DNA - vypínání/zapínání tvorby mRNA 3. Post-transkripční úpravy - zpracování pre-mRNA do mRNA - sestřih - RNA interference (RNAi) 4. Kontrola translace - Translační iniciační faktory regulují intenzitu translace 5. Posttranslační procesy - modifikace proteinu do formy aktivního proteinu http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/18_01_gene_expression-L.jpg * TF (Transkripční faktor): protein schopný spouštět či jinak regulovat transkripci DNA Chromatinová remodelace - oblast chromozomu musí být otevřená (dekondenzovaná) aby měly enzymy a TF přístup ke genu - chromozom je tvořen komplexem histonových proteinů a DNA, nazývaným CHROMATIN - transkripce může proběhnout, pouze pokud se "zabalený" heterochromatin dekondenzuje do "rozbaleného" euchromatinu - Chromatinové remodelace patří mezi nejtypičtější epigenetické modifikace http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/histone-DNA.jpg M. Muller, Biology of Cells and Organisms University of Illinios, Chicago http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm Chromatinová remodelace - Chromatin-remodeling complexes - skupina proteinů, které mění strukturu chromatinu - KONDENZACI a DEKONDENZACI chromatinu zajišťují enzymy: 1. Histon acetyl transferázy (HAT) - rozbalují (dekondenzují) chromatin do euchromatinu 2. Histon deacetylázy (HDAC) - zabalují (kondenzují chromatin) do heterochromatinu 3. Dnmt (DNA methyltransferázy) -Methylace DNA (Cytozinu) -Zabalují chromatin http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/HAT.jpg M. Muller, Biology of Cells and Organisms University of Illinios, Chicago http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2010/lecturesm10.htm Chromatinová remodelace - EPIGENETIKA "Studuje změny v genové expresi (buněčného fenotypu), které nejsou způsobeny změnou nukleotidové sekvence DNA, ale mohou být dědičné" DNA sekvence (A, C, T, G) je jako manuál a epigenetické modifikace jako zvýrazňovače, které podtrhují různými barvami různě důležité části v jednotlivých buňkách Na rozdíl od DNA sekvence se epigenetické značky mění během vývoje a v reakci na vnější okolnosti a mohou se též dědit http://www.pbs.org/newshour/wp-content/uploads/2015/12/epigenetics.jpg http://www.nature.com/neuro/journal/v13/n4/images/nn0410-405-F1.jpg Chromatinová remodelace - EPIGENETIKA - hlavně kovalentní modifikace a) DNA a b) histonů - tyto bývají synonymem pro "epigenetiku" - mezi epigenetické regulátory řadíme též siRNA a miRNA (souhrnně RNA interference - RNAi) a) modifikace DNA - methylace cytosinu - inhibuje transkripci - umlčení exprese - Dnmt (DNA methyltransferáza) - v CpG ostrůvcích** b) modifikace histonových proteinů - methylace nebo acetylace - hlavně acetylace lysinu - aktivuje transkripci - HAT a HDAC www.nature.com *Dawson and Kouzarides, Cell 2012 **CpG ostrůvky: nukleotidy C a G vedle sebe na stejné DNA řetězci (cytosin - fosfát - guanin) Skeletal formula of acetyl with all implicit hydrogens shown Histonový kód Hypotéza, že informace kódovaná v DNA je částečně řízena chemickými modifikacemi histonů - spolu s DNA methylacemi tvoří epigenetický kód - zatímco DNA kód mají všechny somatické buňky stejný, histonový a epigenetický kód je specifický pro každou buňku či tkáň - modifikovány bývají N-konce, které vyčnívají z nukleozomu - nejčastěji bývá modifikován lyzin (K) http://www.nature.com/nrc/journal/v1/n3/images/nrc1201-194a-f1.gif Nukleozom: skládá se z osmi histonových proteinů (2 od každého ze 4 druhů: H2A, H2B, H3 a H4) a z navinutého řetězce DNA dlouhého 147 nukleotidů Histony: proteiny, okolo kterých je omotána DNA. 5 druhů (H1, H2A, H2B, H3 and H4) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/Nucleosome_organization.png Nomenklatura histonových modifikací 1. Jméno histonu (např. H3) 2. Jednopísmenná zkratka aminokyseliny (např. K pro lysin) a pozice AA v proteinu (počítáno od N'-konce) 3. Typ modifikace (Me: methyl, P: phosphate, Ac: acetyl, Ub: ubiquitin) 4. Počet modifikací (pouze methyl může mít více - až tři - kopie na AA zbytek) Příklad: H3K4me1 značí monomethylaci čtvrté AA od N'-konce (lysinu - K) na proteinu H3 Methyl lysine.svg Schematic representation of histone modifications. Based on Rodriguez-Paredes and Esteller, Nature, 2011 wikipedia Příklady známých histonových modifikací Acetylace histonu vede k rozvolnění chromatinu a aktivaci exprese Na rozdíl od methylace DNA neplatí, že methylace histonu vždy znamená umlčení (represi) exprese genu wikipedia Video: Histonové modifikace V kostce: HDAC - Histon deacetylázy potlačují expresi HDAC1, HDAC2, HDAC2... HAT - Histon acetyl transferázy aktivují expresi Gcn5, CBP/p300, PCAF, SRC-1, ACTR, ESA1, MOZ... Histon methyltransferázy aktivují/potlačují exp. Suv39H, CARM1, PRMT1... DNMT - DNA methyltransferázy potlačují expresi DNMT1, DNMT3... Pioneer Transcription Factor (TF) TF, který se dokáže vázat na kondenzovaný (uzavřený) heterochromatin - objeven r. 2002* - účastní se zejména zahájení diferenciace a aktivace buněčně-specifických genů - příkladem je pioneer transkripční faktor ASCL1, který zahajuje (trans)diferenciaci do neuronu** (navíc MYT1L zajišťuje vypnutí non-neuronálních genů; např. fibroblastových při transdiferenciaci) * Cirillo et al., 2002, "Opening of compacted chromatin by early developmental transcription factors HNF3 (FoxA) and GATA-4". Molecular Cell. 9 (2): 279–89. ** Wapinski 2013; Chanda 2014 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Pioneer_Factor_rearrange_the_nucleosome.j pg/800px-Pioneer_Factor_rearrange_the_nucleosome.jpg https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S2213671114001878-fx1.jpg iN = indukovaný neuron ES = embryonální kmen. buňka EPIGENETIKA epigenetické změny mohou být ovlivněny okolními podmínkami (věkem, nemocí, výživou...) Vzrůstající epigenetické rozdíly v průběhu života u monozygotických dvojčat* - dvojčata jsou po narození epigeneticky identická, avšak po několika letech lze detekovat rozdíly v genomické distribuci 5-methylcytosinu DNA a acetylaci histonů - rozdíly se zvětšují pokud mají dvojčata rozdílný životní styl nebo nežijí spolu* EPIGENETIKA A VÝŽIVA Epigenetické změny způsobené prenatálním vystavením hladomoru** - okolní podmínky mohou u lidí způsobit epigenetické změny které přetrvají po celý život - testovaní DNA methylace u genu IGF2 mezi sourozenci stejného pohlaví - lidé prenatálně vystavení hladu během hladomoru v Holandsku 1944-1945 - snížená methylace DNA v genu pro insulin-like growth factor II (IGF-2) - zvýšená náchylnost k obezitě a srdečním onemocněním či schizofrenii * Fraga et al., PNAS 2005 ** Heijmans et al., PNAS 2008 EPIGENETIKA A VÝŽIVA Rozdíl mezi včelí královnou a dělnicí - včelí královna a dělnice mají shodný genom - rozdíly v methylaci DNA u více než 550 genů Královská výživa - "Royal jelly" je látka, produkovaná včelími dělnicemi pro výživu larev, určených za královny - tyto larvy jsou geneticky identické s ostatními, vyrůstají v tzv. "Queen cup" - tato dieta mj. utlumuje expresi DNA methyltransferase Dnmt3 - experimentální umlčení genu Dnmt3 pomocí RNA interference (RNAi) u larvy vedlo k vývoji v královnu u 72% larev* * Kucharski et al., Science 2008 http://www.vcelarstvi-ob.cz/obr/vcela/vcely-druhy.jpg http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/images/queen_cup.jpg http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/ methionin je jedna ze dvou aminokyselin obsahující síru (cystein) Je esencialni, člověk ho neumí vyrobit, ale umí recyklovat http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/images/pathway.jpg EPIGENETIKA A VÝŽIVA Výživa hraje velkou roli v methylačním statusu i u člověka Zdrojem methyl-skupiny (-CH3) pro methylaci DNA u člověka je esenciální aminokyselina methionin* B-komplex (soubor vitamínů B): Působí jako koenzymy a donory -CH3 v metabolismu methioninu - Kyselina listová (folic acid; folate; Vitamín B9) - Vitamíny B12 a B6 - Cholin (též označován jako B4) S-Adenosyl methionine (SAM) - meziprodukt pří získávání -CH3 z methioninu - též výživový doplněk University of Utah, Health Science; http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/ * Waterland, J. Nutr 2006 S-Adenosyl-L-methionin.svg Chemical structure of methionine Adenosin = adenin + riboza EPIGENETIKA A VÝŽIVA - KDE SE BERE METHYL SKUPINA? Získání methyl-skupiny z aminokyseliny methioninu - probíhá ve všech buňkách těla, zejména v játrech - příjemci methyl-skupiny jsou nukleové kyseliny, proteiny, lipidy… - methionin zbavený -CH3 se v těle recykluje přes homocystein přidáním -CH3 za účasti tetrahydrofolátu (THF), B12 a cholinu (a jeho metabolitu betainu) https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/aacarbon.htm https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/images/sam.gif As an essential amino acid, methionine is not synthesized de novo in humans and other animals, which must ingest methionine or methionine-containing proteins. Methionine can be regenerated from homocysteine EPIGENETIKA A VÝŽIVA - KDE SE BERE METHYL SKUPINA? Wikipedia https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c8/Choline_metabolism-en.svg/2000px-Choline_ metabolism-en.svg.png Vitamin B6 jeho aktivní forma PLP je koenzym cystathion beta syntázy (CBS) Vitamin B12 koenzym metathion-syntázy THF tetrahydrofolát derivát kys. listové donor -CH3 skupiny Choline (B4) donor -CH3 skupiny pro recyklaci methioninu EPIGENETIKA A VÝŽIVA University of Utah, Health Science; http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/ B4 B9 EPIGENETIKA A VÝŽIVA Výživa bohatá na zdroj methylové skupiny (cholin a folát) ovlivňuje methylaci DNA hlavně v prenatálním vývoji - některé regiony genomu pak zůstávají odmethylovány (zapnuty) po celý život - methyl-deficientní dieta v dospělosti vede také ke snížení methylace DNA, ale je reverzibilní http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/images/agouti.jpg Gen Agouti - vyskytuje se u všech savců - normálně je u myši zamethylován: - hnědá srst, normální váha - pokud je u myši odmethylován: - žlutá srst, obézní - sklony k diabetu a rakovině - při krmení žluté myši v březosti stravou bohatou na zdroj methyl-skupin se narodili hnědí potomci, zdraví po celý život (žluté matce už tato dieta nepomohla) Identický genom University of Utah, Health Science; http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/ EPIGENETIKA A VÝŽIVA Bisphenol A (BPA) - sloučenina k výrobě plastů (plastové láhve, plechovky) - snižuje methylaci DNA (prokázáno na Agouti genu u myší*) - BPA podávané matkám, potomstvo bylo žluté a obézní - pokud však zároveň s BPA krmili methyl-rich dietou - potomstvo hnědé a neobézní University of Utah, Health Science; http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/ * Dolinoy et al., PNAS 2007 http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/images/mice.jpg EPIGENETIKA Genomický imprinting (vtiskování) - exprese alely závisí na pohlaví rodiče, od něhož byla zděděna - např. pro určitý gen je exprimována pouze otcovská alela (nemethylovány u spermií) - mateřská alela v oocytech je methylována - děj musí být reverzibilní, aby při tvorbě spermií byly obě alely nemethylovány - morfologická, anatomická i etologická odlišnost samice muly a samice mezka - identický genom Maultier grau.jpg Old hinny in Oklahoma.jpg Mula kříženec samce osla se samicí koně Mezek kříženec samice osla se samcem koně Wikipedia http://faculty.virginia.edu/mammgenetics/calico3.jpg EPIGENETIKA - X-inactivation Proces, při kterém je inaktivována jedna z kopií X-chromozomu u samic savců - k umlčení transkripce dochází zabalením do heterochromatinu, nepřístupného transkripci - důvod: zabránit aby samice měly dvojnásobnou expresi genů na X-chromosomu než samci - u placentálních savců (člověk) je volba X-chromosomu pro inaktivaci náhodná (ve fázi raného embrya) - vačnatci mají vždy umlčen otcovský X-chromozom - Vizuální manifestace inaktivovaného X-chromozomu: na X-chromozomu se nachází gen pro zbarvení srsti kočky (strakaté jsou vždy samice a říká se jim "calico") http://thumbs.dreamstime.com/x/sex-chromosome-signs-xy-man-xx-woman-33645772.jpg http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch15/15_08XInactivation-L.jpg EPIGENETIKA - X-inactivation -jedná se o epigenetickou změnu, která vede ke změně fenotypu -X-inaktivace je reverzibilní u zárodečných buněk -Ženy často přenašečky chorob vázaných na X-chromozom (u heterozygotek je ten nemocný X-chromozom inaktivován*), ale ve vajíčku se reaktivuje -Muž má X vždy aktivní (100% zdravý nebo 100% nemocný) *Nebo je vypnutý u části buněk, takže má choroba mírnější formu EPIGENETIKA - X-inactivation - každá ženská somatická buňka obsahuje aktivní (Xa) a inaktivní (Xi) chromozom - Xi neexprimuje většinu genů Xist (X-inactivation specific transcript) - hlavní gen zodpovědný za inaktivaci X-chromozomu je exprimován Xi chromozomem - přepisuje se do nekódující RNA - váže se na oblasti bohaté na aktivní geny - euchromatin - a inaktivuje je https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/XistRNADNAFISH.jpg Wikipedia Xi má na rozdíl od Xa: - vyšší hladiny methylace DNA - nízké hladiny histonové acetylace - nízkou 4-methylaci lyzinu na histonu H3 (H3K4) Xa aktivní chromozom Xi inaktivní chromozom EPIGENETIKA A RAKOVINA Methylace DNA - U nádorových buněk je pozorována celková hypomethylace genomu - avšak 5-10% normálně nemethylovaných CpG ostrůvků na promotorech je v rakovinných buňkách abnormálně methylováno - hypermethylace na promotorech ovlivňuje jak expresi proteinů tak nekodující regulační RNA - důležité je prostorové rozložení DNA methylací: - methylace DNA na promotoru inhibuje transkripci - methylace DNA uvnitř genů transkripci tolik nevadí Modifikace histonů - Aktivační a represivní modifikace se mohou vyskytovat na stejném histonu - BIVALENTNÍ DOMÉNY - HISTONE CROSSTALK: kombinace aktivačních a represivních modifikací vede k různé míře aktivace nebo inhibice exprese Hypermethylace: Methylační inaktivace tumor-supresorů (p53) Hypomethylace: Aktivace onkogenů EPIGENETIKA A RAKOVINA Léčba cílená na epigenetiku Roku 1983 byly poprvé popsány změny v methylaci DNA, související s rakovinou tlustého střeva* - pozorovány specifické vzorce v methylaci určitých genů - srovnání s nezasaženou okolní tkání - u 4 z 5 pacientů byla pozorována hypomethylace v rakovinných buňkách - progresivní hypomethylace u metastazujících pacientů - DNA hypo- a hypermethylace a změny v acetylaci histonů byly pozorovány u rakoviny prostaty** - Ovlivnění velkého množství genů Epigenetická regulace hraje důležitou roli i v dalších typech rakoviny: děložního čípku, leukemie... * Feinberg and Vogelstein, Nature 1983 ** Li et al., J Natl Cancer Inst 2005 EPIGENETIKA A RAKOVINA - Léčiva se zaměřují na reverzi epigenetických změn vedoucích ke vzniku rakoviny -Nespecifické a s vedlejšími účinky -Musí být cílená na daný typ rakoviny (např. nefunkční tumorsupresor, nebo hyperaktivní onkogen) http://www.cell.com/cms/attachment/606891/4829461/gr2.jpg 1. Inhibitory DNA methyltransferáz (Dnmt) - hypomethylační efekt - nastartování transkripce tumorsupresorů - azacitidine, decitabine 2. Inhibitory histon acetyltransferáz (HAT) - inhibice transkripce onkogenů - vorinostat, romidepsin 3. Inihibtory histon deacetyláz (HDAC) - kyselina valproová, trichostatin - podpora exprese genů spojených s apoptozou - zpomalení progrese rakoviny - též indukce diferenciace u nezralých buněk (např. při leukemiích) The Cell Vývoj léčiv pro epigenetickou terapii 1. Kandidátní malé molekuly jsou nejprve testovány na rakovinných buňkách in vitro (inhibice proliferace, indukce apoptozy, cell-cycle arrest) 2. Zjištění potenciálních signálních drah, které jsou zodpovědné za daný pozorovaný efekt (např. expresní microarrays) 3. Účinné látky jsou testovány na zvířecích modelech s rakovinou (zjištění in vivo terapeutického účinku - survival, a dále toxicitu, vedlejší účinky a farmakokinetické vlastnosti dané látky) 4. Kandidátní molekuly jsou do klinických studií *Dawson and Kouzarides, Cell 2012 Transkripční kontrola podobně jako u prokaryot se RNA-polymeráza (větš. II) váže na oblast promotoru 1. remodelace chromatinu odhalí promotor http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/18_08_transcription_contr-L.jpg Transkripční kontrola podobně jako u prokaryot se RNA-polymeráza (větš. II) váže na oblast promotoru 2. bazální TFs (modrá) se váží na promotor 3. regulační TFs (růžová) se vážou na enhancery (červená oblast), silencery nebo na promotor-proximální elementy (fialová oblast). DNA může tvořit vlásenku. 4. bazální a regulační TFs dohromady tvoří INICIAČNÍ KOMPLEX 5. RNA-polymeráza II se váže na promotor a je aktivována - BAZÁLNÍ TRANSKRIPČNÍ KOMPLEX http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/18_08_transcription_contr-L.jpg Transkripční Faktory 1. Bazální a obecné transkripční Faktory (TFs) - ve všech eukaryotických buňkách - nezbytné pro transkripci, ale neposkytují žádnou regulaci -Bazální: TFIIA, TFIID, TFIIB, TFIIE, TFIIH, TFIIF -Obecné: Oct1, CT1, SPF - nejdůležitější je TFIID a jeho podjednotka TBP (TATA binding protein) - interagují s promotorem - TFIID je první protein, který se váže na DNA při zahájení transkripce (tvorbě iniciačního komplexu) 2. Regulační Transkripční Faktory (TFs) - též zvané aktivátory iniciace transkripce - jsou hlavními regulačními mechanismy genové exprese u eukaryot - proteiny jež se vážou na a) enhancery (zesilovače transkripce) b) silencery c) promoter-proximální elementy - jsou specifické pro určité geny (nebo rodiny genů) http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/18_08_transcription_contr-L.jpg Funkční klasifikace transkripčních faktorů 1. Konstitutivně aktivní -Přítomné stále ve všech buňkách -Bazalní a obecné TFII A-H, Sp1, NF1… - 2. Regulační a) Vývojové (buněčně specifické) – exprese přísně kontrolována, ale jakmile dojde k aktivaci, nepotřebují další aktivaci – GATA, HNF, PIT-1, MyoD, Myf5, Hox, Winged Helix b) signal-dependentní – vyžadují externí signalizaci pro aktivaci 1 extracelularním ligandem (endokrinní nebo parakrinní) – vazba na DNA v jádře 2 intracelularním ligandem (autokrinní) – např. p53 – vazba na DNA v jádře 3 závislé na membránovém receptoru – nutná signalizační kaskáda vedoucí k aktivaci transkripčního faktoru (fosforylace) Kontrolní elementy Promoter-proximální elementy - vždy umístěny v blízkosti promotoru - na rozdíl od promotoru unikátní pro každý gen - tyto oblasti na DNA umožňují vazbu specifických regulačních TFs - díky PPE je eukaryotická buňka schopná rozlišovat mezi jednotlivými geny a regulovat expresi Enhancery a silencery - zvyšují nebo snižují míru transkripce - také genově specifické - mohou sousedit s promotorem nebo se nacházet uvnitř transkripční jednotky - často bývají umístěny daleko od promotoru (10-100 bazí), pak se tvoří DNA vlásenka - po směru transkripce (downstream) - proti směru transkripce (upstream) - nefungují pokud se vzdálí miliony bazí od promotoru či na jiný chromozom http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/18_07_enhancer_location-L.jpg Transkripční kontrola Zapínání a vypínání určitých genů v určitých buňkách pravděpodobně regulováno unikátními kombinacemi: 1. vazebných míst na DNA (promotor, promoter-proximální elementy, silencery a enhancery) a 2. transkripčních faktorů Analogie s bankovní schránkou - klíč bankéře - stejný pro všechny schránky, ale sám o sobě větš. nefunkční - BAZÁLNÍ FAKTOR - můj klíč - specifický pro určitou schránku, ale sám o sobě ji neotevře - REGULAČNÍ FAKTOR http://vignette1.wikia.nocookie.net/familyguy/images/2/24/FGuy_BrianAndStewie_0345F.jpg/revision/la test?cb=20100412220525 Transkripce genu pro albumin* Všechny buňky obsahují RNA-polymerázu a bazální (obecné) TFs Jaterní buňky obsahují regulační TFs rozpoznávající všechny kontrolní elementy pro albuminový gen (enhancery/silencery/promotor-proximální elementy) Regulační TFs mozkových buněk nerozpoznávají všechny kontrolní elementy albuminového genu http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_23.jpg * Albumin: protein krevní plazmy, tvoří 60 % všech plazmatických bílkovin. Důležitý při transportu látek krví (mastné kyseliny, minerály, léky). Syntetizován v játrech. Extracelulární signál (hormon) spouští expresi genů specifických pro svalovou buňku http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/geneticsignaling.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_24.jpg Jak se proteiny vážou k DNA? - nejčastěji vazba α-helixu s větším žlábkem DNA - nekovalentní vazby: vodíkové můstky a iontové vazby - sequence-specific recognition Motivy vazby: a) Helix-turn-helix - 2 α-helixy spojené krátkou otáčkou b) Zinkové prsty - 1 α-helix a 2 antiparalelní β-listy, vše spojené atomem zinku - více jednotek (zinkových prstů) c) Leucinový zip - 2 α-helixy se okolo sebe ovinují díky pravidelně uspořádaným leucinům d) Helix-loop-helix - kratší a delší α-helix v dimeru Translační iniciační faktory regulují intenzitu translace. U eukaryot je více regulačních faktorů Atenuace, riboswitch Sigma faktor rozeznává pozici promotoru (viz. 4-Transkripce) http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/18_table_1_regulation-L.jpg