Centrální dogma molekulární biologie
( Francis Crick )
transkripce translace
DNA
( skladování
informace )
RNA
( přenašeč
informace )
proteiny
( výkonná
mašinerie buňky )
Tento model má přinejmenším dva nedostatky :
1. nebere v úvahu mnoho faktorů, které modifikují
genovou aktivitu v průběhu transkripce a translace
2. DNA a RNA nejsou jedinými skladníky a přenašeči
informace
… známý gen, známý produkt : MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE
Timothy Bestor, 1995
Gordon Research Conference
… známý gen, neznámý produkt : GENETIKA
… neznámý gen, známý produkt : BIOCHEMIE
… neznámý gen, neznámý produkt : EPIGENETIKA !
Negeneticky kódovaná informace
(tj. mimo sekvence nukleotidů) je
přenášena do (fenotypu) pohlavního
potomstva.
Epigenetika je nejistá genetika ...
(s jistou pravděpodobností =
s neúplnou penetrancí
a/nebo variabilní expresivitou)
kombinuje …
preformistickou genetiku
(studium dědičného materiálu
nacházejícího se v zygotě)
a vývojovou biologii
(studium změn, ke kterým dochází
v post-zygotickém období - epigeneze)
individuální vývoj organizmů spočívá
v postupném vzrůstu jejich komplexity
Aristoteles
(384-322 př.Kr.)
Conrad Waddington
(1905-75)
EPIGENEZE
EPIGENETIKA
Dědičnost získaných znaků
či vlastností ?
Jean-Baptiste
Lamarck
(1744-1829)
August
Weismann
(1834-1914)
Dílo Lamarckovo :
•Teorie biologického vývoje
Vývoj probíhá od neživého k živému, od jednoduchého ke
složitému, výsledkem je dokonale přizpůsobený jedinec.
• Užívání a neužívání orgánů
Organismy reagují na změny ve svém
prostředí vývojem nových orgánů nebo změnou
struktury a funkce stávajících orgánů.
• Dědičnost získaných znaků
Získané znaky jsou přenášeny do potomstva jedince.
Lamarck položil základy biologie a studia bezobratlých,
první evoluční „soft“ teorie – později zpochybněna učením
Darwina, Weismanna a Mendela
- jeho teorie adaptací mají uplatnění v epigenetice
EPIGENETICKÉ PROCESY A
JEJICH BIOLOGICKÁ RELEVANCE
 buněčná paměť o expresi genů
 genomový imprinting
 alelické interakce
 poziční efekt
 kompenzace dávky genů
 obrana vůči parazitům
 zdroj evoluční variability
 chemické modifikace DNA a histonů
 vazba chromatin-remodelujících faktorů
 modifikace epigenetických
záznamů v řízení ontogeneze ?
Robin Holliday
„teorie epimutací“
(Sydney 1987)
Fyzikální faktory prostředí se podílejí
na vývoji jedince
Individua se mohou
odlišovat nejen díky
genetickým rozdílům,
ale i díky rozdílům v
životním prostředí.
- fenomén zvaný
vývojová plasticita
šípatka (Saggitaria saggittifolia)
vývoj na vzduchu ... ve vodě
Genetická asimilace “in vitro”
Conrad H. Waddington 1953
fenokopie mutace bithorax selekční experimenty na „bithoraxovou“
(druhý pár křídel) odpověď po aplikaci éteru na embrya
Další významná role prostředí:
odhalení skryté genetické variability
- znak, který byl jednou „environmentálně
spuštěn“, se stává v genomu „ asimilovaným“
generace P F1 F14
% „bez příčných žilek“ (teplotní šok) 23 79 97
% „bez příčných žilek“ (žádný šok) 0 0 1-2
standard “bez příčných žilek“
Tepelný šok navozuje fenokopie
vzorce zbarvení křídel motýlů (Aglais urticae)
středoevropská heat-shock fenokopie Sardinská
varianta připomínající formu ze Sardinie varianta
Interpretace genetické asimilace
kanalizace (usměrňování) = potlačování fenotypové
variability, zajišťování normálního vývoje, úloha heat-shock
proteinů jako „pufru vývojových proteinových faktorů“,
omezený pohyb v epigenetické krajině
wild-type alternativní fenotypy
kritické body různě citlivé
k environmentálnímu vlivu
Baldwinův efekt
• "A New Factor in Evolution" (1896)
• nový faktor = fenotypová plasticita (flexibilita)
= schopnost organismu adaptovat se na vnější prostředí
v průběhu svého života
– př.: schopnost se učit,
cvičením zvětšovat svaly,
opálit se na slunci
James Mark Baldwin
(1861-1934)
Meiotický přenos epigenetického stavu (fenotypu)
aneb environmentální indukce dědičných změn
- genotrofy u lnu (vliv podnebí a hnojení na větvení)
- střídání heteromorfních generací u některých bezobratlých
bez hnojení bez hnojení
F1, F2, …
hnojení bez hnojení
F1, F2, …
wt
F0
F0
Carl Linnaeus Jean-Baptiste Lamarck Charles Darwin Enrico Coen
(1707–1778) (1744–1829) (1809–1882) (1999)
Vznik a dědičnost rostlinných monster: (epi)mutace
metylace?
Linnaeus … pelorie u lnice, historicky první
doložená mutace? (1744)
Lamarck … dědičnost získaných znaků
(Philosophie Zoologique 1801)
Darwin … křížení normálních a pelorických forem
v F2 127:37 (Variation of Animals and Plants
under Domestication 1868)
Coen … hypermetylace homologu genu cycloidea
Gregor Mendel John Maynard Smith
(1822-1884) (1920-2004)
EPIGENETICKÉ JEVY
PŘEDSTAVUJÍ VÝJIMKY Z
MENDELOVÝCH ZÁKONŮ
Princip NEZÁVISLÉ SEGREGACE ALEL : dvě odlišné alely – paternálního a
maternálního původu – v heterozygotu při meiose segregují a v nezměněné
podobě se přenášejí do potomstva.
S tím souvisí i pravidlo o IDENTITĚ RECIPROKÝCH KŘÍŽENÍ.
Alely se mohou podrobovat vzájemným interakcím, které mají za následek
dědičnou změnu jejich exprese : PARAMUTACE, TRANSVEKCE
Některé genomy, chromosomy či lokusy jsou v průběhu gametogeneze
sex-specificky reverzibilně modifikovány, což vede k jejich umlčení
ve filiální generaci : PARENTÁLNÍ IMPRINTING
[ reverzibilní proces, kdy pohlavně specifická modifikace
genů v parentální generaci vede k funkčním rozdílům mezi
paternálními a maternálními genomy (alelami) v potomstvu
GENOMOVÝ (PARENTÁLNÍ) IMPRINTING
[ epigenetická forma genové regulace, která vede
k funkční haploidii : parentálně specifická monoalelická
exprese
maternální paternální
Parentální imprinting je reversibilní umlčování genů
ve filiální generaci způsobené modifikací chromatinu
imprinting je imprinting není
závislý na pohlaví závislý na pohlaví
rodiče potomstva
imprintový imprintový
záznam je záznam se
obvykle vymaže
stabilní před meiozou
po celý život a znovunastaví
jedince dle pohlaví jedince
P
F
Konrad
Lorenz
(1903-1989)
Imprinting
(filiální)
= paměťová fixace
rozpoznávání rodičů
a jejich chování u
živočichů v časných
postnatálních fázích
jejich vývoje
!?
 neidentita reciprokých křížení koně a osla – chovatelé dobytka v
Malé Asii, asi před 3 tisíci lety
 eliminace paternálních chromosomů X u mouchy Sciara,
Diptera - Helen Crouse, Missouri 1960
 heterochromatinizace paternálních chromosomů u červců,
Homoptera - Uzi Nur, Rochester 1964
 velikost mezidruhových hybridů Peromyscus závisí na směru křížení
– Walace D. Dawson, Ohio 1965
 parentálně specifická exprese lokusu R/r v endospermu
kukuřice - Jerry Kermicle, Madison 1970
 inaktivace paternálního X u samic klokanů
- George Sharman, New South Wales 1971
 přenosy jader oocytu a spermie – Surani & Solter 1984
 expresivita a penetrance transgenu u myši
závislá na rodičovském původu - Davor Solter,
Philadelphia-Freiburg 1988
 parentálně řízená pohlavní reverze u kvasinek
- Amar Klar, Maryland 1990
 maternální imprinting genu IGF2 - Azim Surani, Cambridge 1991
HISTORIE PARENTÁLNÍHO IMPRINTINGU
Důkaz imprintingu u savců manipulací
s jádry oocytů a spermií
Azim Surani
(Cambridge 1984)
non - ekvivalence parentalních genomů
Životní cyklus imprintového (metylačního) záznamu
Wolf Reik
(Cambridge)
David Haig
(Harvard 1991)
Teorie parentálního konfliktu
= souboj mezi matkou a potomstvem in utero
Reciproký imprinting zajišťuje přiměřený vývin plodu :
paternálně exprimované geny (Peg) podporují pre- i postnatální růst
maternálně exprimované geny (Meg) jsou růstovými supresory
 imprintované geny jsou potenciálními
onkogeny či nádorovými supresory
 imprintované geny jsou významné v
řízení embryonálního a postnatálního
růstu i v chování
 imprinting jako fakultativní haploidie
je potenciálním rizikem pro řádný vývoj
postižený/á normální normální
( přenašeč )
Maternální imprint mutovaného lokusu vede
k odlišnému fenotypu potomstva
děti :
rodiče :
mutantní otec zdraví rodiče mutantní matka
Chybný imprint P-alely (insulinový růstový faktor) či
M-alely (růst suprimující H19-RNA) vede k BeckwithWiedemannově
syndromu (aneb příběh Otesánka)
P
M
P
M
normál
BWS
Igf2 H19
(J. B. Beckwith 1963, H. R. Wiedemann 1964)
Partenogeneze u savců - neposkvrněné početí myšky Kaguya
normální oocyt + jádro mutantního pre-oocytu
( Tomohiro Kono, Tokyo 2004 )
Igf2 H19
normální myš
obří mrtvé
embryo
myška Kaguya
„Fatherless“ Kaguya ( Nature 428: 860, 2004)
vyřazení imprintovaných genů může vést k vývinu
plodné myši partenogenetického původu
Russell-Silverův syndrom :
maternální disomie chromosomu 7
(A. Russell 1954, H. K. Silver 1953)
- růstová retardace in utero
- postnatální růstová deficience
- asymetrický dwarfismus
POTLAČUJE MATKA
VÝVIN SVÝCH DĚTÍ ?
aneb příběh Palečka
David Haig … teorie parentálního konfliktu
Maternální či paternální exces vedou k narušení
exprese imprintovaných genů v endospermu
Rod Scott
(Bath 1998)
endosperm: 2m:1p
endosperm: endosperm:
6m : 1p 2m : 3p
bialelický gen
maternálně
exprimovaný
paternálně
exprimovaný
biparentální maternální paternální
kombinace UPD UPD
Genomový imprinting a uniparentální disomie
Dávka genů/chromosomů a uniparentální disomie
jako příčiny těžkých komplexních syndromů
trisomie chromosomu 21 … Down (90% pacientů)
… po eliminaci „třetího“ chromosomu :
maternální disomie chr. 15 - Praeder-Willi (20%)
paternální disomie 15 - Angelman (5%)
paternální disomie 11 - Beckwith-Wiedemann (20%)
maternální disomie 7 - Russell-Silver (10%)
… jiné parentální efekty:
myotonní muskulární dystrofie … „těžší“ diagnóza se dědí
maternálně
Huntigtonova chorea … „časný“ nástup se dědí paternálně
M P
trisomická zygota
trisomie fetus
placenta UPD
Uniparentální disomie či delece na chromosomu 15
q11-13 způsobují těžké psychosomatické choroby
Daniel Driscoll
(Florida)PWS
PWS
AS
Mapa imprintovaných
chromosomů člověka:
maternálně či
paternálně
umlčované lokusy
imprinting prokázán
i. pravděpodobný
i. nepravděpodobný
žádný případ
uniparentální exprese
Imprintované geny jsou na chromosomech lokalizovány ve
shlucích s reciprokým maternálním a paternálním umlčením
Odlišná exprese sousedních genů je zajišťována funkcí
rozhraní: vazba regulačního faktoru na CTC-sekvenci
CHROMATIN INSULATOR (izolátor)
Shirley Tilghman, Princeton 2000
Případ metastabilní epialely Axin Fused :
paternální exprese, lokus kinked tail je však
epigeneticky labilní, expresivita variabilní
obě alely paternálně zděděná maternální obě alely
jsou aktivní alela je aktivní aktivní alela inaktivní
paternálně zděděná maternálně zděděná
aktivní alela aktivní alela
paternálně zděděná maternálně zděděná
inaktivní alela inaktivní alela
retroelement
hair-cycle-specific Agouti coding exons
non coding exons
Agouti Viable Yellow - epigenetický mozaicismus :
metylace retroelementu vede k inaktivaci ektopické exprese
žlutá myš : tmavá myš :
hypometylace hypermetylace
alely Avy alely Avy
ektopická umlčení agouti
exprese = pseudoagouti
agouti
eumelanin phaeomelanin
agouti
Epigenetický stav (metylace) determinuje
relativní dominanci metastabilních alel
wt heterozygoti homozygoti
A / A Avy / A Avy / Avy
mC–Avy / A Avy / mC–Avy
mC-Avy / mC-Avyagouti
agouti
viable
yellow
Fenotypová (maternální) dědičnost
Viable Yellow
Avy/a x a/a
výsledky
reciprokých křížení
s recesívním
mutantem
Emma Whitelaw
(Sydney 1999)
matky bez březí matky s „metylačně bohatou výživou“
speciální (kyselina listová, B12, cholin, betain)
výživy
Dieta matky rozhoduje o metylaci
promotoru retroelementu Agouti
žlutá mírně skvrnitá skvrnitá silně skvrnitá pseudoagouti
- GENISTEIN
+ GENISTEIN
standardní
výživa
Nedostatečný CH3-metabolismus
gravidní samičky nezajistí metylaci
paternálního transposonu
… ektopická exprese Agouti
Avy / a
žlutá srst
metylačně
bohatá výživa
Maternální CH3 metabolismus-podporující
dieta zvyšuje metylaci paternálního
genomu v potomstvu
… přirozená exprese genů
Avy / a
hnědá srst
Tyto dvě myši mají stejný genotyp (Avy/a) i fenotyp (pseudoagouti) … ale odlišné potomstvo
více jedinců s fenotypem pseudoagouti
Epigenetické „intergenerační“ programování porodní váhy
a rizika ke kardiovaskulárním chorobám
původní environmentální vliv
v době těhotenství
drogy, léky, choroby, výživa, chování matky,
postnatální péče …
dítě
nízká porodní váha
dospělec (matka)
zvýšené riziko kardiovaskulárních
chorob,
vysoký krevní tlak,
hormonální aktivita, stres
permanentní
programování
funkcí
přenos epigenetického stavu
do další generace
vzrůst … maternálního kortisolu,
maternálního insulinu, maternálního
krevního tlaku …
další předávání
epigenetického programu
(DNA metylační záznam)
dospělec
progresivní udržování /
stabilizace of “syndromu
choroby”
Klasifikace epigenetických jevů
podle
(i) mechanizmu přenosu informace
- DNA, RNA, histony, jiné proteiny ?
(ii) pravděpodobnosti jevu
- obligatorní, pravděpodobné, stochastické
(iii) vzdálenosti přenosu informace
a délky jejího trvání
- mitotický bookmarking, meiotická
DNA modifikace: metylace cytosinu
35
Molekuly RNA jako mediátory mezibuněčné a mezigenerační informace
samec Agouti vy/a Polycomb +/+ x samice A a/a Polycomb +/(žlutý,
nemetylovaný)
samec Agouti vy/a Polycomb +/+ x samice A a/a Polycomb +/(tmavý,
metylovaný)
A + Poly +/+ v potomstvech není rozdíl A + Poly +/A
+ Poly +/+ transgenerační epigenetická dědičnost A + Poly +/-
!
Klasifikace epigenetických jevů
podle
(i) mechanismu přenosu informace
- DNA, RNA, histony, jiné proteiny ?
(ii) pravděpodobnosti jevu
- obligatorní, pravděpodobné, stochastické
(iii) vzdálenosti přenosu informace
a jejího trvání
- mitotický bookmarking, meiotická transmise
Penetrance a expresivita jsou vysoké.
Př: parent-specifický imprinting u savců,
maternální exprese genu MEDEA u rostlin
Obligatorní epigenetické jevy
wt
medea
maternal paternal
imprinting
SUPERMAN – epigeneticky citlivý
katastrální květní gen
„Náhodná“ epigenetická variabilita
Příklad: divergence epigenotypu v průběhu stárnutí
v somatických liniích buněk člověka
Klasifikace epigenetických jevů
podle
(i) mechanismu přenosu informace
- DNA, RNA, histony, jiné proteiny ?
(ii) pravděpodobnosti jevu
- obligatorní, pravděpodobné, stochastické
(iii) vzdálenosti přenosu informace
a délky jejího trvání
- mitotický bookmarking, meiotická transmise
PcGBuněčná
paměť – Gene bookmarking
je epigenetický proces, kterým mitoticky se dělící
buňky přenášejí specifické stavy svých genových aktivit
Maternální programování epigenetických stavů
Maternální péče jako model „experience-dependent“ chromatinové plasticity
mateřská péče o novorozence
(lízání a mazlení)
DOBRÁ MATEŘSKÁ PÉČE
vysoká exprese genu kódujícího
glukokortikoidní receptor STABILNÍ
PSYCHIKA DOSPĚLÉHO
POTOMSTVA (Ac = acetylace histonů)
DNA-metyltransferáza
ŠPATNÁ MATEŘSKÁ PÉČE
nízká exprese genu GR,
STRESOVÁ PSYCHIKA
DOSPĚLÉHO POTOMSTVA
(CH3 = metylace DNA)
DNA
demetylázy
histon-acetyltransferázy
serotonin
mozkový transmitter
mozkový transkripční faktor
cyklický adenosin monofosfát
protein kináza A
Co vlastně kódují imprintované geny ?
[ nádorové supresory (WT1)
[ transkripční faktory (s a-helixem či chromodoménou)
[ protoonkogeny (Mas)
[ růstové faktory (hormon insulín)
[ protein–nekódující RNA (Xist)
Jaké jsou nejčastější poruchy imprintingu ?
[ bialelická exprese (BAE)
[ monoalelická expese (MAE)
[ ztráta heterozygotnosti (LOH, maternální či paternální)
ptakopysk (vejcorodí)
Evoluce imprintingu
+ endosperm krytosemenných rostlin
+ celé chromosomy některých druhů hmyzu
koala (vačnatci, živorodí)
Randy Jirtle &
Keith Killian (placentálové) Durham 2001
Peromyscus poliontus - monogamní
P. maniculatus – polygamní
Paul B. Vrana
(Princeton 1998)
Poruchy imprintingu u mezidruhových hybridů myší
Wallace Dawson
(Ohio 1965)
P. poliontus P. maniculatus P. manipulatus P. polintus
x x
velké potomstvo normální potomstvo
CHROMOSOM X
může být inaktivní, fragilní, chytrý i sexy
(a především je „epigenetický“)
savci Drosophila Caenorhabditis
samička sameček samička sameček hermafrodit sameček
poměr chromosomů X
inaktivace vzrůst transkripce pokles
jednoho X jediného X transkripce X
transkripty
poměr transkriptů X
Odlišné mechanismy kompenzace dávky genů
nesených chromosomem X