Epigenetická dědičnost Vývojová genetika 2022 Obsah • Transgenerační epigenetická dědičnost • Genomický imprinting Různé úrovně epigenetické dědičnosti • Mezigenerační dědičnost • Fenotypový projev pouze v F1 generaci • Vícegenerační dědičnost • Dědičnost mezi prarodiči a vnuky • Transgenerační dědičnost • Vícegenerační, možná trvalá fixace určitého znaku-exprese Transgenerační epigenetická dědičnost • Mezigenerační dědičnost epigenetických změn zárodečnou dráhou bez vlivu prostředí působící na fenotypovou variabilitu • Vystavení zárodečné dráhy působení vnějších vlivů ovlivňuje u samic až tři generace (epigenetická dědičnost; u samců pouze dvě), za transgenerační epigenetický fenotyp je považována až „de-novo“ zárodečná dráha F3 generace (u samců F2) Nilsson et al. 2014 Strategie formování zárodečné dráhy a epigenetická dědičnost • Epigeneze – zárodečné buňky jsou specifikovány později během vývoje na základě vnějších signálů (vliv změn, ke kterým dochází v post-zygotickém období) • Preformace – vliv dědičného materiálu (větší maternální efekt, menší vliv prostředí) Osborne et al. 2014 Vyšší vliv prostředí Nižší maternální vliv Nižší vliv prostředí Vyšší maternální vliv Důsledek a význam transgenerační epigenetické dědičnosti v biologii nemocí a fenotypových změn Nilsson et al. 2014 Blewit, University of Melbourne Agouti Viable Yellow – epigenetický mozaicismus • metylace retroelementu vede k inaktivaci ektopické expresi Blewitt et al. 2014 Tyto dvě myši mají stejný genotyp (Avy/a) i fenotyp (pseudoagouti) … ale odlišné potomstvo více jedinců s fenotypem pseudoagouti Výsledky reciprokých křížení s recesívním mutantem a fenotypová (maternální) dědičnost Agouti Viable Yellow alely • Avy/a x a/a • Výsledky reciprokých křížení s recesívním mutantem ukázaly „subtle parent-of-origin“ efekt exprese (=neúplné odstranění pasivních epigenetických markerů IAP LTR oblasti v paternální linii) Blewitt et al. 2014 Maternal imprinting methylation Maternal imprinting methylation Paternal imprinting methylation - GENISTEIN + GENISTEIN Epigenetické změny navozené „umělým“ zásahem • Působení prostředí • Změny prostředí v průběhu sensitivní periody • Överkalix • Holandský hladomor = „thrifty phenotype“ • Holocaust • Dieta, maternální péče aj. • Vědecky- nebo klinicky-navozené změny • ART, klonování, somatické reprogramování Vliv prostředí na epigenetickou dědičnost – Overkälix • Izolovaná oblast v severním Švédsku • Časté periody hladomoru, přesně dokumentovány záznamy sklizně vs. cena potravin • Korelace mezi hladověním u prarodičů a sníženou životaschopností vnoučat • Sensitivní doba ovlivněná příjmem jídla v období „pomalého růstu“= 9-12 let pro mužskou linii; 8-10 let u žen Vliv prostředí na epigenetickou dědičnost – Overkälix • Transgenerační efekt na potomstvo (rodiče-děti-vnuci) • Pohlavně vázaná • Paternální (ne)dostatek obživy (vliv prostředí) děděný přes mužskou linii (CVD,diabetes) • Maternální (ne)dostatek obživy (vliv prostředí) děděný přes dceřinou linii (vysoká úmrtnost) P M P M Vliv prostředí na epigenetickou dědičnost – holandský hladomor (studie na lidech) • Hladomor během německé blokády 1944 – 1945, zesílený zimou a nedostatkem ostatních potravin • Zásoby jídla se propadly nejdříve na 2200-1800g chleba/týden, později 1400-1000-400g+1kg brambor (cca. 600 – 1000 kalorií/den) na osobu • Hladomor byl ukončen osvobozením v květnu 1945 Vliv prostředí na epigenetickou dědičnost – holandský hladomor (studie na lidech) • „Manna“ záchranné operace („Švédský chléb“ a „Royal Airforece Manna“) • Studie souboru jedinců, kteří byli vystaveni hladomoru během kojení nebo během početí • Hladovění před početím-po početí vedlo ke zvýšení mentálních a metabolických poruch+poruchy zpracování glukozy (vyšší frekvence diabetu v potomstvu, obezita a kardiovaskulární choroby) • Žádné/nízké riziko u dětí, které nebyli vystaveny hladovění během početí nebo pokud se hladovění objevilo později během kojení Holandský hladomor – epigenetické faktory • Zvýšený výskyt poruch byl asociován se změnami DNA methylace malého počtu genů • IGF2 • GNAS • MEG ICRs (imprintované geny) • Geny metabolických drah • Současná data však ukazují nízkou transgenerační dědičnost! • „Vývojový původ zdraví a nemoci dospělých jedinců“ = Barkerova hypotéza (vysvětluje významné a permanentní změny dospělých jedinců způsobené vlivy in utero a po početí) – Holandský hladomor – podvýživa způsobuje nízkou porodní váhu, která koreluje s obezitou, diabetem II. Typu • „Thrifty phenotype“ – hypotéza programovaného ukládání energie u jedince, pokud není dostatek před a po početí (mající zřejmě epigenetický základ) Epigenetické reprogramování během vývoje a sensitivní období Osborne et al. 2014 Vliv parentálního traumatu během prekoncepčního období na dědičnost epigenetických změn • Přeživší Holokaustu a jejich děti mají rozdílné úrovně methylace genových oblastí • Predispozice k psychickým poruchám, nižší stresové odolnosti (sexuální deviace, psychická odolnost, obtěžování) • Porovnání změn methylace genu FKBP5, který je důležitý v odpovědi organismu na glukokortikoidy – biologický signál na stres Struktura genu FKBP5 • Regulace buněčného transportu a skládání proteinů, 11 exonů • Intron 7 – vazebná místa pro glukokortikoid Porovnání intronu 7 genu FKBP5 u přeživších obětí a jejich dětí Holokaustu, a skupinou lidí podobného věku Korelace úrovně stresu a epigenetickou mezigenerační dědičností • Ačkoli nebyl doposud pozorován definitivní efekt stresu u pravnoučat, studie prokázala jasný efekt stresového faktoru na vývoj nových jedinců 3.vazebné místo intronu 7 genu FKBP5 a korelace dětského traumatu Methylace 3.vazebného místa intronu 7 genu FKBP5 a rozdíl přeživších Holokaustu s kontrolní skupinou • Pokud žena přežila Holokaust – byly ovlivněny její oocyty i ona samotná (F0 a F1 generace) • V případě těhotenství došlo k ovlivnění i F2 generace (stále přímý efekt stresu) • F3=transgenerační přenos založený na epigenetickém mechanismu Obsah • Transgenerační epigenetická dědičnost • Genomický imprinting Genomický imprinting Barlow et al. 2014 Genomický imprinting - definice • Pouze ovlivněny některé skupiny genů, které mají maternální nebo paternální expresi • Mnoho genů je umístěno v celých skupinách (ovlivněny specifickými insulátory a lncRNAs) • Nastaveny během vývoje zárodečné linie a diferenciace gamet (úloha DNA methylace, histonových PTMs, lncRNAs, insulátory a vyšší struktura chromatinu) • Nepostradatelné při vývoji a reprodukci (ačkoli pouze samice u savců mohou nést plod, geny nezbytné pro jeho vývoj jsou exprimovány výhradně z paternálních chromozomů=reciproký imprinting, nedochází k partenogenezi) • Reciproký imprinting zajišťuje přiměřený vývin plodu : • paternálně exprimované geny (Peg) podporují pre- i postnatální růst • maternálně exprimované geny (Meg) jsou růstovými supresory Genomový imprinting a uniparentální disomie bialelický gen maternálně exprimovaný paternálně exprimovaný Biparentální kombinace Maternální UDP Paternální UDP Barlow et al. 2014 Non - ekvivalence parentalních genomů a důkaz imprintingu u savců Azim Surani (1984) • Odstranění maternálního nebo paternálního jádra v oplodněném vajíčku a jeho vložení do enokluovaného sekundárního vajíčka vede k androgenezi nebo gynogenezi (obě jsou letální v ranném stádiu) Barlow et al. 2014 Barlow et al. 2014 Struktura imprintovaných oblastí v genomu • IG – soubor imprintovaných genů zahrnující protein kódující mRNA • IG-NC – nekódující RNA (alespoň jedna nebo více) • NI – neimprintované geny • ICE – kontrolní element imprintingu Barlow et al. 2014 Regulace imprintovaných oblastí • Imprintované geny se vyskytují ve shlucích s uniparentální expresí, mající několik genů pro mRNA (IG) a alespoň jednu nekódující RNA (IG-NC) • Imprintovaná genová exprese je regulována in cis, kontrolována imprintovaným kontrolním mechanismem (ICE) • ICE nese epigenetické značky právě po jednom z rodičů Cis mechanismus – model Igf2 a Igf2r Endoderm Placenta Barlow et al. 2014 „Insulin growth factor 2“ – iniciace růstu a dělení buněk různých tkání (esenciální v růstu plodu před početím) Paternální alelická exprese Igf2 a Ins2 genů ve vnitřním zárodečném listu (endoderm) • Paternálně exprimovaná alela IGF2 nese methylační signál na ICE elementu, který tak neumožňuje vazbu CTCF proteinu a umožňuje, aby enhancer (E) aktivoval expresi Ins2 a Igf2 genů-současně, methylace ICE oblasti je rozšířena pro lncRNA (h19-NC) promotor, tvorba lncRNA neprobíhá • Maternální alela nemá methylační signál na ICE oblasti, CTCF protein (obsahující motiv zinkové prstu) se váže na ICE a tvoří insulátor, který brání enhancerům aktivovat expresi genů Ins2 a Igf2 a spouští expresi lncRNA Maternální alelická exprese Slc22a2-3 genů v placentě (cluster Igf2r) • Maternalní ICE element obsahuje methylační signál, umlčující promotor lncRNA (Airn NC), umožňující expresi genů Slc22a3, Slc22a2 a Igf2r • Paternální chromozom nemá methylační signál na ICE elementu, dochází proto k expresi lncRNA, která brání přístupu RNA Pol2 k maternálně exprimovaným alelám a umlčuje Igf2r • Na obou clusterech Igf2 a Igf2r DNA methylace umlčuje expresi lncRNA a má pozitivní vliv na expresi mRNA! Evoluce genomického imprintingu Hore et al. 2007 Děkuji za pozornost!