biotechnologia


 
 

Interakcje genom – epigenom: epigenetyczna regulacja ekspresji genów

Autor: mgr Magdalena Szatkowska
doktorantka Uniwersytetu Łódzkiego

Analizy funkcjonalne kodu genetycznego wydawały się być stosunkowo prostym zadaniem po rozszyfrowaniu sekwencji DNA człowieka w 2003 roku, w ramach projektu poznania ludzkiego genomu (HGP z ang. Human Genome Project). W istocie pomimo znacznego postępu w zrozumieniu podstaw chorób genetycznych i dziedziczenia innych cech, pełne zrozumienie procesów genetycznych okazuje się trudniejsze, niż pierwotnie oczekiwano. Być może najważniejszą tego przyczyną jest złożoność modyfikacji epigenetycznych, które odgrywają kluczową rolę w ekspresji ludzkich cech genetycznych. Problemem z jakim głównie spotykają się naukowcy, to brak wiarygodnych bibliotek epigenomowych, które stanowiłyby dla nich źródło wiedzy i byłyby punktem odniesienia dla ich prac. Z tego powodu w 2005 roku powstał projekt poznania epigenomu człowieka (HEP z ang. Human Epigenome Project). Za cele tego projektu postawiono m.in. identyfikacje chemicznych zmian w strukturze chromatyny, które rzutują na funkcjonalność DNA, lepsze zrozumienie niekontrolowanej ekspresji genów w nowotworach i innych chorobach, dokładniejsze poznanie procesu starzenia się organizmu i zrozumienie wpływu środowiska na zdrowie człowieka [1,2,5].


Epigenom to informacja genetyczna dziedziczona w trakcie podziału komórek, lecz nie jest to dziedziczenie samej w sobie sekwencji DNA, tylko jest to dziedziczenie genomu, który jest zintegrowany ze wszystkimi znacznikami molekularnymi, powodującymi tłumienie lub ekspresję konkretnych regionów DNA. Epigenom można zatem zdefiniować jako połączenie wszystkich modyfikacji chromatyny całego genomu w danym rodzaju komórek. W dodatku, w przeciwieństwie do genomu, który pozostaje zasadniczo niezmienny w większości komórek organizmu, epigenom jest produktem o bardziej ograniczonych wzorcach ekspresji genów podczas całego rozwoju oraz jest także w pewnym sensie elastyczny i ulega dynamicznym zmianom w odpowiedzi na różne czynniki. Epigenom wykazuje także podatność na regulacje wewnątrz- i zewnątrzkomórkową w stanie fizjologicznym, na przykład regulacje poprzez interakcje komórka-komórka lub przez sąsiadujące komórki oraz regulacje w sytuacji zmian warunków środowiska, na które podatne są takie molekuły jak cytokiny, czynniki wzrostu, czy hormony. Można, więc powiedzieć, że epigenom wyraża zdolność organizmu do adaptacji objawiającej się ekspresją wybranych cech fenotypowych. Istotną rzeczą jest także, iż instruuje on unikalny program ekspresji genów specyficzny dla danego typu komórek w prawidłowym rozwoju, jak i w stanie chorobowym oraz zarządza interakcjami między odległymi odcinkami chromatyny [2,5].


Wzorce ekspresji genów w konkretnych typach komórek są ustalane przez takie mechanizmy epigenetyczne jak posttranslacyjna modyfikacja histonów, metylacja DNA oraz poprzez działalność niekodujących RNA (ncRNA z ang. non-coding RNA). Te modyfikacje nie zmieniają kodu genetycznego per se, tylko zostawiają jedynie „ślady’’ na sekwencji DNA w postaci znaczników chemicznych, które modyfikują bezpośrednio DNA lub modyfikują związane z nim struktury białek histonowych, co z kolei wpływa na to, czy, kiedy lub w jaki sposób konkretne elementy kodu genetycznego ulegają ekspresji bądź nie. Aby przybliżyć relację genomu z epigenomem można sobie wyobrazić, że genom to części składowe komputera, a modyfikacje epigenetyczne to oprogramowanie komputerowe, które zarządza i kontroluje jego działanie [3,4,6].



Ryc. 1 Różnorodne czynniki środowiskowe wpływające na zmiany epigenetyczne. Niektóre z nich mogą być korzystne dla zdrowia, lecz mimo wszystko spora ich część może przyczyniać się do zmian patologicznych [2].

Chromatyna to postać genomu jądrowego, tworzona przez kompleks DNA z białkami histonowymi. Występuje w komórce niedzielącej się, ponieważ kiedy komórka podlega podziałowi to w ten czas z chromatyny uformowane są chromosomy. Chromatyna nie jest jednolita pod względem dystrybucji genów i aktywności transkrypcyjnej, dlatego jest podzielona na dwie formy, czyli euchromatynę i heterochromatynę, które różnią się między sobą architekturą. Euchromatyna ma luźną strukturę, dzięki swobodnemu stanu aranżacji nukleosomów (podstawowe jednostki budujące chromatynę) i z tego powodu jej genomowe regiony są bardziej elastyczne oraz zawierają geny aktywne i nieaktywne transkrypcyjnie. Natomiast heterochromatyna stanowi obszar, gdzie DNA jest bardziej skondensowany i upakowany w skrócone formy, przez co jest niedostępny dla czynników transkrypcyjnych, jak i wówczas dostęp do białek histonowych jest również ograniczony. Genomowe regiony heterochromatyny składają się głównie z sekwencji powtarzalnych i genów represjonwanych, czyli takich, które związane są z morfogenezą i różnicowaniem (piętnowaniem genomowym i inaktywacją chromosomu X). Heterochromatyna jest również odpowiedzialna za stan sekwencji DNA w chromatynie zapobiegając wszelkim mutacjom i translokacjom [4,6].


Jak chromatyna utrzymuje swoją architekturę i biologiczne właściwości przez wiele pokoleń komórek i jak czynniki transkrypcyjne znajdują w jądrze swoje sekwencje docelowe nie jest w pełni poznane, natomiast wiemy już, że kowalencyjna modyfikacja DNA i oktameru histonowego staje się molekularnym punktem zwrotnym w rozróżnieniu aktywnej od nieaktywnej formy chromatyny. Modyfikacje epigenetyczne histonów wydają się być uniwersalnym mechanizmem wśród organizmów eukariotycznych począwszy od drożdży a skończywszy na człowieku. Z kolei metylacja DNA jest mniej konserwatywną modyfikacją, ale za to bardzo powszechnym i szybko rozwijającym się mechanizmem u wyższych eukariontów mających bardziej złożone genomy [4].


Histony to małe zasadowe białka o masie ok. 14kDa, zawierające w swojej strukturze wysoki procent aminokwasów z dodatnio naładowanymi łańcuchami bocznymi. W dodatku są najliczniejszymi białkami związanymi z DNA w komórkach eukariotycznych, a ich występowanie jest przede wszystkim związane z regulacją ekspresji genów i upakowaniem DNA w strukturę nukleosomu, który stanowi podstawową jednostkę strukturalną chromatyny. Każdy nukleosom składa się z DNA o długości 146pz owiniętego na oktameryczny rdzeń histonowy tworzony przez ściśle upakowane czterech rodzaje histonów występujących w podwójnych kopiach (H2A, H2B, H3, H4). W obszarze nukleosomu występuje jeszcze histon H1, który ma znaczenie stabilizujące podczas zagęszczania chromatyny do wyższego rzędu upakowania. Histon ten łączy się z rdzeniem za pomocą DNA łącznikowego, którego długość wynosi ok. 15pz. Od oktamerycznej struktury wychodzą NH2-końcowe ogony histonowe, które są przedmiotem licznych, dynamicznych i odwracalnych modyfikacji określanych jako modyfikacje potranslacyjne (z ang. PTMs post-translational modifications). W skład PTMs wchodzi acetylacja reszty lizyny, metylacja reszt lizyny i argininy, fosforylacja reszt seryny i treoniny oraz ubikwitynacja reszty lizyny, a także sumoilacja i ADP-rybozylacja [6,8,9].


Posttranslacyjna modyfikacja histonów

Modyfikacje epigenetyczne histonów wpływają na interakcje, między samymi histonami, histonów z DNA, jak również interakcje pomiędzy nukleosomami doprowadzając w ten sposób do zmian strukturalnych chromatyny. Te modyfikacje epigenetyczne współpracują ze sobą wpływając na wiele procesów komórkowych, w tym regulację cyklu komórkowego, procesy transkrypcji genów, replikacji oraz procesy naprawy DNA, ponieważ odpowiednia przebudowa chromatyny umożliwia rekrutacje białek i kompleksów enzymatycznych do miejsca docelowego w DNA. Zjawiska dodawania lub usuwania grupy metylowej w DNA (patrz wyżej) i w histonach oraz grupy acetylowej tylko w histonach, stanowią główne mechanizmy zmieniające tzw. „krajobraz epigenetyczny” (jest to dobra metafora wizualizacji procesu rozwojowego struktur biologicznych) [6-8].


Najlepiej poznaną modyfikacją histonów jest acetylacja. Na ogół proces ten zachodzi na wszystkich czterech histonach, lecz najczęściej zachodzi na histonach H3 i H4, a katalizowany jest przez enzym acetylotransferazę histonową (HAT). Funkcja HAT polega na przeniesieniu grupy acetylowej z acetylokoenzymu A (acetyl-CoA) na grupę ε-aminową łańcucha bocznego lizyny, która znajduje się w domenie N-końcowej histonów. To zjawisko powoduje neutralizację wszystkich dodatnich ładunków lizyny, co prowadzi do obniżenia oddziaływania między histonami a DNA oraz pomiędzy samymi nukleosomami, czyli daje sygnał do zmiany konformacji chromatyny i destabilizacji nukleosomów. Wówczas umożliwiony jest dostęp białkowych kompleksów transkrypcyjnych do miejsca promotorowego genu. Acetylacja jest związana z aktywacją transkrypcji i na ogół zachodzi podczas podziału komórkowego, natomiast brak acetylacji wydaje się korelować z wyciszeniem ekspresji genu. Procesem odwrotny do acetylacji jest deacetylacja i jest on katalizowany przez enzym deacetylazę histonową (HDAC). Te dwa procesy pracują w harmonii ze sobą, aby intensywność transkrypcji zachować na odpowiednim poziomie [8].


W odróżnieniu do acetylacji, metylacja histonów ma różny wpływ na aktywność transkrypcyjną. Generalnie jest to proces przenoszenia grupy metylowej na reszty lizyny lub argininy histonów H3 i H4 i jest katalizowany jest przez metylortanferazy histonowe specyficzne dla tych reszt aminokwasowych, czyli odpowiednio dla lizyny jest to PKMT (z ang. protein lysine methyltransferases), a dla argininy PRMT (z ang. protein arginine methyltransferases). Natomiast to, czy metylacja histonów będzie prowadzić do ekspresji, czy tłumienia genów zależy od pozycji modyfikowanych reszt aminokwasowych oraz liczby dodanych grup metylowych (arginina może przyjąć jedną lub dwie grupy metylowe, a lizyna nawet trzy grupy). Ta modyfikacja jest szczególnie obserwowana w obrębie miejsc promotorowych genów aktywnych transkrypcyjnie (np. H3K4me3). Lokalizacja H3K4me3 na promotorach nieaktywnych ułatwia wiązanie HAT i HDAC w celu utrzymania represji genu, ale także jego gotowości do przyszłego stanu aktywacji. Oprócz regionów promotorowych, metylacja jest także obserwowana w sekwencjach wewnątrzgenowych i może dawać sygnał dla elongacji, terminacji lub obróbki potranskrypcyjnej cząsteczki pre-mRNA (np H3K36me3) [4,8].


Jak metylacja histonu doprowadza do represji genu nie jest do końca poznane, natomiast wiemy, że metylowanie pewnych reszt lizyny (np. H3K9me3) doprowadza do wiązania się białka - heterochromatyna 1 (HP1), które następnie może rekrutować kolejne białka wpływające na strukturę chromatyny [4].



Ryc. 2 Powyżej zilustrowano posttranslacyjne modyfikacje histonów w specyficznych miejscach; metylację (Me), acetylację (Ac), fosforylację (P) i ubikwitynację (Ub). Większość znanych modyfikacji zachodzi na N-końcowych częściach ogonów histonowych, lecz istnieją też pewne wyjątki, takie jak: ubikwitynacja i fosforylacja histonu H2A, ubikwitynacja histonu H2B, acetylacja i metylacja domeny H3 na C-terminalnej części ogona histonów [4].

Metylacja DNA - znacznik sprawnego wyciszania genów

Ponad 30Mbp ludzkiego genomu składa się z dinukleotydu CG (CpG), który stanowi docelową platformę dla metylacji polegającej na kowalencyjnym przyłączeniu grupy metylowej do cytozyny (C) w pozycji 5’. CpG w sekwencji DNA wielu ssaków, które ulegają metylacji są rzadko rozmieszczone w genomie i poprzedzielane dinukleotydami CpG niezmetylowanymi, które występują w wyższej gęstości tworząc odrębne wysepki w genomie. Z pośród czterdziestu procent genów zawierających tzw. wyspy CpG, 80% z nich ulega procesowi metylacji. Przeprowadzanie tego zjawiska de novo zachodzi za pomocą metylotransferazy DNMT3A i DNMT3B, a metylotransferaza umożliwiająca utrzymanie wzoru metylacji podczas replikacji i podziału komórki to DNMT1. Zmetylowane wyspy CpG wzmacniają hamowanie szeregu procesów, w tym bezpośrednie zdolności blokowania kompleksów inicjacji transkrypcji, ponieważ poprzez związanie się tej grupy metylowej w rejonie sekwencji promotora, dochodzi do hamowania polimerazy RNA i kompleksów transkrypcyjnych (ryc.3). Funkcja wspomnianej już metylotransferazy DNMT1 nie tylko skupia się na samej metylacji DNA, lecz właśnie poprzez jej zdolność utrzymania zmetylowaniej formy CpG możliwe jest wiązanie się specjalnych białek mających w swojej strukturze domenę rozpoznającą zmetylowane wyspy CpG, są to tzw. białka MBPs (z ang. methyl-CpG binding proteins), a do tej grupy białek zalicza się m.in. MeCP2, MBD2 i MBD3. Grupa białek MBPs umożliwia wprowadzenie kolejnych enzymów do histonów, takich jak deacetylazy HDAC1 i HDAC2, ludzkiej metylotransferazy (Suv39 h1) metylującą w regionie H3K9me3 (trimetylowana lizyna w pozycji 9 histonu 3) i białko heterochromatynę 1 (HP1) - czyli białkowe komponenty prowadzące do wyciszenia ekspresji genów [7-10].



Ryc. 3 Schemat obrazuje zjawisko metylacji wysp CpG, które prowadzi do zahamowania translacji. Poprzez metylację w rejonie promotora genu dochodzi nie tylko do blokowania kompleksów inicjacji transkrypcji, lecz także ma miejsce synteza interferencyjnego RNA (miRNA; z ang.: micro interfering RNA), którego jedna nić swoiście wiąże się w rejonie 3’ mRNA niepodlegającego translacji i prowadzi do inhibicji syntezy białka. To zjawisko nosi miano interferencji RNA (RNAi) [7-10].

Podsumowanie

Tak jak mutacje w DNA mogą powodować chorobę, tak samo w przypadku nieprawidłowych zmian w aktywności genów, które nie zależą od sekwencji DNA, również mogą przyczynić się do różnych schorzeń, dlatego należy skoncentrować się na zjawiskach epigenetycznych oraz mechanizmach ich działania, które leżą u podstaw aktywności lub wyciszania genów. Należy brać pod uwagę, że nie zawsze tylko geny same w sobie, które dziedziczymy, determinują choroby lub ich brak, lecz to jak się odżywiamy, jaki prowadzimy tryb życia również odgrywa kluczową rolę w naszym funkcjonowaniu i przekłada się na stan naszego życia.


Literatura:
  1. Mathews HL, Janusek LW. Epigenetics and Psychoneuroimmunology: Mechanisms and Models. Brain Behav Immun. 2011;25(1):25-39.
  2. Kanherkar RR, Bhatia-Dey N, Csoka AB. Epigenetics across the human lifespan 2014;2(49).
  3. Feinberg AP. Epigenomics Reveals a Functional Genome Anatomy and a New Approach to Common Disease. Nat Biotechnol. 2010;28(10):1049–1052.
  4. Bhaumik S.R, Smith E, Shilatifard A. Covalent modifications of histones during development and disease pathogenesis. Nature Structural & Molecular Biology 2007;14:1008–1016.
  5. Bradbury J. Human Epigenome Project—Up and Running. PLoS Biol. 2003;1(3):e82.
  6. Feinberg A.P. Phenotypic plasticity and the epigenetics. NATURE 2007;447(24).
  7. Jones P. A., Martienssen R. A Blueprint for a Human Epigenome Project: The AACR Human Epigenome Workshop. Cancer Res 2005;65:(24).
  8. Loidl P. Histone acetylation: facts and questions. Chromosoma 1994;103(7):441-9.
  9. Laura Bonetta Detailed analysis NATURE 2008;454(7).
  10. Li E. Chromatin Modification And Epigenetic Reprogramming In Mammalian Development. Nat Rev Genet. 2002;3(9):662-73.

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

59 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u