Chromatyna a epigenetyka Chromatyna wypenia jdro komrkowe 23

Chromatyna a epigenetyka

Chromatyna wypełnia jądro komórkowe

23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we wczesnej profazie

Maksymalny stopień kondensacji DNA osiąga w chromosomach

Białka histonowe

Trawienie chromatyny MNazą - drabinka nukleosomowa

„Sznur korali” (‘beads on the string’) Olins & Olins, 1973 http: //users. rcn. com/jkimball. ma. ultranet/Biology. Pages/N/Nucleus. html

Roger Kornberg w 1974 r. zaproponował model, w którym DNA owinięty jest wokół rdzenia histonowego tworząc nukleosom NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ CHROMATYNY

Fałd histonowy

Złożenie fałdów (hand shake)

Konserwowane elementy na obrzeżu oktameru

Oktamer – oddziaływanie z DNA

Mutacje SIN znoszą oddziaływania oktameru z DNA

Składanie nukleosomu

Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze • Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80 pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27, 5 A.

Struktura krystalogtaficzna cząstki rdzeniowej nukleosomu Karolin Luger Timothy Richmond Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep 18; 389(6648): 251 -60

Schemat nukleosomu

Nukleosomy - terminologia 8 histonów: Po dwa każdego z: H 2 A H 2 B H 3 H 4 Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.

Organizacja chromatyny Podwójna helisa DNA 2 nm Histony + DNA. “Koraliki na sznurku” f Komórka 11 nm Włókna nukleosomowe 30 -nm (solenoid) 30 nm Włókna połączone z macierzą jądrową 300 nm Nuclear Matrix

Regulacyjna rola chromatyny

Struktura a funkcja chromatyny

Zmiany struktury chromatyny • modyfikacje DNA • modyfikacje potranslacyjne histonów • wyspecjalizowane warianty histonów • ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

Metylacja DNA, Metylomy

Metylacja DNA zamienia cytozynę w 5 -metylo cytozynę

Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne Arabidopsis 46 -dni od wysiania e as r sfe n a r NH 2 N O ylt h t e NH 2 M CH 3 N N ~ cytosine O N ~ 5 -methylcytosine WT met 1/cmt 3 Xiao, et al. (2006). The Plant Cell. 18: 805 -814

Metylacja DNA u eukariontów • Nie jest uniwersalna, występuje u ssaków i roślin kwiatowych • Jest zmienna gatunkowo, tkankowo i chromosomowo • Rozpoznawana przez rodzinę białek zawierających domenę (MBD) wiążącą metylowany DNA • Ściąga kompleksy białkowe indukujące zmiany w lokalnej strukturze chromosomów • Wyłącza ekspresję genów • Zakłócenia w normalnym wzorze metylacji DNA są niemal powszechnie wykrywane w nowotworach

Transpozony • Fragmenty DNA, które mogą się wstawiać w nowe miejsce w chromosomie • Niektóre są zdolne do autokopiowania, co prowadzi do wzrostu ich ilości w genomie • Odpowiadają za wielkoskalowe zmiany w chromosomach, jak również pojedyncze wydarzenia mutacyjne

U roślin program epigenetyczny wycisza transpozony i chroni integralość centromerów

Transpozony mogą powodować wyłączenie lub niestabilność alleli Gen biosyntezy barwnika Allel dziki Ziarniak barwny Gen rozbity przez transpozon Allel zmutowany Ziarniak bezbarwny Wycięcie transpozonu powoduje niestabilność allelu Allel niestabilny Ziarniak częściowo zabarwiony

Metylacja DNA jest niezbędna do wyciszania transpozonów Niebieski = gęstość genów Czerwony = Gęstość elementów powtarzalnych Utrata funkcji met 1 lub ddm 1 (decrease in DNA methylation 1) mutanty mają niedometylowany DNA Zielony = Metylowany DNA Brązowy = Metylowany DNA w mutancie met 1 Zhang, et al. (2006). Cell 126: 1189 -1201

Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie H 4 H 3 H 2 A H 2 B

Enzymy modyfikujące histony i DNA • HAT – acetylotransferazy histonów (bromodomena) • HDAC – deacteylazy histonów • HMT – metylotransferazy histonów (chromodomena). CMT 3 – DNA metylotransferaza (chromodomena)

Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów acetylacja lizyny

Efekt acetylacji ogonów histonowych

Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych Kozaurides 2007

Modyfikacje a struktura chromatyny H 3 K 9 di. ME euchromatyna heterochromatyna

Po-translacyjne modyfikacje histonów w nukleosomie wg. B. Turner, Cell 2002

Mechanizm działania modyfikacji potranslacyjnych białek histonowych Ø Działanie bezpośrednie: zmiany w oddziaływaniach histon-DNA i histon-histon Ø Działanie pośrednie: rekrutacja białek rozpoznających określone modyfikacje Kozaurides 2007

Przykład przeciwstawnych funkcji modyfikacji histonów • H 3/H 4 Ac. Lys/H 3 met. Lys 4(H 3 K 4) związane z rejonami aktywnej transkrypcji H 3/H 4 Lys+/H 3 met. Lys 9 (H 3 K 9) związane z rejonami wygaszonej transkrypcji.

Determinanty aktywnej i wyciszonej chromatyny

Znaczniki epigenetyczne związane ze stanami chromatyny ATP-zależna przebudowa chromatyny ATP-dependent chromatin remodeling

Warianty histonów – H 2 A

Warianty histonów - rozmieszczenie w chromosomach

ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny Główne typy kompleksów remodelujących chromatynę SWI/SNF Snf 2 Swp 73 Snf 5 Swi 3 ISWI Mi 2

Przykład „przebudowy” (remodelingu) chromatyny Pozycja skrajna Pozycja centralna

ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów wzdłuż nici DNA

Nukleosomy zajmują określone miejsca w chromatynie • • • A. Schemat ułożenia nukleosomów w chromatynie, pojęcie długości powtórzeń nuklesomowych. B. Silnie zlokalizowane i rozmyte nukleosomy. • C. Nukleosomy a miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych. • G. Arya et al. jbsd 2010 •

Nukleosomy a transkrypcja • Schemat otwartych (A) i zamkniętych (B) promotorów. • Typowa mapa pozycyjna nukleosomów na otwartym promotorze pokazuje wyraźne wyróżnienie locus genowego przez obecność rejonów 5’ i 3’ wolnych od nukleosomów (NDR). • (TSS) - miejsce startu transkrypcji. • 5’ NDR sąsiaduje z silnie związanymi nukleosomami. • G. Arya et al. jbsd 2010

Dziedziczenie epigenetyczne • Dziedziczne modyfikacje funkcji genów nie związane ze zmianami w sekwencji DNA • Mechanizmy epigenetyczne są związane z modulacją chromatyny i obejmują: modyfikacje histonów, metylację DNA, przebudowę nukleosomów (remodeling), system RNAi.

Epigenetyka Dziedziczenie właściwości (np. wzoru ekspresji genów) poprzez mitozę, nie wymagające zmian w sekwencji DNA. Genetyka Epigenetyka Allis, et al. (2007). Epigenetics, overview and concepts. CSHL.

Istota modyfikacji epigenetycznej

Dezaktywacja chromosomu X polega na wyciszeniu epigenetycznym U samic ssaków, w każdej komórce jedna z kopii chromosmu X jest epigenetycznie wyłączona X XX X X X X X U samic ssaków, w każdej komórce jedna kopia chromosomu X jest wyciszona epigenetycznie. Kolor futra u kotów jest częściowo determinowany przez gen orange, położony w chromosomie X. Samica, która jest heterozygotą w genie orange, wykazuje czarne i pomarańczowe plamy, które odpowiadają komórkom, z genem wyłączonym w jednym lub drugim chromosomie.

Przykład ewolucyjnego efektu epimutacji (zmiany we wzorze metylacji DNA) Lcyc kontroluje symetrię grzbietowobrzuszną kwiatu; u mutanta nieaktywny z powodu silnej, dziedziczonej metylacji From Cubas et al 1999, Nature 401: 157 -161