ZDRAVIE A CHOROBA Z HADISKA GENETIKY A GENOMIKY

ZDRAVIE A CHOROBA Z HĽADISKA GENETIKY A GENOMIKY – IV SPĽASNUTIE GENOMICKEJ BUBLINY A NÁDEJE EPIGENETIKY? RÁCZ O, NIŠTIAR F PREDNÁŠKY Z PATOLOGICKEJ FYZIOLÓGIE ŠKOLSKÝ ROK 2015/2016 Diapo 1

PROBLÉMY • Malá genetika a veľká genomika (vrátane silných komerčných záujmov) • Sekvenácia genómu jednotlivcov je rutína (a čo sa dozvieme? ) • Štátna a konzumná eugenika? • O čo viac vieme o človeku a o chorobách 15 rokov po skončení projektu ľudského genómu? • Dá sa to využiť v každodennej lekárskej praxi? (okrem onkológie) Rose H, Rose S: Genes, Cells and Brains. Verso UK & USA 2013 – silná, miestami prehnaná kritika genomiky Diapo 2

PROBLÉMY – KDE SA STALA CHYBA? • Malá genetika a veľká genomika (vrátane komerčných záujmov) • Štátna a konzumná eugenika? • O čo viac vieme o človeku a o chorobách 15 rokov po skončení projektu ľudského genómu? • Dá sa to využiť v každodennej lekárskej praxi? (okrem onkológie) • PUBERTA GENOMIKY ? PRE NADŠENIE Z OBJAVOV A VÝSLEDKOV SME ZABUDLI, ŽE DNA JE MRTVÁ MOLEKULA FUNGUJE LEN VO SVOJOM ZLOŽITOM Diapo 3 PROSTREDÍ

C. H. WADDINGTON. CCA 1950 EPIGENETIKA A DÁVNO PREDTÝM LAMARCK A JEHO ŽIRAFY A PLOŠTICE? Štúdium dedičných zmien expresie génov alebo fenotypu bunky, ktoré sa vyskytujú bez mutácii (zmien Watson-Crickovho párovania báz) v DNA Diapo 4

EPIGENETIKA Modifikácia histónov DNA metylácia micro. RNA A iné nekódujúce RNA Diapo 5 Goldberg AD et al Cell. 2007 Feb 23; 128(4): 635 -8.

ČO JE EPIGENETIKA? • Waddington sa snažil vysvetliť DIFERENCIÁCIU buniek • Ako z jedinej bunky vznikajú rôzne tkanivá počas ontogenézy? • Ako rôzne dospelé kmeňové bunky poznajú svoj osud (zadanie)? • • Z myoblastov môžu vznikať len svalové bunky Z keratinocytov sa tvoria len bunky kože Z hematopoetických buniek vznikajú len krvinky ale všetky majú pritom rovnaké sekvencie DNA. • Moderná definícia: na sekvencii nezávislá dedičnosť (? ) • Prečo majú jednovaječné dvojčatá odlišnú prirodzenú farbu vlasov? Diapo 6

Jednovaječné dvojčatá s odlišnou farbou vlasov Diapo 7

ZÁKLADNÉ EPIGENETICKÉ MECHANIZMY METYLÁCIA DNA (BLOK) ACETYLÁCIA HISTÓNOV (AKTIVÁCIA) MODIFIKÁCIE RNA KONTROLA TRANSLÁCIE (si. RNA a iné) SOMATICKÉ = DIFERENCIÁCIA A MNOHÉ INÉ ZMENY FUNKCIE BUNKY TRANSGENERAČNÉ! INTERAKCIA S PROSTREDÍM Diapo 8

DNA metylácia U cicavcov, takmer všetky metylácie DNA sa vyskytujú na cytozínoch, ktoré sa nachádzajú vedľa guanínu (Cp. G islands) Diapo 9

Metylácia cytozínu vedľa G OBOJSTRANNE ! (kde je CG, tam na druhej strane je GC PRI DELENÍ BUNIEK ÁNO/NIE Diapo 10

ZLOŽITÉ ENZÝMOVÉ SYSTÉMY Diapo 11

METYLÁCIA V GAMÉTACH Diapo 12

METYLAČNÉ ZMENY POČAS VÝVOJA A STARNUTIA Diapo 13

Metylácia DNA od zygóty po dospelosť A SPÄŤ? ? ? Diapo 14

Metylácia DNA sa líši u totipotentnej embryonálnej kmeňovej bunky a unipotentnej adultnej kmeňovej bunky Diapo 15

PODROBNOSTI Tieto zmeny sa môžu objaviť po interakcii s vonkajším a vnútorným prostredím: fajčenie, zneužívanie drog, pri arteriálnej hypertenzii. . . DNMT-3 a a 3 b „de novo“‚ metylácie génov DNMT-1 je spojená s udržiavaním metylovaného stavu K demetylácii dochádza po znížení aktivity DNMT-1 a pri delení buniek Aktívne – vymazanie imprintingu? Diapo 16

ZÁVERY • DNA metylácie spočívajú v pridaní –CH 3 skupiny na 5. pozíciu cytozínu. Je najviac preštudovaný a najlepšie pochopený epigenetický mechanizmus • V ľudskom genóme sa prevažne vyskytuje na cytozínguanín dinukleotid (Cp. G) miestach, a slúži na reguláciu génovej expresie a udržiavanie stability genómu • • Význam v expresii génov vo všeobecnosti Imprinting Silencing repetitívnych sekvencií, pseudogénov. . . Inaktvácia druhého X chromozómu • STARNUTIE, KARCINOGENÉZA. . Diapo 17

ZÁVERY • DNA metylácie spočívajú v pridaní –CH 3 skupiny na 5‚ pozíciu kruhu cytozínu. Je najviac preštudovaný a najlepšie pochopený epigenetický mechanizmus • V ľudskom genóme sa prevažne vyskytuje na cytozínguanín dinukleotid (Cp. G) miestach, a slúži na reguláciu génovej expresie a udržiavanie stability genómu TRANSGENERAČNE? ! • • Význam v expresii génov vo všeobecnosti Imprinting Silencing repetitívnych sekvencií, pseudogénov. . . Inaktvácia druhého X chromozómu • STARNUTIE, KARCINOGENÉZA. . Diapo 18

Hongerwinter 1944 • • German’s blocked food to the Dutch in the winter of 1944. Calorie consumption dropped from 2, 000 to 500 per day for 4. 5 million. Children born or raised in this time were small, short in stature and had many diseases including, edema, anemia, diabetes and depression. The Dutch Famine Birth Cohort study showed that women living during this time had children 20 -30 years later with the same problems despite being conceived and born during a normal dietary state. Diapo 19

MODIFIKÁCIE HISTÓNOV • Ochrana a balenie genetického materiálu sa uskutočňuje histónmi • Históny môžu byť kovalentne modifikované: acetylácia, metylácia, fosforylácia, glykozylácia, sumoylácia, ubikvitinácia a ADP ribozylácia • Medzi najčastejšie modifikácie histónov sú acetylácia a metylácia lyzínu na amino konci histónov 3 (H 3) a H 4 • Pomocou týchto modifikácií sa podieľajú na regulácii transkripcie, replikácie a opravy DNA Diapo 20

MODIFIKÁCIE HISTÓNOV • Acetylácia histónov spôsobuje otvorenú štruktúru chromatínu, čo vedie k aktívácie transkripcie. Deacetylácia histónov je vždy spojená s transkripčnou represiou • Hlava 22 – históny sú samozrejme kódované v genóme a všetky ich modifikácie majú svoje genetické pozadie!!! • Modifikácie histónov sú harmonizované s metyláciou génov Diapo 21

MODIFIKÁCIE HISTÓNOV K – lyzín; S – serín Diapo 22

Diapo 23

Diapo 24

EXTRÉMNE ZLOŽITÉ POCHODY PRINCÍP: WRITER – robí modifikácie READER – číta a dá pokyn na zmeny v expresii ERASER – vymaže TO V ŽIADNOM PRÍPADE NIE JE „OBAL“ GÉNOV Diapo 25

mi. RNAs Diapo 26 Iorio et al. , 2009, J. Clin. Oncol. ; 27: 5848 -5856

Epigenetické faktory v Ontogenéza – materský účinok v strava v lieky, jedy (bisphenol!) v infekcia, ožiarenie v telesná aktivita v stres v svetlo? v hudba? v sociálne prostredie? Diapo 27

EPIGENETIKA? ? • Sklamanie z výsledkov modernej genomiky a ostatných „omik“ z hľadiska praktickej každodennej medicíny • Interpretácia výsledkov mikrochipov? • Príliš veľa génov (a ich polymorfizmov) pre bežné ochorenia • The missing part of heritability – genóm oveľa viac spolupracuje s prostredím, ako sme si to mysleli! • Logicky – spolupracuje cez „epigenetické“ mechanizmy Diapo 28

EPIGENETIKA? ? • The missing part of heritability – genóm oveľa viac spolupracuje s prostredím, ako sme si to mysleli! • Logicky – spolupracuje cez „epigenetické“ mechanizmy • Podľa môjho názoru ide len o lepšie pochopenie mechanizmov expresie génov v komplexnej podobe (DNA je mŕtvá molekula) • Len tak mimochodom – život sa začal molekulou RNA s katalytickou a informačnou funkciou • Provokatívne: Ľudská kultúra je čo? Prenos informácie výchovou, knihami, hudbou, umenim, náboženstvom • SOCIÁLNA EPIGENETIKA? Diapo 29

ASSYMETRIC REJUVENATION • Tissue stem cells undergo assymetric cell division. One daughter adopts a stem-cell-like state and the other differentiates into a more specialized cell type • Mitochondria are split unevenly between the two daughters. Older, near the nucleus are apported primarily to the tissue progenitor cell, newly synthetized to the stem cell-like daughter. Suomalainen Nature 521, 296 -297, 2015; Katajisto Science 348, 2015, 340 -343 • Parkin a protein that marks mit for recycling • Mitochondrial quality control as a regulator of cell fate? • Cellular recipe for rejuvenation of energy metabolism and immortality? 30 gens 18 d. ppt

ALTERNATIVE SPLICING • • Objav intronov 1977 Vyrezanie, spájanie kódujúcich častí – OK Alternatívne vyrezanie – čo o tom rozhoduje? Sú aj dlhé introny – ako ich rozozná editujúci sytém? (1998 „recursive“ – krok po kroku) • 2015 Sibley et al, Duff et al – aj u ľudí, u génov exprimovaných v mozgu • Súvislosť s autizmom a neurodegeneratívnymi chorobami? NATURE 2015, 521/7552; 300, 371, 376 gens 18 d. ppt 31