Chromatyna a epigenetyka

Prezentacja na temat: "Chromatyna a epigenetyka"— Zapis prezentacji:

1 Chromatyna a epigenetyka

2 Chromatyna wypełnia jądro komórkowe
Chromatyna - kompleks nukleoproteinowy DNA, histony, białka niehistonowe Funkcja strukturalna oraz regulacyjna W jadrze nie ma nagiego DNA tylko chromatyna, co wpływa decydujaco na przebieg zachodzacych w nim procesow:replikacja, transkrypcja itd… , zaburzenia wystepuja w wielu chorobach, m.in. nowotworach

3 23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we wczesnej profazie

4 Maksymalny stopień kondensacji DNA osiąga w chromosomach
W jadrze interfazowym jest bardziej rozluzniona

5 Białka histonowe Histony-uniwersalne u eukariota (jaki jest wyjątek? - protaminy) Małe, zasadowe – lizyna i arginina Domeny globularne- rownomiernr rozmieszczenie ladunku,; odpowiedzialne za oddziaływania międzyhistonowe histonow rdzeniowych oraz wiazanie z DNA ;ogony sa zasadowe , w H1 N i C końcowe Bardzo konserwowane – najbardziej H4, 2 różnice miedzy krową i grochem. Ogony sa bardziej zmienne szczególnie w H1, H2A i H2B Różnice w sekw aa sa podstawa do wyroznienia wariantow sekwencyjnych , szczególnie duzo dla h1, brak dla H4. są kodowane przez odrebne geny.

6 Trawienie chromatyny MNazą - drabinka nukleosomowa
Mono, di, tri nukleosomy itd. Dlugie trawiienie ujawnia chromatosom i cz. Rdzeniowa – coraz krotsze DNA

7 „Sznur korali” (‘beads on the string’)
Olins & Olins, 1973

8 NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ CHROMATYNY
Roger Kornberg w 1974 r. zaproponował model, w którym DNA owinięty jest wokół rdzenia histonowego tworząc nukleosom NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ CHROMATYNY aureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2006 8

9 Fałd histonowy Charakt motyw strukturalny dla hist rdzeniowych odpowiada za interakcje histonow oktameru w nukleosomie Ok. 70aa, 3 helisy i krótkie łączniki

10 Złożenie fałdów (hand shake)
Silne oddziaływanie

11 Konserwowane elementy na obrzeżu oktameru
Odpowiedzialne za interakcje histony-DNA

12 Oktamer – oddziaływanie z DNA
Podstawową, powtarzalną jednostką strukturalną chromatyny jest nukleosom. W budowie nukleosomu można wyróżnić tzw. cząstkę rdzeniową – zwartą strukturę w kształcie spłaszczonego cylindra, złożoną z ośmiu cząsteczek histonów (po dwie cząsteczki histonów H2A, H2B, H3 i H4) na które nawinięty jest fragment DNA. Ogony wystaja na zewnatrz nukleosomu

13 Mutacje SIN znoszą oddziaływania oktameru z DNA
SIN (SWI/SNF independent) powoduja zmiane struktury chromatyny

14 Składanie nukleosomu Nukleosom = H3H4 tetramer + 2 dimery H2AH2B
Udział czaperonow przy składaniu

15 Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze
Samo nawiniecie dna na oktamery wymusza pewna konformacje DNA Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80 pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27,5 A.

16 Struktura krystalogtaficzna cząstki rdzeniowej nukleosomu
Karolin Luger Timothy Richmond Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60 16

17 Schemat nukleosomu

18 Nukleosomy - terminologia
8 histonów: Po dwa każdego z: H2A H2B H3 H4 Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.

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

20 Regulacyjna rola chromatyny
Struktura chromatyny nie jest jednolita, tzn. w jądrze komórkowym obok siebie występują regiony o niskim oraz wysokim stopniu kondensacji nazywane tradycyjnie eu- i heterochromatyną

21 Struktura a funkcja chromatyny
Połączone ze sobą nukleosomy tworzą w roztworach o małej sile jonowej włókno chromatynowe o średnicy 10nm, które w warunkach fizjologicznych spontanicznie fałduje się w grubsze włókno o średnicy 30nm. Nie wyjaśniono do tej pory, jak zbudowane są struktury chromatyny wyższego rzędu Rola histonu H1 i ogonów rdzeniowych Różne formy chromatyny mogą wzajemnie miedzy soba przechodzic – zmiany te sa regulowane i decydują o przebiegu procesów genetycznych (np.. Transkrypcji ) w jądrze

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

23 Metylacja DNA, Metylomy

24 Metylacja DNA zamienia cytozynę w 5-metylo cytozynę

25

26 Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne
Arabidopsis 46-dni od wysiania O N NH2 ~ CH3 cytosine 5-methylcytosine Methyltransferase WT met1/cmt3 Xiao, et al.(2006). The Plant Cell. 18:

27 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

28 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

29 U roślin program epigenetyczny wycisza transpozony i chroni integralość centromerów

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

31 Metylacja DNA jest niezbędna do wyciszania transpozonów
Brązowy = Metylowany DNA w mutancie met1 Niebieski = gęstość genów Czerwony = Gęstość elementów powtarzalnych Zielony = Metylowany DNA Utrata funkcji met1 lub ddm1 (decrease in DNA methylation1) mutanty mają niedometylowany DNA Zhang, et al. (2006). Cell 126:

32 Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie
H2A H2A H2B H2B

33 Enzymy modyfikujące histony i DNA
HAT – acetylotransferazy histonów (bromodomena) HDAC – deacteylazy histonów HMT – metylotransferazy histonów (chromodomena). CMT3 – DNA metylotransferaza (chromodomena)

34 Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów -acetylacja lizyny

35 Efekt acetylacji ogonów histonowych
Inhibitory deacetylaz – leki przeciwnowotworowe i w chorobach OUN

36 Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych
Kozaurides 2007

37 Modyfikacje a struktura chromatyny
H3 K9 diME H3 K9 diME euchromatyna heterochromatyna

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

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

40 Przykład przeciwstawnych funkcji modyfikacji histonów
H3/H4 AcLys/H3metLys4(H3K4) - związane z rejonami aktywnej transkrypcji H3/H4 Lys+/H3metLys9 (H3K9) - związane z rejonami wygaszonej transkrypcji.

41 Determinanty aktywnej i wyciszonej chromatyny

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

43 Warianty histonów – H2A Warianty h1- rozna dynamika wiazania z chromatyna

44 Warianty histonów - rozmieszczenie w chromosomach

45 SWI/SNF ISWI Mi2 Snf2 ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Główne typy kompleksów remodelujących chromatynę SWI/SNF ISWI Mi2 Swp73 Swi3 Snf5 Snf2 ISWI

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

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

48 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

49 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

50 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.

51 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.

52 Istota modyfikacji epigenetycznej

53 Dezaktywacja chromosomu X polega na wyciszeniu epigenetycznym
U samic ssaków, w każdej komórce jedna z kopii chromosmu X jest epigenetycznie wyłączona X XX 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.

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