6 Flashcards
Ce determină care sunt genele care vor fi activate pentru fiecare tip de celulă?
Activitatea factorilor de transcripție specifici pentru fiecare linie celulară, și mărcile epigenetice specifice aplicate ADN-ului.
Epigenetica
Este definită ca știința care studiază schimbări heritabile în expresia genelor care nu se datorează modificărilor secvenței ADN. Modificările expresiei genice sunt obținute prin gradul de împachetare al ADN. Cu cât ADN este mai condensat, cu atât mai puțin active sunt genele din regiunea respectivă și viceversa
Reprogramare epigenetica
în dezvoltarea embrionară timpurie, mărcile vechi ale celulelor germinale sunt eliminate pentru a permite zigotului să obțină pluripotență. Odată ce celulele pluripotente încep să se diferențieze, vor începe să stabilească noi mărci epigenetice care vor determina identitatea și funcția noilor celule fice
Mecanismele reglării epigenetice
- Metilarea ADN
- Modificările histonice
- ARN non-codant
Metilarea ADN
Transferul unei grupări metil la citozină se întâmplă în regiuni care conțin repetări ale bazelor citozină și guanină (repetări CG, cunoscute sub denumirea de regiuni CpG).
În 98% din genom, dinucleotidele CpG apar cu o frecvență redusă de 1/80 nucleotide. În restul de 2% din genom, acestea se găsesc în insule CpG, zone bogate în dinucleotide CpG cu lungimi variind de la 200 perechi de baze (bp) la mai multe kilobaze (kb) și cu o densitate CpG mai mare. Aproximativ 50-60% din gene conțin insule CpG în promotorii lor proximali (Figura 3). Astfel de insule CpG sunt aproape întotdeauna nemetilate în țesuturile normale. Siturile CpG din afara regiunilor promotor sunt aproape întotdeauna metilate.
Metilarea ADN-ului este un semn epigenetic care este asociat cu heterocromatina. Siturile în care este prezentă metilarea ADN-ului pot interacționa cu factorii de transcripție sau pot recruta enzime care modifică histonele și care transformă în continuare această regiune într-o cromatină reprimată (condensată). Metilarea ADN la insulele CpG asociate promotorilor cauzează, de obicei, represia genelor. Foarte important, lipsa generală de metilare în insulele CpG associate promotorilor poate fi perturbată în condiții patologice, în special în celulele canceroase, ducând la inhibiția aberantă a genelor.
Metilarea ADN la regiunile intragenice, intergenice sau fragmentelor repetitive determină represia acestor secvențe, prevenind astfel transpoziția, interferența transcripțională sau recombinarea ilegitimă care poate fi cauzată de aceste secvențe repetitive în genom. Prin aceasta, metilarea ADN-ului joaca un rol important in menținerea integrității genomului și limitarea ratelor de mutație.
Transferul grupării metil la citozină se produce simetric pe ambele catene ADN, astfel încât mărcile de metilare ale ADN-ului pot fi menținute prin diviziunea celulară (heritabilitate mitotică). Reacția este catalizată de ADN metiltransferaze (DNMT) care stabilesc și mențin metilarea ADN-ului după diviziunea celulară. De exemplu, DNMT1, principala metilază de întreținere a gradului de metilare, are o afinitate ridicată pentru ADN-ul hemimetilat (ADN dublu catenar care are citozine metilate pe o catenă, dar citozine nemetilate pe catena complementară). DNMT1 recunoaște aceste zone hemi-metilate și stabilește grupuri de metil la catena care conține citozine nemetilate.
Inactivarea cromozomului X
Un exemplu foarte bun de metilare a ADN-ului și de heritabilitate mitotică este inactivarea cromozomului X. Inactivarea X este un mecanism epigenetic de compensare a dozajului genic la mamifere, astfel încât bărbații și femeile au aceeași doză de gene pe cromozomul X. Inactivarea aleatorie X are loc la gastrulație în embrion. Există o șansă de 50-50% ca oricare dintre cei doi cromozomi X la mamiferele femele să fie inactivat în orice celulă dată. După acest moment, această stare epigenetică este moștenită mitotic de către toate celulele fiice
Modificările histonice
După ce genele histonelor sunt transcrise și translatate în proteine, moleculele histonelor pot primi diferite grupări chimice adăugate ulterior. Numim aceste mărci modificări post-translaționale histonice. De cele mai multe ori aceste modificări au loc la cozile N-terminale ale proteinelor histonice, care sunt cozile ce ies din nucleozom, făcându-le accesibile enzimelor. Acetilarea și metilarea cozilor histonice sunt cel mai bine caracterizate (vezi mai jos). Alte grupuri chimice mai pot fi adăugate: ubiquitinilare, fosforilare, ADP-ribozilare, citrulinizare. Scopul cercetării în acest domeniu este de a studia cu ce sunt asociate toate aceste mărci, pentru a putea anticipa ce fel de rezultat ar putea avea loc pentru regiunea respectivă, în funcție de codul histonic din aceea zonă ADN
ARN non-codant
Micro-ARN (miARN) – sunt molecule de ARN scurte care sunt implicate în inhibarea post-transcripțională a genelor. La mamifere, miARN-urile sunt transcrise în nucleu și sunt transportate în citoplasmă. În citoplasmă, miARN-urile pot lega moleculele de ARN mesager (ARNm) care codifică proteine. Dacă există o omologie de secvență între miARN și ARN mesager, atunci miARN se va lega la ARNm pe baza complementarității, blocând astfel translația ARN-ului mesager într-o proteină. Acesta este un mecanism de represiune translațională care reduce cantitatea de proteină codificată de către acea genă. Acest lucru nu modifică în sine compactarea cromatinei, ci mai degrabă este un mecanism de inhibiție a genei la un nivel post-transcripțional.
ARN non-codant lung (lncARN) – sunt molecule lungi de ARN care direcționează complexele epigenetice și ajută la stabilirea unor mărci epigenetice. Ele sunt transcrise în nucleu și vor rămâne în nucleu pentru a-și îndeplini funcția. ARN-urile non-codante lungi pot funcționa în mai multe moduri: ca și ghiduri care leagă, pe de-o parte, anumite regiuni ADN pe baza omologiei secvenței și, pe de altă parte, leagă proteinele sau enzimele care au roluri de remodelare a cromatinei, aducându-le la locul pe care îl recunosc; ele pot funcționa și ca schele, având capacitatea de a permite mai multor proteine sau complexe să acceseze un anumit sit al genomului, furnizând suportul care pune împreună mai multe proteine pentru a stabili alte mărci epigenetice. Un exemplu foarte bun pentru un ARN non-codant lung este Xist. Xist joacă un rol crucial în inactivarea cromosomului X. Am menționat anterior că inactivarea X este un mecanism epigenetic de compensare a dozajului genic care asigură că bărbații și femeile au aceeași doză de gene active de pe cromosomul X. Procesul necesită specificitate alelică, deoarece numai unul dintre cei doi cromosomi X ar trebui să fie inactivat, nu ambii. Primul eveniment în inactivarea X este transcrierea Xist din cromosomul care va deveni condensat. Pe de o parte, Xist se va lega de același cromozom din care a fost copiat. Pe de altă parte, Xist va lega de asemenea un complex proteic implicat în stabilirea unor modificări posttranslaționale histonice represive (în mod specific, H3K27me)
Amprentarea genomică
Este un fenomen epigenetic normal la om care se întâmplă când se formează gameții. Știm că gameții își încep formarea în timpul dezvoltării embrionare la locul gonadei primitive, urmând să se termine prin meioză pe durata vieții adulte. Reglarea epigenetică a genomului gameților începe cu eliminarea (aproape a) tuturor mărcilor epigenetice care au fost prezente în celulă și stabilirea de noi mărci specifice pentru diferențierea unui ovul sau a unui spermatozoid. În acest moment, unele gene vor fi activate sau inhibate în mod diferit, în funcție de tipul de celulă care se va produce: ovul sau un spermatozoid. Aceste gene sunt ținta amprentării genomice și se numesc gene amprentate. Această activare sau inhibiție a unor gene precis alese va rezista la resetarea mărcilor epigenetice în embrionul nou format (cele neamprentate sunt resetate). Aceasta înseamnă că, pentru unele zone ale genomului, embrionii vor moșteni alele care se vor comporta diferit dacă sunt moștenite de la mamă prin ovul, comparativ cu cazul în care sunt moștenite de la tată prin spermatozoid .
Cum se produce amprentarea genomica?
De obicei, genele amprentate se găsesc în clustere în genom. Nu sunt aproape niciodată gene individuale activate sau inhibate prin amprentare, ci mai degrabă sunt grupuri de gene care sunt reglate împreună prin efectele unei singure regiuni numite centrul de control al amprentarii (imprinting control region, ICR) al acelui grup de gene. Metilarea / non-metilarea ICR determină efectele ulterioare care vor determina reglarea epigenetică a genelor găsite în acest cluster.
Sindroamele Beckwith–Wiedemann și Russell–Silver
Sindroamele Beckwith-Wiedemann și Russell-Silver sunt prezentate împreună pentru că sunt cauzate de afectarea aceleiași regiuni amprentate: clusterul H19 / IGF2 cu localizare 11p15. Acest cluster conține gena H19 care codifică un ARN non-codant lung cu roluri în reprimarea altor gene în aval (H19 este un supresor tumoral). Gena IGF2 codifică factorul de creștere insulin-like 2, care este implicat în semnalizarea și promovarea diviziunii și creșterii celulare. Centrul de control al amprentarii (imprinting control region, ICR) din acest grup este imprimat patern (metilat pe cromozomul paternal) care se corelează cu transcripția IGF2 din cromozomul patern. În schimb, pe cromozomul matern, IGF2 nu va fi transcrisă și transcripția va avea loc la gena H19
Sindromul Beckwith-Wiedemann
IGF2 este exprimată numai de pe cromosomul patern produce nivele normale de IGF2 și creșterea normală a copilului. Dacă, în condiții patologice, acest echilibru este întrerupt, iar copilul nu are cromozomul care se comportă în stilul matern, atunci va exista un exces de IGF2.
Sindromul Beckwith-Wiedemann are caracteristica principală a creșterii accentuate (macrosomie), pacienții asociază trăsături craniofaciale, cum ar fi macroglosia, defectele peretelui abdominal, hemihidrotrofia, hipoglicemia, tumorile embrionare
Sindromul Russell-Silver
Dacă copilul nu are cromozomul care se comportă în stil patern, atunci va exista o producție insuficientă de IGF2.
Sindromul Russell-Silver are caracteristica principală a restricției de creștere, determinând o statură semnificativ redusă la pacienții afectați, adesea cu o înălțime finală între 140 cm (feminin) și 151 cm (masculin). De asemenea, se asociază alte fenotipuri, cum ar fi dificultăți de hrănire, hipotonie musculară, hipoglicemie, asimetrie, rareori alte anomalii congenitale sunt prezente, întârzierea de vorbire poate fi asociată
Sindroamele Angelman și Prader–Willi
Sindroamele Prader-Willi și Angelman sunt un alt exemplu de sindroame care sunt prezentate într-un cuplu deoarece sunt cauzate de afectarea aceleiași regiuni amprentate: clusterul Snrpn, cu localizare 15q11-13. Clusterul Snrpn conține multe gene diferite, dintre care se numără gena care codifică ARN-ul non-codant lung Snrpn. O altă genă importantă la acest grup este UBE3A, care codifică ubiquitin ligaza E3A, o enzimă importantă pentru procesele de degradare din interiorul celulelor. ICR din acest grup este metilat pe cromozomul matern - și acest lucru se corelează cu lipsa de transcripție în majoritatea genelor găsite în această regiune, cu excepția UBE3A. Pe cromozomul patern, ICR este nemetilat și cele mai multe gene sunt transcrise. O caracteristică a acestui cluster este faptul că, deși majoritatea genelor sunt active pe cromozomul patern, UBE3A este reprimată în mod specific în creier. Aceasta înseamnă că, în creier, singura sursă de UBE3A este cromozomul matern.
Sindromul Angelman
Dacă, în condiții patologice, acest echilibru este întrerupt, iar copilul nu are cromozomul care se comportă în stilul matern, atunci va exista o deficiență a UBE3A.
Sindromul Angelman are caracteristica principală a dizabilității intelectuale grave, acompaniind microcefalie. Pacienții asociază convulsii și manifestă o dispoziție fericită care este caracteristică acestui sindrom, cu momente inadecvate de râs pe fondul tulburărilor de dezvoltare neurologice. În schimb, expresia tuturor celorlalte gene din acest grup doar de pe cromozomul patern produce nivele normale ale acelor proteine corespunzătoare și dezvoltarea normală a copilului.
