Эпигенетическая регуляция процессов развития

1. Эпигенетическая регуляция процессов развития

2. Основная догма молекулярной биологии: ДНК ------ РНК ------- БЕЛОК Генотип----------------фенотип ДНК ответственна за хранение, передачу и реализацию наследственной информации

3. Доимплантационное развитие человека День 1. Стадия зиготы День 2. Эмбрион в стадии дробления 4 бластомера День 3. Эмбрион на стадии дробления 8 клеток. День 4. Морула. 3 День 5. Бластоциста

4. Классификация стволовых клеток человека в соответствии с потенциалом к дифференцировке (Filip et al., 2004)

5. Разные судьбы, функции, морфология, «способности» клеток при одинаковом генотипе

7. Эпигенетическое наследование В более общем смысле, предметом эпигенетики являются явления, связанные с развитием различных фенотипов клеток или организмов на основе одного генотипа. В более узком смысле эпигенетика - раздел генетики, который изучает наследуемые изменения активности генов во время развития организма или деления клеток. Эпигенетическое наследование - наследование паттерна экспрессии генов.

8. ДВА ВИДА ИНФОРМАЦИИ В ГЕНОМЕ Генетическая – закодированная в ДНК программа создания живого организма Эпигенетическая (Динамическая)– как, где и когда должна быть реализована генетическая информация. Каждый вид информации обеспечен своими системами: Кодирования Хранения Передачи

9. генетические эпигенетические Изменения • Необратимы (мутации) • Изменения первичной структуры ДНК • Стабильно наследуемые • Обратимы • Не затрагивают изменений первичной структуры ДНК • Бывают долговременные и кратковременные

10. Эпигенетическая регуляция - наследственные и ненаследственные изменения в экспрессии конкретного гена без каких-либо соответствующих структурных изменений в его нуклеотидной последовательности. Эпигеном - это совокупность всех эпигенетических маркеров, обусловливающих экспрессию генов в данной клетке. Явления импринтинга, эффекта положения, особенности структурно-функциональной организации хроматина определенных хромосомных локусов, влияющих на экспрессию генов, и РНК-интерференция классифицируются как эпигенетические.

12. 1. ДНК (геном) метилирование, повторяющиеся последовательности, мутации отдаленных регуляторных элементов, транспозиции генетического материала 2. РНК (транскриптом) регуляторные мотивы пре-мРНК, антисмысловые РНК, нетранслирующиеся РНК, микро РНК, духцепочечные РНК 3. Белки (протеом) метилирование/деметилирование лизина 4, 9 и 27 гистона Н3, ацетилирование/деацетилирование гистонов Уровни эпигенетической регуляции

13. Метилирование ДНК Модификации гистонов

14. Метилирование ДНК и связанные с ним процессы

16. Схема метилирования и деметилированияцитозина

17. Репрессия транскрипции посредством метилирования ДНК

18. Взаимосвязь между метилированием цитозина в молекуле ДНК и ацетилированием гистонов

19. Механизмы инактивации гена в результате метилированияпромоторной области • 1. Метильные группы нарушают ДНК-белковые взаимодействия, выступая в большую бороздку ДНК и препятствуя связыванию специфических транскрипционных факторов. • 2. Метилированные районы ДНК специфически связывают транскрипционные репрессоры. • 3. Метилирование ДНК влияет на структуру хроматина.

20. Аналитические методы анализа метилирования 1.Метилчувствительная ПЦР (NotI, EagI, SacII, HpaII, HhaI) аналитическая чувствительность - 1: 2000 2. Метилспецифическая ПЦР Трансформация цитозина в урацил бисульфитом Na аналитическая чувствительность - 1: 1000 3. MethylLight – метилспецифическая ПЦР в реальном времени аналитическая чувствительность - 1: 10000 4. Метилспецифическоесеквенирование 5. Биологические микрочипы

21. Метилирование ДНК в клетке контролирует все (!) генетические процессы, в том числе такие как : Транскрипция (клеточная дифференцировка) Репликация РекомбинацияРепарация Транспозиция генов Инактивация Х-хромосомы (половая дифференцировка)

22. Биологическая специфичность метилирования ДНК: • Видовая (штаммовая) • Тканевая (клеточная) • Органоидная (ядро, митохондрии, пластиды) • Внутримолекулярная (островки метилирования, повторы) • Возрастная Метилирование ДНК у растений и животных регулируется (контролируется) гормонами:у растений - фитогормоны (ауксины и др.),у животных - кортикостероидные гормоны (гидрокортизон) и др. • Резкое искажение метилирования ДНК: • отсутствие метильных доноров (рак, гепатома) • суперметилирование ДНК РАК • полное выключение (knockout) ДНК-метилазного гена остановка развития, апоптоз, смерть (без метилирования ДНК жизни нет!)

23. Метилирование ДНК изменяется: • при грибковыхинфекциях у растений (вилт хлопчатника); • при прорастании семян и в связи с градиентом цветения • в нейронах при формировании памяти (метилирование ДНК мозга как показатель участия генома в механизмах индивидуально приобретеннойпамяти) • под воздействием гормонов и антиоксидантов (контролируется гормонально, блокирует связывание ДНК с гидрокортизон-рецепторными комплексами) Активирование генов путем уменьшения статуса их метилирования Природное: -репликация ДНК - выстригание остатков m5C c репарацией цепей - прямое деметилирование остатков m5C. Искусственное: - условия недостаточности метильных групп - ингибиторы ДНК-метилаз (SAH, 5-азацитидин)

25. Ферменты, осуществляющие метилирование ДНК – метилтрансферазы (Dnmt) Allis C.D., Jenuwein T., 2007 PCNA– домен взаимодействия с PCNA NLS– сигнал ядерной локализации RTF– домен, мишенью которого является центр репликации CXXC– цистеин-богатый домен BAH– домен, гомологичный бромодомену PWWP– домен, содержащий высококонсервативный мотив «пролин-триптофан-триптофан-пролин» ATRX– ATRX – подобный цистеинбогатый участок, содержащий C2-C2 цинковый палец и атипичныйPHD-домен

26. De novo метилирование и сохранение характера метилирования ДНК • Высокометилированые последовательности: • Сателлитная ДНК • Повторяющиеся элементы (в т.ч. транспозоны и их инертные формы) • Уникальная межгенная ДНК • Экзоны генов

27. CpG – островки • неметилированные участки длиной 1 kb • - в 5`-концах 60% промоторов активных генов Что защищает их от метилирования? - они защищены белками - постоянная работа деметилаз - нетипичный состав оснований - транскрипция в раннем эмбриогенезе требует отсутствия метилирования ДНК в этих местах

28. Синдром Ретта ( RTT, OMIM 312750) • описано в 1966 году • встречается преимущественно у девочек • регрессия развития • аутизм • стереотипные движения рук Основная причина – мутации МеСР2 (главный компонент метилцитозин связывающего комплекса) синдром ICF (иммунодефицит, хромосомная нестабильность, аномалии лицевого черепа) (ICF, OMIM 242860) Причина - мутации в гене DMNT3B(метилтрансфераза de novo). Гетерохроматиновые районы хромосом 1, 9 и 16 неметелированны, вследствие чего растянуты и имеют ветвистую структуру

29. Заболевания, связанные с нарушением процесса ремоделирования хроматина

31. Геномный импринтинг - эпигенетический механизм регуляции экспрессии гомологичных генов в процессе развития организма в зависимости от родительского происхождения гена, хромосомы или генома. Эпигенотип (импринт) - совокупность модификаций, которые по-разному маркируют родительские аллели и обеспечивают моноаллельный характер экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или материнского происхождения. Импринтированный ген - ген, который дифференциальноэкспрессируется в зависимости от материнского или отцовского происхождения. Импринтированные гены в диплоидной клетке млекопитающих обычно экспрессируются только с одного аллеля.

33. Геномный импринтинг (ГИ) – дифференциальная модификация отцовского и материнского генетического материала в процессе созревания гамет, следствием чего являются различия в экспрессии родительских аллелей как в процессе раннего эмбриогенеза, так и взрослых особей

34. 10 н.б. Частичный пузырный занос Андрогенез (мужской партеногенез) - диплоидный, хромосомы только отцовского происхождения Гиногенез (женский партеногенез) диплоидный, хромосомы женского происхождения

35. Характерные черты импринтированных генов 1. Кластеризация. Общие черты кластеров: 1) гены распределены на достаточно большом расстоянии; 2) наличие в кластере генов, экспрессирующихся только с отцовской или материнской хромосомы; 3) наличие генов, которые продуцируют не кодирующую РНК. 2. Консервативность импринтинга. Характер импринтинга генов H19, IGF2, p57KIP и SNRPN идентичен у человека и мыши. 3. Асинхронность репликации ДНК импринтированных генов. Импринтированные гены имеют асинхронную репликацию, показанную в кластерах импринтированных генов с использованием гибридизации in situ. Новременной характер репликации может варьировать в различных клетках, подобно мозаичному эффекту положения.

36. 4. Онтогенетическая и тканевая регуляцияимпринтинга. KvLQT1 экспрессируется с материнского аллеля во всех тканях кроме сердца; E6-AP - экспрессируетсябиаллельно во всех тканях, а в мозге - только с материнского аллеля; IGF2 имеет отцовскую экспрессию в большинстве тканей, но оба аллеляэкспрессируются в определенных структурах в течение развития мозга и в зрелом состоянии. Кроме того, IGF2 в процессе развития экспрессируется с трех различных промоторов. 5. Импринтированные гены кодируют как белки, так и только РНК. H19 кодирует РНК, аккумулирующуюся в больших количествах в течение развития фетальных тканей мезодермального и эндодермального происхождения. XIST. Транскрипция гена с инактивированной отцовской Х-хромосомы в экстраэмбриональных тканях заставляет предполагать регуляторную роль импринтированной РНК. IPW, PAR-SN, PAR1 и PAR5 экспрессируются с отцовской хромосомы и дают только РНК.

37. Целый ряд заболеваний по характеру наследования и проявлениям может возникать вследствие импринтинга. Синдром Вильямса с тяжелыми проявлениями - делеция 7q11.23 материнской хромосомы; Болезнь Гиршпрунга - мутация гена RET (10q11.2) материнскогопроисхождения; НФ 2 с тяжелым течением - мутация гене SCH (22q12) материнскогопроисхождения; Шизофрения в более тяжелых формах наследуется по отцовской линии; Синдром де Ланге (3q26) может быть связан с материнским импринтингом; Семейная гипертрофическая кардиомиопатия в основном передается по материнской линии; Spina bifida в два раза чаще передается матерями, чем отцами; Псориаз проявляется в более тяжелой форме, если наследуется от отца; Синдром Туреттаи поликистоз почек проявляются раньше и в более тяжелых формах, если наследуются от матери; Эпилепсия в более тяжелой форме наследуется от матери.

38. однородительская дисомия (ОРД=UPD) – наличие у потомков в кариотипе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) происхождения • 47 типовОРД • -44 типа ОРД по 22 аутосомам • материнская (mat) и отцовская (pat) • 3 типа по половым хромосомам • UPDХmat, UPDXpat, UPDXYpat Гетеродисомия – наследование потомком двух разных гомологов от одного родителя Изодисомия – наследование двух репликационных копий одной из хромосом

39. Нерасхождение хромосом в мейозе

40. Механизмы формирования ОРД

42. ОРД по целым хромосомам или их фрагментам выявлены при анализе наследственной патологии и у человека. материнская ОРД по хромосоме 2 => признаки дисэмбриогенеза и отставание в развитии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 6(q23 - q24) => неонатальный диабет; материнская ОРД по короткому плечу хромосомы 7 (GRB10) => синдром Сильвера – Рассела; материнская ОРД по хромосоме 14 => гипотония, черепно-лицевые аномалии, акромикрия, сколиоз, задержка физического, моторного и умственного развития; отцовская ОРД по хромосоме 14 => сильная умственная отсталость и скелетно- мышечные аномалии; материнская ОРД по хромосоме 16 => малый вес при рождении и врожденные аномалии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 20 (GNAS1) => псевдогипопаратироидизм Залетаев Д.В.

43. ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ОДНОРОДИТЕЛЬСКОЙ ДИСОМИИ У ЧЕЛОВЕКА

44. Общие свойства импринтированных генов • Располагаются кластерами (11р15; 15q11-13) • Асинхронность репликации • Временная и пространственная регуляция • экспрессии • Консерватизм ортологичных импритированных генов • Кодируют белки и РНК, которые не транслируются

45. Схема локуса 15q11-q13

46. Синдром Прадера-Вилли (PWS, OMIM 176270) • описан в 1956г. • неонатальная гипотония • ожирение • умственная отсталость • лицевые дисморфии • гипогонадизм 46 XX или ХУ, 15р- 1 : 12000-15000

47. Синдром Ангельмана (AS, OMIM 105830) • описан в 1965г. • умственная отсталость • отсутствие речи • нарушения сна • необычный смех • «кукольные» стереотипные движения 46 XX или XY, 15р− 1 : 10 000—20 000

48. Биопсия хориона или плаценты Аутосомная трисомия (полная или мозаичная форма) Кордоцентез Получение образцов крови от родителей для цитогенетического и ДНК-анализа УЗИ 2 уровня Анеуплоидия Нормальный кариотип и фенотип у плода Тестирование на ОРД ОРД исключена. Плацентарный мозаицизм ОРД у плода ОРД по хромосомам, для которых установлены “болезни импринтинга” ОРД по хромосомам, для которых исключены “болезни импринтинга” Пролонгирование беременностиУЗИ с допплерометриейПрофилактика ФПН и акушерских осложнений Прерывание беременности